
埃米尔·阿廷(1898—1962),生在维也纳,长在波希米亚的织造之城赖兴贝格,成名在汉堡,晚年归汉堡。他做的是数学里最不具体的那一层:把散落四处的结论,织成一张有纹路的结构。互反律是一张,辫子是一张,域与群的对应又是一张——三张布,同一副织法。
他一生做了三件事。第一件立互反:1927 年证明一般互反律,把 1900 年那张著名问题清单上的第九条收了口,类域论自此封顶。第二件立编织:1925 年把「编辫子」写成了群——两根线一交,交换律就没了,数学却因此多出一门手艺。第三件立讲法:他把伽罗瓦理论讲成一张「域与群互相对应」的图,此后的教科书都照这个讲法写。
明线三样:类域论(互反律怎样把「素数落在哪个剩余类」变成群里的一个元素)、拓扑与代数(辫子群与链环,不交换的编织)、结构主义(伽罗瓦对应、实域与序、把证明写成结构的语言)。
暗线一句:结构之织。一根线不成布,一堆结论不成学问;他一生做的,是把线认出来、把织法找出来。本册五幕都在写这一行手艺——以及它身后的代价:织机可以拆,纹路留得下。
五幕:第一幕讲织造之城的少年与一张互反表(p.6—p.12);第二幕讲一般互反律与类域论封顶(p.13—p.19);第三幕讲辫子群:不交换的编织(p.20—p.26);第四幕讲结构:伽罗瓦对应与实域(p.27—p.33);第五幕讲晚年、学生与三条余绪(p.34—p.40)。
三层读法照旧:故事层无需预备知识;数学层只用到乘法、除法、余数与几张小表(p.7—p.9、p.14—p.16、p.21—p.23、p.28—p.30、p.35—p.37),每一步都从头算起;注疏层给出原文、版本与研究文献,逐页可查。
先看出生地。1898 年 3 月 3 日,埃米尔·阿廷生在维也纳。父亲古斯塔夫经营艺术品与工艺品的买卖,母亲埃玛·劳拉主持家务;家道不算富贵,往来的是画、木器、旧书这些吃不上饭的物件。孩子从小看的,是一屋子的「样子」——器物的纹样、画里的构图、旧书上的花边。
再看这座城。家不久迁回波希米亚北部的赖兴贝格(今利贝雷茨)。这是当时中欧有名的织造之城:城中大半人家靠织机吃饭,毛纺、亚麻、染坊排成街。一个孩子的窗外,是一排排绷紧的经线与来回的梭子——这算不上什么学问,可它是一个人最早见惯的「秩序」:无数根线,按一副织法,落成一块布。
这个孩子在中学里显出了另一种偏好。他不爱背书,爱算;不爱记结论,爱问这条结论从哪里来。通行传记记着他的少年:数学书拿到手,先自己推一遍,推不通的地方才翻答案。这种读法慢,却把「为什么」练成了本能——日后他一生的工作方式,都是这一条:先找织法,再谈结论。
本册的题目就从这里长出来。一个在织机之城长大的孩子,后来一辈子在做同一件事:把散落的线认出来,把织法找出来。三张布——互反律、辫子、域的对应——是他一生织得最紧的三块。
下一页,先看这座城的织机,与那所中学的课堂。
织机的道理,说穿了只有两条。一条是经:竖着绷紧的那排线,固定不动,是全场的地基。一条是纬:梭子带着横线来回穿,每穿一次压一下,线与线就咬住一格。经纬一交,成一点;点排成行,成纹。整块布是「固定的竖」与「来回的横」乘出来的——这套道理,后来被阿廷原样搬进了数学。
中学的算术里也有一副织法,只是当时没人这么教。整数除以一个素数,余数只有有限的几种;把余数平方再取余,能落到的位置更少——落在的那些叫「平方剩余」,落不到的叫「非剩余」。哪些落得到,看着毫无章法:模 7 时 1、2、4 落得到,3、5、6 落不到;换一个素数,位置全变。这是一张看着乱的纹样。
乱的纹样里有规矩。十八岁的阿廷在莱比锡的课堂上撞见这条规矩:两个素数互相「问」对方是不是平方剩余,两个答案之间竟有固定的换算——这就是高斯的二次互反律,被称作算术里的黄金定理。它长着「乱」的脸,骨子里是一副极整齐的织法。
于是本册的第一块布有了线索。一块布要有人认出经纬,一条定律要有人认出「谁在决定谁」。阿廷后来做的事,是把这条只对「平方」成立的换算,推广到「任意次方」——那是数学史上挂了一百年的一道题。
下一页,把这块布的原料摆上桌:一张互反表、一副三股辫、一册讲义。
本册要处理三样东西。三样看起来毫不相干:一张只写着加减乘除的数表、一副三根线编成的辫子、一册讲「域与群怎样对应」的讲义。
第一样,表。素数除以素数,余数落在哪里,答案是「剩余」还是「非剩余」——一张两两相问的表。1927 年,阿廷证明这张表底下有一条统一的算式:任意次方的互反,都能由「素数落在哪个剩余类」算出来。挂了一百年的第九问题,在这条算式里收了尾。
第二样,辫。三根线编下去,先后次序一换,辫子就不同——交换律在这里失效。1925 年,阿廷把这些辫子收成一个群,给了生成元与两条关系。交换律丢掉的地方,长出了一门新学问:日后纽结、链环、量子计算里的辫,都从这副三股辫起头。
第三样,讲义。一个方程的解,与它的对称,本来各算各的;伽罗瓦看出两者一一对应。阿廷把这层对应讲成一张干净的图:中间域排一行,子群排一行,逐格对上。此后一百年,学代数的第一课都是这张图。
