# 乔丹·埃伦伯格：高维形状与几何的数学 > 数学家从高维几何的直觉出发，聊数学思维、证明之美与教育中的解题训练。 - 原标题：#190 – Jordan Ellenberg: Mathematics of High-Dimensional Shapes and Geometries - 期数：第 190 期 - 发布日期：2021-06-12 - 嘉宾 / 主题：乔丹·埃伦伯格 - 网页版：https://lexfridman-cn.pages.dev/ep/jordan-ellenberg/ - 官方页面：https://lexfridman.com/jordan-ellenberg/ - 精读字数：约 15270 字（阅读约 34 分钟） > 本文为 lex.qiaomu.ai 基于原始访谈的 AI 改写中文精读，非官方翻译；引用请注明出处并链接网页版。 Jordan Ellenberg 在新书《Shape》里写：几何是数学里的香菜。 有人因为它彻底开窍，有人因为它整年迷失。喜欢的人说，其他章节我都能凑合，只有几何那一刻，数学突然讲得通了，为什么不是所有课都这样？讨厌的人跑来跟 Ellenberg 抱怨，代数我能算，X 是个数，我把它揪出来就行，可几何那一整年到底在干什么？ 两拨人唯一达成共识的是：几何跟别的数学不一样。 这个"不一样"到底是什么，是这期三个多小时对话里反复绕回来的问题。Ellenberg 是威斯康星大学的数学家，也是《How Not To Be Wrong》和《Shape》的作者。他擅长把数学从公式堆里拽出来，放回人做事的现场。 ## 六岁那年，一个音响木箱让他看见了乘法交换律 Ellenberg 讲自己怎么爱上数学，场景特别具体。七十年代，家里的音响外面套着一个深色木箱，箱子上打了孔让声音透出来，孔排成六行八列的矩形阵列。 一个六七岁的小孩在客厅里发呆，盯着这堆孔看。看着看着，焦点一进一出，他突然意识到一件事：这里有六行、每行八个孔，同时也有八列、每列六个孔。八个六，六个八，是同一批四十八个孔。 他早就背过乘法表，知道六乘八等于八乘六。但知道一个事实，和亲眼看见这个事实为什么成立，是两回事。那一刻没有人告诉他，信息是自己的眼睛直接读出来的。 他说这跟婆什迦罗（Bhashkara）证明勾股定理的方式是同一件事。婆什迦罗的手稿里只有一个图，文字部分据说就写了一个词：看吧。把同样的几块拼图换一种摆法，拼出另一个形状，两个形状面积必然相等，因为它们由同一批零件构成。 Ellenberg 从成年人的视角回看那个木箱时刻，认定那是他一生中非常几何的一刻。代数事实（两个数相乘，顺序无关）被一块矩形赋予了视觉上的理由。他后来成为代数几何学家，某种意义上从那个下午就注定了。 ## 对称性这个词，在数学里被撑得很大 日常语言里说一个东西对称，通常指它有对称轴，左半边和右半边长得一样，或者上下一样，或者四重对称。Ellenberg 在大学时迷上的是这套东西的抽象版本，群论。但他说，现代数学里"对称"的含义早就溢出了这个范围。 **任何把一个形状或空间映射到自身的变换，都可以叫对称。**他书里举了个自己编的例子：把一个图形纵向拉长一倍、横向压缩一半。古典意义上这当然不算对称，因为它改变了形状。但这个操作定义得干干净净，有输入有输出，能重复施加，也能求逆。他给它起了个滑稽的名字，叫"挤压"（scrunch），因为数学里本来没有这个词。你可以研究什么样的图形在挤压之下保持不变，就像研究什么样的图形在左右翻转之下保持不变。 再往上抽一层，就是 Ellenberg 认为支配了当代数学一百五十年的那个核心问题：**什么时候我们认为两个东西是同一个？** 这听起来像废话。一个三角形，和另一个尺寸完全相同但放在别处的三角形，是同一个还是两个？你说这是两个东西，一个在这儿一个在那儿。可你要是证明了关于第一个的定理，这个定理对第二个多半也成立。 术语叫全等。换个说法，存在一个叫"平移"的对称，把一切往左挪三英寸，我们希望所有理论都满足平移不变性。如果一个定理挪三英寸就失效了，那才叫奇怪。 > 数学是给不同的东西起同一个名字的艺术。（泊松，Ellenberg 引用） ## MNIST 难在哪：我们认识的对称群不够用 Ellenberg 把这个话题直接接到了机器学习上。他提到 MNIST 手写数字数据集，说每次盯着它看都觉得有点上头：一和二的区别到底是什么？为什么所有的手写二彼此相似？哪些变换算"还是同一个数字"，哪些变换算"变成别的数字了"？ 他说，如果人类识别数字靠的是我们熟悉的那类对称，问题早就解决了。旋转是我们理解得极其透彻的一种对称。假如"1"的所有变体只是某个标准字体里的 1 旋转了若干度，写个程序就能检测，轻松得很。 但实际上不是。我们区分 2 和 3 时用的那套东西，不属于任何已知的经典对称群。