书城童书学生最想知道的未解之谜:迷雾笼罩的科学
24957100000038

第38章 人工证明不了的“四色猜想”

1976年有两位年轻的科学家阿佩尔和哈肯应用计算机证明了“四色问题”。当时为世人所震惊。这是依靠计算机证明的唯一的大定理。

“四色问题”也称“四色猜想”。我们在绘制地图时,为了区别一个国家与它的邻国,一个省区与它邻近的省区,总要给不同的国(省区)与它的相邻近的国(省区)画上不同的颜色。当我们打开任何一本彩色地图册就会发现,只有4种颜色。也就是说,用四种颜色就可以把各国(省区)区分出来。这就是“四色问题”。更确切地说,在平面上或球面上绘制地图只需要用4种颜色。

提出四色猜想的第一位数学家是德国的莫比乌斯,这是1840年的事。1850年一位英国学生叫葛斯瑞也认为绘制地图4种颜色足够了。其后不久,他给弟弟写信并“证明”这个猜想正确。可惜这个证明被遗失了,许多数学家认为此证明可能也是错的。他的弟弟把葛斯瑞的这一想法写信告诉美国几位有名望的数学家,希望他们证明四色猜想。但直到1879年,其中的凯雷虽然对此问题很感兴趣,但他宣布无法证明四色猜想。

继凯雷之后,有一位从事律师工作的肯普在数学学术杂志上发表了一篇论文,说他“证明”了四色问题。可惜,他的证明也是错误的,这个错误在1899年被数学家希伍德指出。而希伍德本人发表了一篇严密论证的文章,但是他只证明五色,没有证明四色。当然,从五色着手改进方法或许能证明四色,但问题并不这样简单,从那以后100多年以来,许多数学家都想证明四色猜想。开始选择另外的方向,在国家数目上加以限制。首先是费兰克林在1920年证明,当国家的数目≤25时,四色定理成立。1926年国家数提高到27,1936年提高到31,1943年又提高到35,1968年又提高到40。为什么国家数目增加得如此之慢呢?因为每增加一两个,不同国家之间的边界关系类型就会变得复杂得多,而证明的关键是必须把地图的所有类型都考虑进去,这就给证明带来更大的困难。所以,很长时间内,四色问题未能加以证明。

1976年,阿佩尔和哈肯利用计算机给“四色猜想”加以证明,前后花了七个月时间。第一步是把所有可能的地图类型归结为有限多个不同的类型,他们归类成1936个。仅这一步就耗时6个月;第二步是证明它们用四色足够区分,这花了一个月时间。在计算机的帮助下,他们最终完成了这个证明。

但是从1976年以来,有不少数学家对此抱有怀疑态度。不论怎么说,这件事本身说明电子计算机对数学家来说是不可缺少的工具。他们的想法是,能不能找到不依赖电子计算机的人工证明,关于这一关,仍然有数学家在不断的探索中,但结果还在期盼中。

哥德巴赫猜想

要懂得哥德巴赫猜想是怎么一回事?只需把早先在小学三年级里就学到过的数学再来温习一下。那些12345,个十百千万的数字,叫做正整数。那些可以被2整除的数,叫做偶数;剩下的那些数,叫做奇数。还有一种数,如2,3,5,7,11,13等等,只能被1和它本身而不能被别的整数整除的,叫做质数。除了1和它本身以外,还能被别的整数整除的,这种数如4,6,8,9,10,12等等就叫做合数。一个整数,如能被一个素数所整除,这个素数就叫做这个整数的素因子。如6,就有2和3两个素因子。如30,就有2,3和5三个素因子。

哥德巴赫是德国数学家,出生于格奥尼格斯别尔格(现名加里宁城),曾在英国牛津大学学习,原学法学,曾担任中学教师。1725年,到了俄国,同年被选为彼得堡科学院院士;1725-1740年担任彼得堡科学院会议秘书;1742年,移居莫斯科,并在俄国外交部任职。1729-1764年,哥德巴赫与大数学家瑞士的欧拉保持了长达35年的书信往来。

