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证明黎曼猜想的新几何,把数学之美展现得淋漓尽致,成就数学之梦

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黎曼猜想可能是有史以来最大的未解数学问题,但它只是一个更大故事的一小部分,这个故事就是寻找支撑L函数理论的新几何的探索。

在黎曼猜想的传奇世界里,我们将解释L函数是什么,阐述这个新几何的梦想,有些人称之为一元域上的几何(geometry over the field with one element),或F1。我会解释它与黎曼猜想的联系,以及其他伟大的问题,比如BSD猜想和朗兰兹计划(langlands program)。这是一段漫长的旅程,起点是L函数的理论,其中最简单的例子就是黎曼ζ函数。梦想是找到这个未知的、隐藏的、难以捉摸的F1几何。我们的希望,就是这个几何能为黎曼猜想的证明开启一条路径。



首先,我想向你们展示马宁(Manin)的一篇文章,作为F1的入门,然后简要回顾一下黎曼猜想,最后说一些关于如何寻找黎曼猜想证明的事情。

F1入门

作为对F1的初次接触,我向你们展示尤里·马宁的一篇文章。马宁是一个传奇人物,他是世界上为数不多的拥有全面数学知识的数学家之一。在这篇文章中,我只想指出一些我们将来会遇到的关键想法。你们可以自己阅读这篇文章,它是公开可见的。



文章的标题是“把数字看作函数(NUMBERS AS FUNCTIONS)”,其思想是为了解决数论中最深奥的问题,我们可能需要重新想象数学的核心本质。特别是,我们可能需要重新思考我们对“数字”这个词的理解。马宁讨论了一种特定的做法,这是按照亚历山德鲁·布伊乌姆(Alexandru Buium)的理论发展出来的。在摘要中,你可以看到这个短语,“一元域上的几何”。



他还提到一个非常意外的想法,即素数和物理之间可能存在深层的联系。整篇文章都是在讲述一个故事,即许多不同的想法之间存在意想不到的联系。让我们一起浏览这篇文章。





首先,这可能是最著名的数学公式之一,e 的 πi 次幂等于负一。他还提到了黎曼ζ函数的特殊值,即 π^2/6,





你可能在与巴塞尔问题的关系中看到过这个公式。文章开头的讨论主要关注一类特殊的数字,它们在量子场论中出现的原因令人费解。这些数字被称为周期(periods)。





在第三页,我们遇到了一个超级重要的想法,即单位根(roots of unity)。



然后在第四页的开头,他提到了我们的希望,即接近黎曼猜想。



一些有趣的周期示例包括代数数字,也就是多项式方程的零点,数字π也是一个周期,然后还有这些奇怪的数字,





这可以通过将伽马函数应用于有理数来得到。所以我们可以把它们叫做分数伽马值(fractional gamma values)。

这里的所有内容都非常有趣,我想提到的最后几个概念是费曼积分或费曼路径积分(Feynman path integrals),它们与量子场论中的振幅有关。然后在第14页,有些概念被称为格罗滕迪克环和维特环(Grothendieck rings and Witt rings)。



它们是具有所谓"lambda-运算”的代数结构的例子。



在第16页,我们看到了一个被称为F_q的东西,这是一个有限域,我们会回过头来再谈这个,还有这个符号F_1,它是这种神秘几何的核心。



最后在第18页,他使用了“深不可测的深渊”这个短语,我非常喜欢这个词,因为它传达出在这个思想空间中你遇到的深度的感觉。



黎曼猜想回顾

我们快速回顾一下黎曼猜想。质数包括2,3,5,7,11,13,17,19等等。如果你写下每个正整数的因数,你会看到质数,它们是只有两个因数的数。

让我们看看一些较大的质数:

101,103,107,109,113,127,131,137,139和149。

从一个质数到下一个质数的跳跃,它们似乎是相当随机的。有时两个质数是直接相邻的。像101和103这样的孪生素数;但是有时候,它们之间会有巨大的间隙,像113和127。

这里有没有底层的结构?我们能否预测下一个质数的出现?这就是黎曼ζ函数出场的时候。



质数与黎曼ζ函数的零点相连。ζ函数是从复数到复数的函数。这意味着,对于任何复数的输入,将得到一个复数作为输出。例如,输入2,输出π平方除以6。输入负1,输出负1除以12。输入负2,输出0。所以数字-2,是黎曼ζ函数的一个零点。



如果把所有这些零点作为复平面中的点,有些很容易计算,如-2,-4,-6等等,也就是负的偶数。



这些被称为平凡零点(trivial zeros)。其他的零点,被称为非平凡零点(non-trivial zeros),都包含在所谓的临界带(critical strip)中。