Ellenberg 说他如果看到有人用某种经典对称的框架完全刻画了 2 和 3 的区别，他会非常震惊。他倾向于认为我们做的事情比那更复杂。 Lex 在这里提了一个他觉得关键的点：静态图像不够，**变形过程本身携带信息**。他写过把 2 连续变形成 3 的程序，看视频的时候，你能相当准确地指出哪一帧开始它不再是 2。但如果只给你一张静止的中间态图片，你可能会犹豫，甚至叫它 7。 Ellenberg 顺着这个往下说，这恰好也是现代几何的一个洞察：研究对象可以是静态的形状，也可以是形状的变换。泊松研究三体问题时就撞上了这件事。 ## 从两个球到三个球，问题从课本习题变成了一百五十年的谜 两个天体在彼此引力下怎么动，牛顿时代就清楚了：要么互相绕着画椭圆，稳定；要么一个沿双曲线掠过另一个，不稳定。两种情况，分类干净。 加到三个，整个动物园就打开了。这就是三体问题。 泊松（Henri Poincaré）在 1880 年代为瑞典国王悬赏的这个题目做出第一次实质进展，并因此成名。他发现的是混沌动力学的最早例子：稳定解和不稳定解纠缠在一起，初始条件的极小改变会让长期行为完全不同。一百五十年过去，这个问题仍然远远没有被吃透。 Ellenberg 强调泊松做这件事时被迫发明了一样东西。要描述三个天体的运动，光记录位置不够。每个天体有位置（x、y、z 三个坐标），还有此刻的速度。真正该盯的东西长这样：六维相空间里的一个点，六个坐标同时编码位置和速度，一颗行星的完整状态就是这么一个点。 于是泊松需要一套能谈论任意维空间的几何。他开创的学科当时叫 analysis situs，直译大概是"位置的分析"，这名字显然没流行起来，今天叫拓扑学。他那篇论文的开头几乎是宣言：今天没有人怀疑 n 维空间的几何是实际存在的东西。 Ellenberg 补了一句：泊松从没离开过物理，但物理把他逼到了高维，他需要一个足够丰富的形式系统。而一旦你搭起这个系统，它就必然包含非物理的东西。这时候你有两个选择。你可以说那些部分是垃圾。也可以采取数学家的态度：这个框架很优雅，很好用，而且装下了所有物理内容，那也许整个框架都值得研究。后来的事你们都知道了，相对论出现，四维时空成了现实，几何工具箱早就备好了。 ## 费马大定理：一个错误证明催生了整个现代数论 话题转到费马大定理。Ellenberg 先把历史捋清楚：费马在丢番图《算术》的页边写了那句话，说这个方程没有解，我有一个绝妙的证明，可惜页边太窄写不下。 然后他泼了盆冷水。**从历史材料看，费马并没有这个证明。**很长一段时间人们愿意相信有个失传的神秘证明，故事很浪漫。但费马后来证明了若干特殊情况，也跟人通信讨论过这个问题，从他处理那些特殊情况的方式看，他很清楚自己搞不定一般情形。也许他某一刻有过一个深刻的直觉，然后丢了，这已经无法考证。可以确定的是，他晚年并不认为自己藏着一个完整证明。 这个问题的失败史，在数论里留下了比问题本身更多的东西。十九世纪有个叫拉梅（Lamé）的人宣布证明了，证明是错的。库默尔（Kummer）去搞清楚拉梅错在哪，结果撞开了一扇大门。 我们习惯的那个事实是：每个整数都能唯一分解成素数的乘积。12 就是两个 2 一个 3，没有别的拆法，你没法让 12 里冒出个 5，也没法让它包含四个 3。这个唯一性太基本了，基本到我们把它当成上帝定的规矩。 库默尔发现，**如果你在比整数稍微一般一点的数系里工作（而这些数系恰好跟费马问题相关），唯一分解就不成立了。** Ellenberg 在这里表达了一个很数学家的立场。你刚夸完唯一分解多美多简洁，我告诉你一般数系里它塌了，你可能会说这真糟糕。他说不，这很好，因为一整个新世界现象冒出来了，你用原来那副眼镜永远看不到。 > 我高度支持复杂化，因为每一次复杂化都是研究新东西的机会。（Jordan Ellenberg） ## 形变理论：把"挪一点点"这件事变成一门学问 怀尔斯（Andrew Wiles）和理查德·泰勒（Richard Taylor）最终解决问题的核心工具之一叫形变理论（deformation theory），部分由 Ellenberg 的博士导师 Barry Mazur 创立。 Ellenberg 解释得很克制：费马问题里出现的那些对象（他提到伽罗瓦表示和模形式，但说这些词对听众没什么用）可以被"形变"，也就是挪动一点点。形变理论的想法是，如果你非常清楚一个东西能在哪些方向上做无穷小的移动，你也许能把这些局部信息拼起来，理解它能在其中移动的整个全局空间。怀尔斯他们的论证归结起来，是证明两个这样的全局空间其实是同一个，这就是传说中证明里那个"R 等于 T"。 但这套"挪一点点"跟我们在微积分里学的距离概念不是一回事。这里就要说到 Ellenberg 书里反复出现的一个主题：**距离这个概念不是上帝给的。** 日常英语里我们一直在用各种距离。