千年之谜（五）庞加莱猜想：破译宇宙的形状

作者：黄逸文（中国科学院数学与系统科学研究院）

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

“一个甜甜圈和一个苹果，究竟有什么本质的不同？”正是这样一个简单的问题，却开启了数学领域上最重要的分支之一——代数拓扑学。

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这门学科的创始人，则是被誉为人类有史以来最伟大的天才之一的法国科学家庞加莱（Poincaré）。他的研究兴趣极其广泛，涵盖数学、物理和科学哲学等诸多领域，是唯一一位入选当年法兰西科学院所有五大部门——几何学、机械学、物理学、地理学与航海学——的科学家。因此，他也被公认为世上最后一位伟大的科学全才。

图1 庞加莱（1854-1912，图片来源：维基百科）

庞加莱猜想，就诞生在对三维空间物体的拓扑性质的研究之中。它将与20世纪那些最伟大的数学家一起走过百年的风雨行程，最终揭开拓扑学中最辉煌、深刻的谜底。

橡皮膜几何学

拓扑学脱胎于普通的几何学与微积分，数学家则在其中着重研究曲面和其他数学对象的普遍性质。特别地，研究二维平面的拓扑学被人们戏谑地称为“橡皮膜几何学”。在日常生活中，二维拓扑学正在悄无声息地为人们提供巨大的便利。时至今日，地铁已经成为人们出行的必备交通工具。每一张横竖交错的地铁交通图就提供了一个二维拓扑学应用的典范。

图2 北京地铁路线图（图片来源：bjsubway.com/）

人们可以从地铁的轨道交通图中获得巨大的出行信息。很少有人注意到，这张地图提供的信息几乎在每一个方面都是不精确的。它没有按照比例制作，不能体现距离的远近；甚至那些笔直的线路在现实世界里也会变得蜿蜒曲折、左转右拐。然而，它却提供了另外两个极其基本的信息。一个是沿途车站位于某标志建筑的相对位置，另一个则是车站的排列顺序和换乘地点。乘客只能从这张粗略的地图上知道何处换乘以及何处上下车的信息。

另外一个常见的例子就隐藏在家用电器的设备电路图里。它显示了各个电子器件是如何通过电线连接在一起，却并没有规定这些电子器件的准确位置以及这些电线的长度和它们连接的路线。

图3 电饭锅线路图（图片来源：百度图片）

这样具有高度浓缩信息的简单图纸，只为使用者提供最有用的信息，而自动忽略其他所有细节。如果把地铁图印在一张极富弹性的橡皮膜上，然后进行适当的拉伸与压缩，它就能被还原为真实比例的地理图纸。但这样的拉伸并不会改变线路把各个车站连接起来的样式。这就体现了二维拓扑学的主要性质：扭曲和拉伸一个网络中的任何连线，而不会改变其总体的布局。如果要改变其布局，必须增加或者断开一条连线。

橡皮膜拓扑学随后在当今的尖端科技里发挥了巨大的威力，对电路图、计算机芯片、电话网络和互联网等等都具有举足轻重的意义，特别是在超级计算机的芯片设计、大数据时代下的万物互联起到决定性的作用。这就仰仗于网络节点的拓扑设计水平。因此，一个更关键的问题就转化为了解三维物体的拓扑性质。如果数学家能为三维空间的物体建立全部的拓扑分类，则将大大提高人们设计拓扑结构的能力。

“苹果和甜甜圈”

20世纪初期，庞加莱即开始对高维空间的曲面——更抽象的对象称之为“流形”——进行分类。一个最简单的情况需要区分甜甜圈和苹果的不同。庞加莱发现，如果在苹果表面任意画一个圈，并让这个圈在表面光滑地滑动收缩，最终，这个圈会收缩为一个点。但是这件事在甜甜圈身上却做不到。人们可以很轻易地在甜甜圈的环形面上画出一个无法连续收缩成一个点的圈。这个性质引起了庞加莱的高度重视。为此，他提出了拓扑等价的概念：如果一个曲面，它上面的每一个圈都能够在不离开该曲面的情况下而连续收缩成一个点，那么这个曲面和球面拓扑等价。在此基础上，庞加莱提出了如今的第五大千年之谜：一个具有圈收缩性质的三维流形是否一定和一个球面拓扑等价。

图4：苹果和甜甜圈（图片来源：tutti-dolci.com）

历史上，拓扑学的创立则是源于庞加莱和其他数学家试图解释牛顿和莱布尼茨发明的微积分理论中尚未阐释清楚的问题，该问题蕴含着关于“无穷小量”分析的严格化要求。几十年后，这门新兴的学科即开始登上前沿科学的舞台，并为世人提供无比慷慨的理论营养和应用前景。

揭开谜底

随着人们对拓扑学认识的深入，它逐渐成为数学中最丰富多彩、魅力四射的分支之一，并开始在数学、物理学、工程学和其他科学领域孕育着重大的突破。比如物理学前沿的超弦理论正是建立在拓扑学的坚固基石之上，而超弦理论正是人们目前试图理解宇宙构成的最具想象力的理论。也因此，庞加莱猜想被誉为拓扑学中的圣杯。

图5 2016年三位物理学家因为发现物质拓扑相和在拓扑相变理论上的突出贡献而分享了诺贝尔奖（图片来源：chinadaily.com.cn）

幸运的是，在千年之谜提出后仅仅5个年头，数学家们就迎来了高举圣杯的主人——俄罗斯数学家佩雷尔曼（Perelman）。在所有的千年之谜中，它是迄今为止唯一被摘取的璀璨明珠。人们为此感到欢欣鼓舞，期待着其它难题也不用让后世的科学家等待太久，毕竟几乎每一个难题都有愈百年的高龄。费马大定理历经358年才得以破译的经历还沥沥在目，历史上无数最杰出的数学家也没能等到破译它的一天，成为个人与科学史上的遗憾。

图6 佩雷尔曼（1966-）和庞加莱（1854-1912）（图片来源：funnyjunk.com）

佩雷尔曼在证明庞加莱猜想的过程中做出了决定性的贡献，在他的基础上，来自美国和中国的数学家均对庞加莱猜想的最终完全证明贡献了自己的力量。这一数学历史上的盛事，亦代表着人类永攀科学高峰的决心和智慧，终将以其光荣辉煌的时刻永载史册。