意思是,ζ函数零点的实部,在0和1之间。黎曼猜想声称,所有非平凡的零点,实部都等于1/2。

换句话说,它们都在所谓的临界线上。数学家们已经计算过,这些非平凡零点的前12万亿个,它们的实部都是1/2。

虚部呢?你可以计算它们,对于前几个零点,虚部大约是,14.1左右,21左右,25左右,这个数字序列被称为黎曼谱。



我们可以使用Sage计算更多的这些值。

要初步理解这些零点为什么如此有趣,让我们看看函数



这是一个余弦波,以14.1作为角频率,以对数x为变量。这里的“对数”是自然对数ln。让我们绘制函数f从x等于1到15的图形。



这看起来像是某种波,波长随x的增大而增大,但看看峰值!虽然不完美,但接近1、2、3、5和稍大于7的地方有峰值。在11和12之间有最后一个峰值。

现在我们再给函数f的定义加上一个项:



这个函数在大致是1、2、3、5、7,然后稍高于12的地方有峰值,



现在我们继续添加越来越多的项,



使用来自黎曼谱的数字构建这些余弦波。使用前十个项,就会有非常清晰的峰值,分别在1、2、3、5、7、11和13的位置。



我们可以使用任意数量的项,让我们使用一百个项,并将这个图形扩展到x等于二十的地方,



现在,也许你可以猜出这些小峰值是什么。在2之后,峰值出现在4、8和16。在3之后,峰值出现在9,然后会有更多的峰值出现在27、81等等。这些是2的幂和3的幂。总的来说,随着我们添加越来越多的项,并扩大x值的范围,所有的质数的幂都会出现尖峰。

这些图表是一个初步的小提示,虽然我们通常关注的是质数,但质数的幂对我们也非常重要。只需记住,这些图表,所有这些尖峰,并不是来自我们了解的质数,它们仅来自黎曼谱。所以显然,这里有一种连接,连接了黎曼谱和质数。这简直是疯狂的!质数与余弦波无关。如果你深入研究这种联系的细节,你想了解有多少质数在给定数值之前,比如说在二十或一百万之前,那么关键就是了解一个零值可能离临界线有多远。最完美和最美丽的情况应该是,所有的零值实际上都完全在这条线上。这个猜想就是黎曼猜想。

黎曼猜想的证明

那么,我们如何证明黎曼猜想呢?这是一个价值百万美元的问题。关于黎曼ζ函数有很多书,关于黎曼猜想也有很多书。在其中的一些书里,你会发现人们尝试过的许多事情,以及可能在未来证明中起作用的许多想法的列表。当然,没有人真正知道最终会有什么效果。但是,我认为,如果你想阅读这些想法,最好的地方,也许是最好的地方,是布莱恩·康瑞(Brian Conrey)的一篇近期文章(RIEMANN’S HYPOTHESIS)。



康瑞是世界上黎曼猜想的顶级专家之一。他有很多很有趣的研究论文,但最著名的就是他证明了在临界带中至少40%的零值实际上在临界线上的那篇。



你可以自己阅读这篇论文(RIEMANN’S HYPOTHESIS),我只想强调我认为最有趣的一些想法。一开始就讨论了这个问题的历史背景,以及质数和零值之间的联系。有一小部分关于“我们为什么认为黎曼猜想是对的?”的内容,这也非常有趣。然后引入这个谱解释的想法,



意思是零值可能是某个算子的特征值。关于证明黎曼猜想的一些初步想法,听起来很有趣。然后我想强调这个第16节,



魏尔的显式公式和正性标准。17是李氏准则,



然后与函数域ζ函数的类比。另外,请关注Selberg类的概念。那是尝试写下一个L函数的公理的尝试。这种L函数的族的想法很重要,而且再次出现了"正性"这个词。正性确实是通向黎曼猜想任何未来证明的关键一步。最后,最后一部分,或者倒数第二部分,随机矩阵理论,这是一个超级有趣的研究领域。

总的来说,也许最重要的三个想法是,

  • 第一,我们应该研究所有的L函数,而不仅仅是黎曼ζ函数,因为有一些模式和现象,如果你只研究黎曼ζ函数的话,是看不到的。
  • 第二,关注这个正性的概念。这是对黎曼猜想的几种普遍方法之一,适用于一般的L函数,而不仅仅是黎曼ζ。
  • 第三,重新审视与函数域的类比。与函数域ζ函数的类比,其中黎曼猜想已经被证明是真的,是我们相信黎曼猜想是真的主要原因之一。这也是新想法的主要来源,寻找隐藏的F1-几何。

后面,我们将研究L函数的来源。L函数来自我们称为原始对象的东西。我们也将研究另一个重大问题,那就是朗兰兹计划。

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