说某人是近亲，指的可不是他住隔壁，那是另一套度量。做自然语言处理时，词与词之间有语义距离、搭配距离，两个词是不是经常出现在相似上下文里，这跟它们在字典里隔多少页毫无关系。 数论里有一种更离谱的距离，叫 2-adic 距离。普通人说两个数接近，是指差很小，7 和 8 差 1，很近。2-adic 数论学家说，两个数接近，是指它们的差是 2 的某个大次幂的倍数。于是 1 和 49 很近，因为差是 48，是 16 的倍数，16 是挺大的 2 的幂。而 1 和 2 很远，差是 1，连 2 的一次幂都不是。 更怪的是 1 和 1/64，差是 2 的负六次方，在这个度量里它们是天文数字般的距离。 Lex 的脑子在这里卡住了，然后他自己找到了钥匙：这几乎就是把二进制数倒着写。普通二进制展开里，一个数很小，意味着小数点后一长串零。在 2-adic 度量里，一个数很小，意味着它末尾有一长串零，然后才是小数点。Ellenberg 说这个比喻非常好，他早该这么讲。 为什么这种怪东西有用？因为怀尔斯证明里用到的形变，正是在这个 2-adic 意义上"挪一点点"。换一套距离，你就能谈那些在通常意义下根本不算"附近"的变化，然后从局部推出整体。 Ellenberg 顺手把这个思路推广到了数学之外：如果你给人类社会定义一种距离，两个人很近当且仅当他们彼此相爱，然后在这个度量下分析七十亿人，也许能看出关于暴力、关于创业、关于制度的一些东西。经济学某种程度上就在干这事，但值得把"换一种距离函数"当成一种自觉的方法。 ## 素数：假装它们是随机撒的土 谈到素数时，Ellenberg 从定义开始较真。素数不能分解，但你说 5 等于 5 乘 1，这也是一种分解。他说这不算，因为这件事对任何数都能做，没有内容。真正有内容的是把 12 拆成 6 乘 2 再去拆，一路拆到拆不动，剩下的那堆东西就是素数。**它们是构成所有整数的原子。** 关于 1 是不是素数，他专门说明：历史上不同时期有不同看法，现在不算，这是定义的选择，谈不上发现了什么真理。数学定义是我们为了某种目的挑的工具，无所谓哪个定义"真的对"。 然后是一段很好玩的现场演示。他讲费马小定理构成的一种素性测试：取一个神秘数字 n，算 2 的 n 次方，除以 n，看余数。如果 n 是素数，余数一定是 2。6 不行，2 的 6 次方是 64，除以 6 余 4。5 行，32 除以 5 余 2。7 行，128 除以 7 余 2。 麻烦的地方在于，这个测试只有一个方向可靠：余数不是 2，那 n 肯定不是素数；余数是 2，n 很可能但不确定是素数。存在一批"伪素数"，最小的一个是 341，它通过了测试但不是素数。 接着是素数分布。素数有无穷多个，欧几里得就证明了。但随着数字变大，素数越来越稀疏，头十个数里有四个素数，占 40%，十位数里绝不可能有 40% 是素数，因为能被整除的机会多了太多。 孪生素数猜想问的是：差为 2 的素数对（3 和 5，11 和 13，17 和 19）有没有无穷多对？ Ellenberg 在这里纠正了一个很常见的理解偏差。人们听到孪生素数猜想，会以为数学家相信素数之间藏着某种深刻结构，让它们一次又一次靠近。**恰恰相反。**相信孪生素数猜想，等于相信素数分布得相当随机。如果它们真的像随机撒的土，那按概率算，就该有无穷多对孪生素数。 > 我们说相信孪生素数猜想，是说我们相信素数像随机撒的一样散着。要是真那样，纯靠运气你就该期望有无穷多对孪生素数。我们是在说，我们预期它们的行为就跟随机撒的土一样。（Jordan Ellenberg） 素性是完全确定的，没有任何随机性介入。但把素数当成从某个随机过程里产生的样本来研究，效果惊人地好。Ellenberg 说这在数学里是常规操作：即使面对确定性的规律，也先假装它不确定，看看行为是否大致吻合，不吻合就微调随机模型，直到匹配为止。 这个做法的目的不在证明，它服务于一个更前置的任务：先搞清楚该相信什么。因为最糟的情况是你拼命去证明一个假命题。 Ellenberg 在这里虚拟了一场和 Sam Harris 式决定论者的对话：你说素数不是随机过程，它们是完全确定的。我说好，你坚持你的，与此同时我在从"假装它们随机"里源源不断地挖出洞察，而你挖不出来。所以现实是什么并不重要，重要的是哪个思考框架能产出最多洞察。 他顺势把这条原则用回到人身上：把别人当成有欲望、有意图、会故意做事的行动者，即使这个描述在哲学上不成立，你依然会更好地理解发生了什么。 ## 康威：把数学做成了游戏，也把游戏做成了数学 Ellenberg 对约翰·康威（John Conway）的评价是：二十世纪数学家里少有的那种性格与工作完全缠绕在一起的人。外面的人常以为数学是冷的，跟做数学的人的人生无关。不是。你的性格就在里面，跟你写的小说、画的画、走路的姿势一样。 康威把一切都当成游戏。