三百多年前,法國律師兼業余數學家皮埃爾·德·費馬在丟番圖《算術》的頁邊寫下一行批注:“將一個立方數分成兩個立方數之和,或一個四次冪分成兩個四次冪之和,或者一般地將任何高于二次的冪分成兩個同次冪之和,這是不可能的。我確信已發現了一種美妙的證法,可惜這里空白的地方太小,寫不下。”短短幾十字的批注,開啟了數學史上最傳奇的一段征程,而最終為這段征程畫上完美句點的,就是1996年沃爾夫數學獎得主安德魯·懷爾斯。
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從1637年到1994年,三百五十多年里,幾乎所有頂尖數學家都試過啃這塊硬骨頭:費馬自己證明了n=4的情形,歐拉證明了n=3的情形,高斯、柯西、勒貝格都曾在這個問題上折戟。19世紀,德國數學家庫默爾為了攻克這個問題創立了理想數論——這一后來成為現代代數數論核心的工具,一次性證明了所有小于100的指數情形,把問題推到了新高度,卻依然沒能得到覆蓋所有情況的完整證明。到20世紀中期,哪怕有了電子計算機的輔助,數學家也只能證明越來越大的指數情形,無法給出普適的完整證明,不少人已經斷言,費馬大定理的證明在當代不可能實現。
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懷爾斯和這個問題的結緣,始于10歲時的一次偶然:小鎮公共圖書館里,少年懷爾斯翻到一本講數學問題的科普書,第一次看到費馬大定理,一個連小學生都能讀懂表述的問題,難倒了所有頂尖數學家三百多年,這個謎題一下子抓住了他,種子就此種在了心里。后來他進入牛津、劍橋求學,順理成章選擇了數論方向,研究當時最前沿的橢圓曲線,他完全沒想到,童年的執念剛好趕上了數學發展的風口。
1950年代,日本數學家谷山豐和志村五郎提出了一個震驚學界的猜想:所有有理數域上的橢圓曲線,都可以對應到一個模形式。這個看起來和費馬大定理完全無關的猜想,在1980年代被德國數學家弗雷串聯了起來:如果費馬大定理不成立,也就是存在整數n>2滿足a?+b?=c?,我們就能構造出一個不可能被模形式化的橢圓曲線,換句話說,只要谷山-志村猜想成立,費馬大定理就一定成立。1986年,美國家里貝特嚴格證明了弗雷的這個命題,通向費馬大定理的大門終于被打開,而當時已是普林斯頓大學教授的懷爾斯知道,屬于他的機會來了。
他做出了一個驚人的決定:不透露任何風聲,獨自攻克這個舉世矚目的難題。整整七年,他躲在自家閣樓的書房里,推掉了幾乎所有無關的學術事務和社交,只有妻子知道他在做什么。他整合了整個領域幾十年積累的核心成果:用伽羅瓦群對橢圓曲線分類,用伊瓦謝理論處理伽羅瓦表示,又創造性地將剛發展起來的歐拉系統方法引入證明,一步步推進到半穩定橢圓曲線(正是費馬大定理對應的那類橢圓曲線)的谷山-志村猜想證明。1993年6月,懷爾斯在劍橋大學牛頓研究所做了三次系列演講,最后一次演講結束,他在黑板上平靜寫下“費馬大定理因此得證”,整個世界都為之轟動,頭版頭條、全球媒體報道,誰都相信,困擾人類三百多年的謎題終于解開了。
但數學的嚴謹容不下半點疏漏,審稿過程中,專家發現證明的核心——歐拉系統的估值論證存在無法繞過的缺陷,這個漏洞直接擊穿了整個證明的邏輯鏈條。接下來的一年多,懷爾斯承受著巨大的壓力,不少人開始質疑他,甚至認為他只是又一個栽在費馬大定理上的失敗者。直到1994年9月,在之前的學生理查德·泰勒的幫助下,懷爾斯突然靈光一閃:被他此前放棄的伊瓦謝理論,剛好可以補上歐拉系統留下的漏洞,不需要對原有框架做任何傷筋動骨的修改。短短幾個星期,他就完成了修正,1995年兩篇總長度110頁的證明論文發表在《數學年刊》,這一次,整個學界一致認可了證明的正確性。
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1996年,懷爾斯因為這一里程碑式的成果獲得沃爾夫數學獎,頒獎詞稱他“解決了困擾世界三個半世紀的難題,開辟了數論的新時代”。這個評價絕不為過:費馬大定理的證明不僅僅是解決了一個古老謎題,更重要的是,懷爾斯第一次打通了朗蘭茲綱領中數論與分析兩個完全不同領域的橋梁,他創造的方法直接推動了整個現代數論的發展,此后幾十年關于橢圓曲線、模形式的無數重大成果,都建立在懷爾斯工作的基礎上,甚至我們今天日常上網用到的橢圓曲線密碼學,也間接受益于這場跨越三百多年的智力追尋。
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懷爾斯后來回憶,探索的過程就像在黑暗的房子里摸索,撞過無數次墻才能找到門,而最終推開房門的那一刻,所有等待都值得。對數學來說,最珍貴的從來不是一個答案,而是一代又一代人向著同一個目標前進,把人類智力的邊界一點點推遠的過程,懷爾斯無疑是這段征程中最耀眼的名字。
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