1742年,哥德巴赫写信给欧拉时,提出了:每个不小于6的偶数都是两个素数之和。例如,6=3+3。又如,24=11+13等等。有人对一个一个的偶数都进行了这样的验算,一直验算到了3.3亿之数,都表明这是对的。但是更大的数目,更大更大的数目呢?猜想起来也该是对的。猜想应当证明。要证明它却很难很难。

整个18世纪没有人能证明它。

整个19世纪也没有人能证明它。

到了20世纪的20年代,问题才开始有了点儿进展。

很早以前,人们就想证明,每一个大偶数是两个“素因子不太多的”数之和。他们想这样子来设置包围圈,想由此来逐步、逐步证明哥德巴赫这个命题——一个质数加一个质数(1+1)是正确的。

就像许多著名的数学未解问题,对哥德巴赫猜想有不少宣称的证明,但都未为数学界所接受。

从6=3+3、8=3+5、10=5+5、……、100=3+97=11+89=17+83、……这些具体的例子中,可以看出哥德巴赫猜想都是成立的。有人甚至逐一验证了3300万以内的所有偶数,竟然没有一个不符合哥德巴赫猜想的。20世纪,随着计算机技术的发展,数学家们发现哥德巴赫猜想对于更大的数依然成立。可是自然数是无限的,谁知道会不会在某一个足够大的偶数上,突然出现哥德巴赫猜想的反例呢?于是人们逐步改变了探究问题的方式。

1900年,20世纪最伟大的数学家希尔伯特,在国际数学家大会上把“哥德巴赫猜想”列为23个数学难题之一。此后,20世纪的数学家们在世界范围内“联手”进攻“哥德巴赫猜想”堡垒,终于取得了辉煌的成果。

20世纪的数学家们研究哥德巴赫猜想所采用的主要方法,是筛法、圆法、密率法和三角和法等等高深的数学方法。解决这个猜想的思路,就像“缩小包围圈”一样,逐步逼近最后的结果。

1920年,挪威数学家布朗证明了定理“9+9”,由此划定了进攻“哥德巴赫猜想”的“大包围圈”。这个“9+9”是怎么回事呢?所谓“9+9”,翻译成数学语言就是:“任何一个足够大的偶数,都可以表示成其他两个数之和,而这两个数中的每个数,都是9个奇质数之乘积。”从这个“9+9”开始,全世界的数学家集中力量“缩小包围圈”,当然最后的目标就是“1+1”了。

1924年,德国数学家雷德马赫证明了定理“7+7”。很快,“6+6”、“5+5”、“4+4”和“3+3”逐一被攻陷。1957年,中国数学家王元证明了“2+3”。1962年,中国数学家潘承洞证明了“1+5”,同年又和王元合作证明了“1+4”。1965年,前苏联数学家证明了“1+3”。

1966年,中国数学家陈景润攻克了“1+2”,也就是:“任何一个足够大的偶数,都可以表示成两个数之和,而这两个数中的一个就是奇质数,另一个则是两个奇质数的乘积。”这个定理被世界数学界称为“陈氏定理”。

由于陈景润的贡献,人类距离哥德巴赫猜想的最后结果“1+1”仅有一步之遥了。但为了实现这最后的一步,也许还要历经一个漫长的探索过程。有许多数学家认为,要想证明“1+1”,必须通过创造新的数学方法,以往的路很可能都是走不通的。

有很多非专业数学爱好者试图证明这个猜想,但是这些证明往往被看做民间“猜想”爱好者不自量力的举动。专业数学研究者认为证明这一猜想需要深刻的数论理论知识,然而几乎所有的民间数学爱好者的“证明”使用的数学工具往往仅仅是初等数学或者微积分。如今,哥德巴赫猜想仍然是众多科学家正在寻找方法证明的“谜题”。