他不停地发明游戏、发明古怪的名字，然后把游戏拿来做数学分析，分析到跟 Knuth 合作搞出一套数系，超实数（surreal numbers），其中每个数本身就是一个两人博弈。牛顿时代被人嘲笑为"消失量的鬼魂"的无穷小，在这套系统里堂堂正正地住下来了，作为某种博弈。 他最有名的创造是生命游戏（Game of Life）。严格说这里没有对手，你面对的只是一条写在方格纸上的规则：每个格子看周围八个邻居，活着的格子邻居太少或太多就死，死了的格子邻居数量合适就出生。规则一句话写得完。七十年代他真的是拿笔在方格纸上推演。 从一小片涂黑的格子出发，可以长出丰富到不可思议的结构：滑翔机（glider）会跑，滑翔机枪（glider gun）会不停吐出滑翔机。你甚至可以用生物学的语言描述这些"物种"之间的互动。 Ellenberg 强调了一件常被忽略的事：**随便挑一条规则，什么都不会发生。**绝大多数规则集产生不了任何有趣行为。只有少数被调到恰当位置的规则，才会涌现出复杂结构，而我们并不清楚怎么预先分辨哪些规则行、哪些不行。 Wolfram 在这条路上走得最远，也因此在学界边缘待着。Ellenberg 说把自我放一边看，他的工作相当精彩，那种达尔文式的探索，把简单规则铺开玩上千页，本身就是有价值的。他的 rule 30 挑战很简单也很难：能不能预测中间那一列？没人做出来。Wolfram 管这叫"不可约性"，但 Ellenberg 的评价是，这是诗，不是定理。 康威本人对生命游戏的态度是矛盾的。他当然知道这是自己在圈外最出名的东西，但他也清楚自己做过远比这深刻的数学，被简化成一个"生命游戏那个人"，多少让他不舒服。 ## 庞加莱猜想：真正的几何是"所有几何构成的空间"的几何 庞加莱猜想问的是三维空间的分类。Ellenberg 用马克杯做道具解释：杯子表面画一个圈，你可以把它收缩成一个点。但要是圈套在杯把上，你怎么挪都收不紧，除非把杯子弄破。**"单连通"指的就是任何圈都能收成一个点。**庞加莱猜想说，一个三维空间如果满足单连通，它就是标准的三维空间。 证明的关键动作是往上跳一层：你要理解的是所有三维几何构成的那个空间，那个具体的三维空间本身反而退到了第二位。在这个更高层的空间里，你可以让某个未知空间沿里奇流（Ricci flow）运动，看它流向哪里。奇怪的是，它总会流到标准三维空间去。既然从一个神秘空间出发能连续变形到标准空间，中间没有任何突变，那它一开始就跟标准空间是同一个。 技术上最难的一块，是证明这个流动过程中不会出现奇点，也就是不会突然长出尖角、丧失光滑性。这活儿是佩雷尔曼（Grigori Perelman）干成的，而且不是孤军奋战，前面有理查德·汉密尔顿等人铺了几十年的路。Ellenberg 特意强调这一点，怀尔斯的证明也一样：从十九世纪的库默尔，到弗雷、Mazur、里贝特，很多人在砌拱门的石块，最后才有人放上拱心石。 佩雷尔曼拒领菲尔兹奖。Ellenberg 的看法是：从某种宏大的精神意义上说，奖项不重要，理解宇宙才重要。但另一方面，大多数被授予这个奖的人都接受了，所以他的选择确实不寻常。这件事的提醒是，人的一生中大概会有那么一两次，社会希望你做的事和你相信的东西冲突，你得站住。这就是正直。它不需要让旁人理解。 ## 吸管有几个洞：一场数学家也会吵起来的争论 Ellenberg 在书里拿这个问题开刀。你随便问一屋子人，喜剧效果立刻出现：每个人都觉得答案明摆着，然后发现别人给出的明显答案跟自己不一样，接着就吵起来了，还吵得挺凶。 零派很罕见：他们说你拿一块长方形塑料片把两边粘起来就是吸管，长方形塑料片上没有洞，我也没在上面戳洞，哪来的洞。Ellenberg 说这个立场你得一贯到底：那你也得说贝果没有洞，因为贝果是把一根长条面团两头捏在一起做的。你要真这么说，那我不知道你是个什么样的人。 一派说一个洞：洞是一个区域，它贯穿整个吸管，就一个。两派说两个洞：上面一个口，下面一个口。两派还喜欢拿水瓶做现场演示，拧开盖子说这里面有一个洞，现在我在这儿戳个洞让水漏出来，这不就变成吸管了？于是一派会问：原来有一个洞，我又戳了一个新的，你现在还认为只有一个洞？ 一派会反问：那你告诉我，第一个洞在哪儿结束，第二个洞又从哪儿开始？ Ellenberg 说，遇到让人糊涂的问题，数学有两个动作。**一个是把问题变简单**，比如降到低维，先想圆和线段。**另一个是把问题变难**，把复杂情况摊开来讲，比如不聊吸管了，聊裤子。 大多数人会说裤子有三个洞：腰一个，两条腿各一个。但他女儿说，裤子只有两个洞，因为腰不过是两条腿的洞粘在一起。 这个孩子的答案恰好抓住了同调论（homology）的核心：**洞是有算术的，可以相加。**腰洞等于左腿洞加右腿洞，等式两边都不是数字，是某种几何对象，这大概就是拓扑学最让人挠头的地方。 