这位逆天博士生到底做了什么

先上原文《只用一周的业余时间,这位逆天博士生解决了困扰数学界数十年的难题》:

https://mp.weixin.qq.com/s/2YePEP1Y2fkVisPP3_wREA

貌似每个字都看得懂,连起来就看不懂了……那么她到底做了什么?文章摘要已经说了:

康威扭结是否为更高维结构的切片——就难倒了无数数学家。但最近,这个难题却被一位博士生用一周的业余时间解决了。

简化一下:她确定了blah blah-A是或者不是blah blah-B

以下开始为Google + Wiki + 阅读理解,如有不当还望高手指出。


Blah blah-A ——康威扭结

扭结

用扭结造句,首先想到的可能是”扭结饼很好吃“。数学上的扭结可能也差不多是长这样。

扭結餅@ Joy Wu的部落格:: 痞客邦:: https://shping0812.pixnet.net/blog/post/217610085

先看我们几乎每天都在用的绳结(如果你的鞋有鞋带的话)——单结(反手结)。

图源见水印

是的,就是我们大部分人最早学会打的结;是的,它有名字;是的,你的耳机线从包里拿出来的时候可能就充斥着这样的结,这就是为什么我们需要airpod(并不) 。

拓扑学里讨论的扭结比绳结高级,如果把反手结的两个绳子头粘到一起,就得到了一个简单的扭结——三叶结。三叶结的显著特点是绳子在绕上绕下的过程中总共有3个交叉处。

三叶结 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%89%E5%8F%B6%E7%BB%93

是不是还挺像扭结饼的。

康威扭结

三叶结当然不是唯一的扭结,除此之外还有各式各样的扭结(废话)。大神康威(John Horton Conway)列举了一系列扭结,这些扭结的特点是绳子有11个交叉处。下图是其中之一。

https://en.wikipedia.org/wiki/Conway_knot

至此我们知道Blah blah A究竟是个啥了——一条绳子绕来绕去再把绳子两端粘合在一起形成的结构,这个结构里绳子交叉了11次。

那原文中的大神到底研究了这个结构里的什么性质呢?我们继续往下看。

Blah Blah B ——更高维结构的切片

四维扭结

回到最早认识的扭结——三叶结。因为我们把两个原本自由的绳子端头粘到一起了,在不动剪刀、刀、牙齿等等工具断开这个扭结之前,我们没法把这个结给打开了。

那有办法在不破坏结构的前提下解开这个扭结么?或许可以。囿于三维空间,我们没法把这个扭结打开;但是如果有能够灵活运用四维空间的生物(比如Rick姥爷?),则能够利用高维空间解结。好比下图中的二维生物蚂蚁君要从纸上A点爬到B点,必然得越过中间的红线,踩六脚红色颜料。但如果得到了一个三维生物的帮助,比如一个无聊的人类,把蚂蚁君抓起来直接放到B点,那感受了跨维度旅行的蚂蚁君脚上一点红色都不会沾到。

图源:https://baike.baidu.com/tashuo/browse/content?id=0c49bf38f541401ceb204484

借助三维,蚂蚁君完成了瞬移;借助四维,上面的扭结得以解开。

那么能不能创造出一种连四维生物都解不开的扭结?也行,把扭结的“材料”也升一维。

之前我们用一条绳子创造出了扭结,原材料“绳子”可以看作一条线,也就是一个一维元素,再精确点说,因为我们最终把绳子的两端粘合到了一起,所以其实是个平面上的圆。

把一个二维平面上的圆切开变成绳子,再把绳子相互穿来穿去,最后把绳子两端粘合在一起,恢复成一个圈,形成了三维世界的扭结。这个扭结三维的人类解不开,但四维生物能解开。

要想创造出连四维生物都觉得为难的东西,那我们得把一个三维空间里的球面穿来穿去,那或许可以形成一个四维世界的扭结,使四维的生物解不开,但五维的生物能解开。

这其实是个拓扑学理论

一个n维球,只可以在n+2维空间扭成结,而且必定能在n+3
维空间解结。(E.C. Zeeman)

也就是原文里说的:

最早在20世纪20年代,数学家就建立了这一理论:为了在四维空间制造一个扭结,你需要一个二维的球面,而不是一个一维的环。正如三维空间能为构建打结的环提供足够的空间,但不足以让扭结解开,四维空间中,打结的球面也是如此。

切片

那么前面说的三维扭结和这里看到的更高维的扭结有啥关系么?有。

还记得几何课上学到的截面不?最简单的情况,在一个球上随便切一刀,截面是个圆,忘记了的参考刘华强老师挑西瓜的视频即可。复杂点的情况,用一个平面去截一个圆锥,会得到什么图形?不同的切法得到的图形不同。

圆锥剖面图 https://j.17qq.com/article/qcahhtwcx.html

如果我们只看红色的曲线部分,这种“切一刀”的方式,建立了三维物体和二维平面一个轮廓线的关系;而在“复杂的情况”下,对同一个三维物体,切割平面不同,得到的截面外轮廓线也不同。类似地,用一个平面去“切割”一个四维扭结,也会得到不同的三维结构。这个三维结构,有时也是个扭结,有时不知道是啥。