用吸管演示这个"加法"：你吸一口奶昔，从头进多少，从另一头就出多少。两个口彼此牵连，各自的流量不能单独变动。裤子的版本是：左腿流进去的量加上右腿流进去的量，等于从腰流出来的量。 所以现代数学家的说法是：有两个洞，但一个是另一个的负号。Ellenberg 把这个想法归功于 Emmy Noether，是她把这个学科放到了现代基础上。在此之前，泊松和贝蒂（Betti）已经在往这个方向走，但真正让"洞之间的关系"变成一门可以计算的学问，是 Noether 的手笔。 ## 数学怎么学：让问题带你进去，而不是让课程表带你进去 Lex 问怎么学数学，尤其是成年后想重新捡起来的人。Ellenberg 说他答不出唯一答案，因为这件事本质上是自我认知的旅程，得知道什么对你有用，而这因人而异。 有人就是能抱着教科书啃，这确实是一种可行路径，对一部分人有效，对另一部分人无效。对另一部分人，入口是 Martin Gardner 在《科学美国人》上写了几十年的专栏"数学游戏"，那种纯粹的玩心，集结成书之后虽然年头久了，但每一代新读者翻到都还是新鲜的。还有人适合做竞赛题，俄国和保加利亚的题集出了一本又一本。还有人适合看制作精良的视频。 然后他讲了一个自己在研究生院的故事。他有段时间被自己的无知压得喘不过气，跟系里的代数几何教授 Joe Harris 说，我想休学一年，把 EGA（《代数几何原理》，一千五百多页的多卷本圣经）从头读到尾。 Harris 说这主意很蠢。 为什么蠢？因为你不会真的去读。你会因为手上有个问题要解决，需要 EGA 里的某条结论，才去学那一条。没有真问题牵着，你学不进去。 Ellenberg 把这条经验推广开来：数学很难，任何做对的事都难。正因为难，别人告诉你"你该学 XYZ"，如果你其实不在乎，你就学不会。你得把它挂到一件你真正在乎的事情上。可能是一个工程问题，一个物理问题，一个机器学习问题。**让问题驱动你的学习，课程表驱动不了任何人。** Lex 补了一段关于"难"的看法。他说自己讨厌跑步，讨厌运动，跑步时唯一享受的是跑完之后那一整天的感觉。做数学的体验几乎一样：一堆概念在脑子里悬着，记号含混，图画缺了好几块，你得扛住那种"明显没搞懂但还得往前推"的挫败感。而记住那种"难了很久，然后在某一刻，整张图完整了"的美感，是支撑人反复回来的东西。 Ellenberg 对"享受"这个词做了修正：他不觉得需要享受死胡同，死胡同很气人。人得接受它是过程的一部分。 Lex 在这里抛出了 David Goggins 的那套心态：大多数人到这儿就放弃了，如果我不放弃，就有机会看到别人没看到的东西。Ellenberg 的反击很干脆：那按这个逻辑，每年内森热狗大赛的冠军吃到第 35 个热狗时也完全可以这么说，大多数人到这儿就停了。两人就此达成一致，这个问题没有标准答案。 ## 给年轻人的建议：做那个高自尊的选择 Ellenberg 有两个孩子，所以这不是思想实验。他说他常跟学生讲，人走到岔路口时总被自我怀疑缠住，不确定自己能干什么，不确定真想干什么。 他的建议是：**把自我怀疑那个变量抽掉，想象一个完全自信版本的你会怎么选，然后照着做，看看会发生什么。** 他特意加了限定：这不是说你该消灭怀疑，人大概应该有怀疑。但有时候，按照那个没有怀疑的人的方式去行动，是对的。 Ellenberg 说这话时提了一句，他其实还没跟自己孩子讲过。Lex 说那应该讲，这是个非常有用的办法。 关于"人生的意义能不能用数学找到"，Ellenberg 的回答挺干脆。他提到帕斯卡，这位数学天才同时也是极认真的宗教神秘主义者。人们以为帕斯卡的赌注是用数学论证你该信神，但他真读帕斯卡的原文，发现几乎相反。你要是问帕斯卡为什么信，他会说我遇见了神，他有过一次强烈的神秘体验，那就够了，跟数学论证无关。数学论证说的是行为层面的理由：你无论如何都要下注，那就押一个期望值更高的。 > 你已经有数学了，有探索心智的方式，有了不起的技术，还有爱和友谊。你还想知道这一切的意义是什么？享受它吧。（Jordan Ellenberg） 他书里还有另一位数学家的说法值得一提。Hilda Hudson 参与了今天用来追踪传染病的 SIR 模型的前身工作，同时是极其虔诚的教徒。她说数学的真理不是上帝思想里最重要的那些，但它是唯一我们能精确知道的那部分。而泊松的态度更冷一点：就算有个神明把宇宙的真相用神的语言讲给我们听，我们也理解不了，所以那不重要。我们的任务是搞清楚那些我们搞得清楚的部分。 Erdős 提供了第三种版本。他管那本收录了每个定理最漂亮证明的书叫"天书"（The Book），看到特别优雅的证法就说这出自天书。他本人不信教，还管上帝叫"最高法西斯"，但天书他一直挂在嘴边。这位一辈子在几个行李箱之间辗转、跟几百个合作者联名发论文的人，最终把自己的社交网络变成了一个度量衡，Erdős 数至今还在数学家之间流传。衡量两个人远近的，是合作链条的长短，这跟地理毫无关系，正好回到前面那个"换一把尺子"的话题。 ## 为什么"简单"这个执念值得警惕 Lex 提到费曼那句流传很广的话：如果你不能把一件事简单地讲清楚，说明你没真懂。Ellenberg 的反应直接：假的。然后他补一句，但要问它有没有深刻之处，那当然有。 真实的东西不简单，少数简单，大部分不简单。学着一遍遍解释，会帮你理解，这部分是真的。至于费曼有没有真说过这话，本身就有争议，而且 Ellenberg 怀疑费曼那样的人不会真的字面相信它，他喜欢说漂亮话，他享受说这话的感觉。 Lex 补充了一个观察：他见过不少物理学家从"相信世界可以被简单解释"里获得巨大快乐，即使他们的解释其实并不简单。那些解释更像是一首关于复杂事物的诗，而不是浓缩。Ellenberg 接了一句：诗不是解释，没有诗人会说自己写的是解释，他们说的是描述，是捕捉。 不过他还是承认，简洁有一种近乎审美的吸引力，而这种吸引力有时会带来麻烦。人类历史上那些以仇恨和暴力为核心的时期，背后常常也有一套极简的叙事在驱动。简洁令人愉快，恰如幸福令人愉快，但它本身不构成判断真假的理由。 回到数学内部。Ellenberg 说，我们还没学会怎么在学术数学里恰当地评价"可视化"这件事的价值，也没学会怎么评价"构建计算基础设施"这件事的价值。今天所有人都有计算机当伙伴，有人造出帮助数学研究的系统，那也是数学，只是不是传统意义上写论文证定理的那种形式。他提到布朗大学的计算与实验数学研究所，那是 NSF 资助的正规数学机构，他们专门办过一个主题学期讨论数学可视化，按前沿研究课题的规格来对待。数学界确实在认这件事，只是速度慢。 他还提到 3Blue1Brown 的 Grant Sanderson，用 Python 编程做可视化。你必须真正理解一个主题，才能把它画成那样，还得用一种很新颖的方式去想它。整个数学 YouTube 生态的意义在于覆盖了不同的传播带宽：博士导师一对一带一个学生三五年，带宽最高，人数最少；课堂几十上百人，一个学期；书能触达更多人，读者投入几小时；视频触达的人比任何精装书都多。每个位置都重要，因为每个人的脑子挂东西的钩子长得都不一样。 Lex 在这里插了一句自己的抱怨：他偶尔逛进拓扑学的领地，感觉那里数学太密了，密到有点妨碍理解。他说波恩纤维化（Hopf fibration）那类东西，二十年前某个研究生拿 Fortran 写个程序画出来，然后就再没人碰过。拓扑学明明是视觉性的学科，视觉资源却少得可怜。Ellenberg 给了个不算客气的回击：一张波恩纤维化的图对他什么用都没有，但有人告诉他这其实是四元数的一个子群，他立刻就说懂了。你早说这个啊，为什么给我看那张没用的图。 两人在这里达成了一项共识，而且它比听起来重要：解释没有唯一正确的方式。人脑上的钩子和环长得千奇百怪，你不知道什么东西会挂住，而挂住的东西对不同人不一样。单一文化是有害的。但也正因为如此，把一群彼此不理解的聪明人摁在一起，逼他们找一个中间地带，常常能撞出新东西。写书这件事本身就会逼出新的想法，因为压缩的过程会重新组织你原本以为自己已经想清楚的东西。 Ellenberg 用诗和散文做了个类比：你为什么需要诗？你想传递信息，说清楚不就行了。但诗确实做了点别的事，抒情诗往往把一件用散文讲要很久很复杂的事情压缩进另一种模式，用不一样的方式击中你。 ## 菲尔兹奖、AI 和那些被机器吃掉的工作 Lex 问：会不会有一天，一个 AI 拿到菲尔兹奖？ Ellenberg 说不会。 Lex 追问为什么。 Ellenberg 说，这大概就是人类给自己设的验证码吧，用来证明我是个人。 他真正的回答更长：计算机早就吃掉了大量我们以前叫"数学研究"的工作。1890 年，一篇博士论文可以是在某个有限群作用下算出某个多项式环的全部不变量，一个人算一年，这是有价值的知识。今天你写几行 Macaulay、Sage、Magma 的代码就出来了，那件事我们已经不叫数学了。同一件事，换了工具，就换了身份。这些软件是符号计算系统，跟 Maple 和 Mathematica 同类，只是更专门。它们不做证明，也不算真的在做数学思考，但它们现在是大多数数学家工作流程的一部分。 至于让 AI 证有意思的定理，目前成绩不佳。他提到一篇用神经网络找反例的论文，效果不错，但那些被推翻的猜想都不是什么著名猜想。你要是让五个研究生认真想想那些问题，多半也能想到那个反例。不过那仍然很酷。 还有 Conway 结的故事。一个结是不是"可切片的"（slice），这跟它能围出什么样的三维曲面、在四维里怎么延拓有关，技术细节不重要，重点是这个问题很难算。Conway 结这个特例卡了拓扑学界二十年。2018 年前后，当时在德州大学奥斯汀分校读博的 Lisa Piccirillo 解决了它，论文九页，其中两页是图。