原文里所说

但当你在四维空间穿过一个打结的球面时,你看到的可能是一个打结的环。(根据切割的位点,你还可能看到一个未打结的环,或几个连接在一起的环)穿过打结的球面制造出来的扭结,就被认为是“切片”(slice)。另一些扭结不属于切片,例如三叶结。切片扭结成为连接三维空间和四维空间中扭结理论的桥梁。

就是这么个过程。有些扭结(比如三叶结),没法找到可以切出它的四维扭结或者切法;但有些扭结可以通过四维扭结“切”出来,对于这样可以切出来的扭结,值得一个新的名字——“切片”

说到这里,Blah blah B也就清楚了——高维结构切出来的玩意如果碰巧也是个扭结,就叫他切片。那么整个问题也就清楚了——康威扭结(前面11个交点的结构)能不能从别的什么更高维结构里切出来?

难点与方法

明白了待解决的问题,接下来就要了解下大神的非凡之处——这个问题难在哪里?她究竟用了什么办法解结了整个问题?

难点

从小白的角度,如果要知道康威扭结是不是切出来的,那就切切看咯?

问题在于,可供尝试的结构太多、可以用来切的位置也太多了。原文中说

但是,一个特征让四维空间中的扭结具有丰富性和独特性。在四维拓扑学中,存在两种不同的切片扭结。在20世纪80年代早期,随着一系列革命性理论的发展,数学家发现四维空间不仅含有最初发现的光滑球面,也包括含有各种皱褶的非光滑球面。而扭结是否是切片还取决于,是否选择包含这些皱褶的球面。

也就是说,高维结构本身就有两种切片扭结,同时四维空间里除了前面说的光滑球面,还出现了带皱褶的球面。于是乎,你找不到不代表不存在啊,难说小白穷尽一生经历尝试了一千万种切法没切出来,偏偏第一千万零一种切法就能切出一个康威扭结呢?

所以小白的穷举法证实容易证伪难——除非碰巧找到了一个高维结构切出了康威扭结证实它的确是切片,否则我们下不了任何结论。

数学大神们的方法看起来像是绕了远路,但可能更加有效。大神们认为,如果我们确定无疑地知道某个扭结是或者不是切片,同时我们知道康威扭结等效于这个扭结,我们就知道康威扭结是或者不是切片了。这个思路的关键在于:

    1. 有若干已经被证明是不是切片的“已知扭结”(甭管怎么证明的,或许是碰巧切出来的,或许是别的大神论文里写的,反正这里不涉及)

    2. 有若干验证两个扭结等效的理论工具(同理,这里不关心工具怎么找到的,反正他们是正确的),建立康威扭结到“已知扭结”的等效关系。

两点必须同时满足,如果只满足一点,那是不行的。原文举了一个例子:

把康威扭结下半部分切开,翻转一下,可以得到一个已知扭结“Kinoshita-Terasaka扭结”,而“Kinoshita-Terasaka扭结”是个切片。

问题来了,这样可以证明康威扭结也是个切片了不?很可惜,不能,因为这种“切开,翻转一下”的手法并不属于已经被验证的等效理论,如原文所说:

尽管康威扭结如此接近一个光滑的切片扭结,但它几乎躲开了所有数学家用来检测费光滑扭结的工具(扭结不变量)。皮奇里洛表示,康威扭结就像是同时位于这些多个扭结不变量的盲区。

上面说的手法不属于验证工具之一,而康威扭结和这个已知扭结之间,碰巧不能用靠谱工具(原文提到的“扭结不变量”就是验证工具)来验证等效性。咫尺天涯,还是证明不了。

大神的方法

大神这时换了一个思路。

皮奇里洛遇到康威扭结的切片问题时,她正在考虑除变体之外,如何通过另一种形式将两个扭结联系起来。每个扭结都有一个相关联的四维形状,称作扭结的迹(trace),它是将扭结放置在四维球面的边界上,顺着扭结的位置得到的结构。

不同的扭结能拥有相同的四维迹,当数学家了解这些扭结的迹时,他们可以推测它们具有相同的切片状态——要么都是切片,要么都不是。

"迹"是和”扭结不变量“类似的一种建立两个扭结之间关联的工具。如果扭结不变量不好使了,能不能用”迹“试试看呢?这个方法不是大神博士生发明的,它早已存在,不过它碰巧是大神的专业所在。

格林说,扭结迹作为一种经典的工具,已使用了数十年的时间,但皮奇里洛无疑比其他人更了解这种工具。

基于”迹“这个工具,大神得到工作思路:

    1. 构造一个和康威扭结有相似”迹“的新扭结;

    2. 研究这个新的扭结是不是切片,可以利用前面的不变量等等思路来证明;

    3. 如果新扭结是切片,那康威扭结也是切片,反之亦然。

最终,

皮奇里洛想设计了一种和康威扭结具有相同“迹”的扭结,并利用这个新扭结证实了康威扭结不平滑。

至此,大神解决了由另一位大神提出的,困扰了众多大神半个世纪的拓扑学难题。而我们也大概知道了,大神们都在做什么。

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