Ellenberg 是在准备讲这个故事时才发现里面有个奥斯汀的缘分，他自己也没想到。Piccirillo 现在在 MIT，某种意义上是在跟着 Lex 走。Lex 说反了，是他跟着她走。 这篇论文让人不得不重新想什么叫"难"。一个问题是难，因为解法复杂？还是因为全世界顶尖专家搞了二十年都没搞出来？还是说我们需要一个新的类别，专门描述"很难发现它其实不难"这类问题？ ## 群论、规范场和那个"太快了"的建议 Ellenberg 用一种很朴素的方式介绍群论。人基本是左右对称的，两个对称：翻转，和不翻转。等等，你说只有一个？做和不做，这是两种状态，所以是两个。矩形更多，不但能左右翻，还能上下翻，于是四个：不翻、左右翻、上下翻、两个都做。正方形又多出一批，因为你可以转九十度，而矩形转九十度就变样了，那不算对称。人两个，矩形四个，正方形八个。真正让这套东西成为一门学问的观察是：这些变换可以复合，你先做一个再做一个，结果是第三个，整批变换在这个运算下自成一个封闭的世界，这就是群。 无限群也很好懂。看一条直线，你可以沿任意一点左右翻转，也可以整体平移任意距离，这两种操作无限多，而且能复合，所以直线的对称群是无限的。洗牌同样如此：一副牌的所有排列构成一个群，你洗一次我再洗牌同样如此：一副牌的所有排列构成一个群，你洗一次我再洗一次，结果是另一种排列，也在这个群里。 Lex 顺势问规范对称（gauge symmetry）是什么，这在物理学里被反复提起，却很少有人讲清楚。Ellenberg 坦白自己不是数学物理学家，但给了一个他认为合理的轮廓：物理学一直在问"世界的对称群到底是什么"。 如果重力在这里是这样，在别处也该是那样，那么平移就该是物理定律的一个对称。从爱因斯坦之前到爱因斯坦之后的那次大转弯，某种意义上是我们更换了对"世界的对称群到底是什么"的判断。洛伦兹收缩这类现象，在旧框架下看起来是物体接近光速时形状变了，在新框架下，你会发现它从没变过形状，你只是搞错了什么叫对称。换上洛伦兹群之后，所谓变形就消失了，它成了一场幻觉。 Lex 对这个回答仍不满意，他说自己一直在做一件不太系统的事：为每个复杂概念找一个最小的、可编程的、能亲手玩的例子。Ellenberg 说这正是最好的教学法，他们就是这么训练学生的。 这也解释了为什么泊松这种人在数学史上如此重要。他从三体问题出发，被逼到高维几何，然后那套几何在几十年后成了相对论的现成语言。工具先于用途诞生，这在数学里是常态。 ## 平地：把二维生物拽出它的世界 Lex 问了一个他自己也没把握的设想：如果你住在一个球面内部，往任何一个方向看，是不是都会看到自己的后脑勺？ Ellenberg 说，这个设想里"看见"这个词承担了太多没说清楚的东西，光的物理规律在这个场景里怎么工作，他一时也拿不准。但他很确定这类想象本身有多重要，因为它一遍遍回到思想史上。 他提到 Edwin Abbott 的《平地》（Flatland）。十九世纪一位牧师写的漫画式小说，主角是个正方形，一个二维世界的居民。某天他在家里，眼前凭空出现一个小圆，然后越变越大，很恐怖。那是球体正在穿过他的世界，截面在扩张。等球体穿到正中间，两人开始争论。球体说我来自三维，正方形说你在胡说，没有那种东西。两人用几何推理来回拉锯，正方形跟不上，直到球体一把把他揪出平面。你在上面看一眼，就明白你的整个世界了。 Ellenberg 说，Abbott 是牧师，这本书有明确的宗教潜台词：如果一个更高的存在能把你从这个尘世里拎出来，让你从上往下看见真相，那意味着什么。有意思的是这层寓言最后走向了相当颠覆的方向。正方形被拎出来、学会了推理之后非常兴奋，说既然你能让我理解三维立方体，那我也可以靠推理想清楚四维的我是什么样吧。球体怒了：哪来的第四维，就三维，我能看见。 Lex 把这个寓言接到了正题上：数学能做人类视觉做不到的事。我们没法在脑子里成像一个四维立方体，但我们完全可以算出六维立方体有多少个顶点。这件事本身就是人类认知里非常了不起的一部分，可视化和可推理是两条腿。 Ellenberg 说，宇宙有没有超出我们感知的额外维度？很可能有。但你没法直接验证，你只能去推那些额外维度会在这个可感知的世界里留下什么痕迹。如果痕迹为零，这个问题就开始变得空洞，因为你也可以随便假设任意多的实体，反正都没影响。 他还提到拓扑学一个非常迷人的性质：它讨论的是内禀属性，你不需要从世界外面看世界。马克杯上那个问题，一个从未离开杯面的生物也能回答。他降到一维做示范：你住在一个圆上，往一个方向走足够久会回到出发点；你住在线段上，走足够久会撞到世界的尽头。这个区别你不需要跳出你的世界就能知道。而如果你住在一个漂浮于三维空间的结上，对你而言它就是一条圆。我们这些有三维眼睛的旁观者才看得出这个圈打了个结，这件事关乎它如何嵌入外部空间，跟它自己的内禀性质无关。 Lex 承认自己对"我到底住在圆上还是住在结上"这类问题毫无不安，睡得着觉。Ellenberg 说他也是这样。然后是那个著名的莫比乌斯带问题：你怎么知道自己住在一个圆柱面上还是莫比乌斯带上？Lex 说，你跟朋友说好站这儿别动，我走一圈就回来，然后你走回来，发现朋友被镜像了。Ellenberg 笑着指出这个方案的实际困难：你朋友已经被翻成镜像了，你还能认出那是你朋友吗？你连自己会不会被翻过来都不确定。 他说真正可行的办法，是找一个绕两圈才能收缩的圈。莫比乌斯带和实射影平面（一个更拧巴的近亲）上有这种构造，你把一根绳子沿某个方向绕一圈，怎么都拉不紧，但沿同一条路径再绕一圈，就能收成一个点。这是你在自己世界里就能察觉的怪事。 Lex 绕了一大圈之后回到正题：既然球体的困境是它看不见第四维，那我们会不会也活在某个更高等存在的"平地"里？物理学家搞统一场论时动不动就往十维十一维上跑，那到底只是好用的记账方式，还是宇宙真有我们感知不到的维度？ Ellenberg 的回答很克制：很可能有，但你只能通过它在这个世界里留下的可观测后果来判断。如果什么后果都没有，这个问题就失去了落脚点。你可以随便假设多少个实体，只要它们不产生任何可观测差别，那这些假设就是空的。 ## 可操作的部分 - 下次遇到"这明显是 X"的判断，先问一句：在什么变换下它还是 X？把判定标准写下来，你会发现大部分时候你说不清，而说不清的地方正是问题所在。 - 想重学数学，不从教材第一章开始。先找一个你手上真在乎的问题，让这个问题把你拽进需要的章节。Ellenberg 的导师原话是：不带着问题，你不会真的读下去。 - 给孩子或给外行讲数学，用"吸管有几个洞""裤子有几个洞"这类问题开场。零成本，会吵起来，而吵架的过程中对方会自己想通同调的第一步：洞可以相加。 - 做重大决定时，把自我怀疑当噪声处理。写出一个完全自信的你会选什么，然后照着做。做完了再看结果。 - 看到别人用"把 X 当成 Y"来研究 Z，别急着说这不真实。素数不是随机的，但当成随机来研究产出最多洞察。一个描述是否"真"，很多时候不如它是否好用重要。 - 如果你在学一样被公认为"很直观"的东西却完全无感，先别下结论说自己不行。Ellenberg 说几何是数学里的香菜，有人一口就上瘾，有人整年尝不出味道，而他自己明明属于后者。九年级那门欧几里得几何课，证明等腰三角形底角相等之类的练习，跟他不来电。真正击中他的是六岁那年客厅里一个音响木箱。入口不止一个，换一个再试，这句话对孩子和对成年人都成立。 - 想亲身感受一次维度跃迁的眩晕，读 Edwin Abbott 的《平地》。故事很短，一晚上能读完，最锋利的一刀在结尾：正方形学会了推广，追问他自己的四维版本，球体勃然大怒。你可以在那一刻停下来，想想自己有多少次扮演了那个球体。 - 想在手机上亲眼看看复杂结构怎么从一行规则里长出来，装一个 Golly。康威生命游戏的规则一句话写得完，从一小片涂黑的格子能长出滑翔机，能长出不停吐出滑翔机的枪。顺便验证 Ellenberg 提到的那件反直觉的事：随手挑一条规则，什么都不会发生。绝大多数规则集是死的，能涌现复杂行为的是极少数，而我们至今不知道怎么预先分辨哪些行、哪些不行。Wolfram 的 rule 30 挑战至今没人做出来，他那套"不可约性"的说法，Ellenberg 的评价是：这是诗，不是定理。 - 别把数学竞赛当成数学的门票，也别因为竞赛而误解数学。Ellenberg 1987 年第一次参加国际数学奥林匹克，那年在哈瓦那办，美国人当时去不了古巴，手续极其麻烦，主办方还把整支美国队拉去"美国帝国主义博物馆"参观了一圈。他管这叫冷战的一部分。奥赛的题目都有已知答案，比的是速度；研究面对的是没人知道答案的问题，比的是别的肌肉。他还顺带澄清了一个流传很广的误会：奥赛金牌发给前十二分之一的选手，一年几十块，跟奥运会上每个项目只发一块金牌完全不是一回事。他提到格罗滕迪克有一次讲课时需要举一个素数做例子，随口说了 57，而 57 是三乘十九，这件事在某些圈子里至今还是个笑话。 - 给自己准备一套"换距离函数"的思维动作。遇到一个怎么看都看不透的局面，先别急着分析，问一句：我默认的那个衡量远近的标准，换一个会不会让问题变形？地理距离之外有语义距离，有亲疏距离，有利益一致性的距离。素数在 2-adic 距离下，1 和 49 是近邻，1 和 2 是老死不相往来。同一批对象，换一把尺子，藏着的关系就浮出来了。 - 最后一条，关于什么时候该停下来。Ellenberg 的导师拦住了那个想休学一年读完一千五百页 EGA 的年轻人，理由不是书不好，是你不会真的读。凡是难的事，热情都得挂在具体的问题上。如果你现在的学习计划里全是"我应该懂"，没有一句"我想知道"，那就先停，去找那个你真的想知道的问题。找不到就先不学，这也是一种诚实的判断。