三样东西有一个共同点。它们都不是新定理,而是新织法:同一副织法,落在算术上叫互反律,落在拓扑上叫辫群,落在代数上叫对应。本册给这份手艺的概括,一句话:结构之织。
先看第一幕:织造之城的少年,怎样撞上那张互反表。
1916 年秋,十八岁的阿廷进了莱比锡大学。这所大学的数学由两位先生撑着场面:一位霍尔德,做代数与几何的基础;一位赫格洛茨,做数论与分析。少年从波希米亚的织造之城来,行李不多,笔记很厚——他听课的方式与旁人不同:老师写下一个结论,旁人抄结论,他抄「这条结论凭什么是这样」。
第一堂数论课,讲的是二次互反律。老师说,这是算术里的黄金定理,高斯二十岁证出第一个证明,此后一百多年,数学家们又找出两百多个证明——一条定理能有这么多证法,本身就说明它不是孤立的技巧,而是一副深藏的织法。老师把最漂亮的一个证明写满黑板,下课铃响,学生们抄完就走。
阿廷留在座位上,把自己算的一张表摊开。那张表只有乘除与余数:素数除以素数,余数平方之后落在哪儿。表算得乱,乱里有一条他看不懂的整齐——他要的不是「这条定理成立」,而是「这条定理为什么非成立不可」。这个问题,把一个十八岁的学生从课堂里带了出去。
这一幕先立题。下一页从最笨的地方起手:把余数平方一遍,看看那些「落得到」与「落不到」的位置,究竟排成什么样子。
先做一件最笨的事。取一个素数,比如 5。把 1 到 4 各自平方,再除以 5 取余:1 的平方余 1,2 的平方是 4 余 4,3 的平方是 9 余 4,4 的平方是 16 余 1。落到的位置只有两个:1 与 4。剩下两个位置 2 与 3,任何数的平方都落不到。
换一个素数再算一遍。模 7:平方依次是 1、4、2、2、4、1——落得到的是 1、2、4;落不到的是 3、5、6。模 11:平方依次是 1、4、9、5、3、3、5、9、4、1——落得到 1、3、4、5、9;落不到 2、6、7、8、10。模 13:落得到 1、3、4、9、10、12;落不到 2、5、6、7、8、11。
四张表里已经有两条铁律。第一条,落得到的恰好一半:(5−1)/2=2 个、(7−1)/2=3 个、(11−1)/2=5 个、(13−1)/2=6 个,一个不多一个不少。第二条,平方表左右对称:模 13 时 1 与 12 的平方都是 1,2 与 11 的平方都是 4——因为 x 与 13−x 平方之后同余。所以真正要算的只有前一半。
落得到的数,术语叫「平方剩余」;落不到的,叫「非剩余」。四个素数四张表,落点看不出半点规律:模 5 时 2 落不到,模 7 时 2 落得到,模 11 时 2 又落不到,模 13 时 2 还是落不到。要断定一个数在某个素数下是否剩余,除了硬算,似乎没有捷径。
下一页,把两张表对着看:一个素数在「另一个素数下的身份」,与反向的身份有什么关系。
给「身份」配一个记号。若 a 在模 p 下是平方剩余,记作(a│p)=+1;若是非剩余,记作(a│p)=−1。这个记号读作「a 对 p 的符号」。于是每个素数对另一个素数,都有一个身份的符号——一张两两相问的表。
拿四个实例把表算出来。(3│7):模 7 的剩余是 1、2、4,3 不在内,故为 −1;(7│3):7 除以 3 余 1,1 永远是剩余,故为 +1。两个答案相反。(5│7):5 不在 1、2、4 内,−1;(7│5):7 除以 5 余 2,2 不在 1、4 内,−1。两个答案相同。
再算两组。(11│13):模 13 的剩余是 1、3、4、9、10、12,11 不在内,−1;(13│11):13 除以 11 余 2,模 11 的剩余是 1、3、4、5、9,2 不在内,−1。同为 −1。(3│11):3 在 1、3、4、5、9 内,+1;(11│3):11 除以 3 余 2,模 3 的剩余只有 1,故 −1。一正一负。
四个实例摆齐,换算的规矩自己浮出来。看两个素数各自除以 4 的余数:3 与 7 都余 3,两个答案相反;11 与 13 一余 3 一余 1,两个答案相同;5 与 7 一余 1 一余 3,答案相同;3 与 11 都余 3,答案相反。一句话:两个素数都形如「四的倍数加三」时,符号翻个个儿;只要有一个形如「四的倍数加一」,符号照抄。
这条换算就是二次互反律。它的分量在于「互相」两个字:一个素数在另一个素数下的身份,本该各算各的,可两个身份之间竟有一条只取决于「除以四余几」的换算。这一层对称,正是阿廷日后要往「任意次方」上推的东西。
学术上的第一跳在 1921 年。他的博士论文做的不是数域,是「函数域」:把整数的算术换成「以多项式为整数」的算术,系数的加乘在有限域里做。他在这个新场子里算出了一条 ζ 函数,并证明了它满足一条漂亮的对称——这一步,把数论里的素数计数,原样搬到了函数的世界。
第二跳在哥廷根。1923 年,他到这里做私俸讲师(不领薪、靠听课费过活的位置)。此地的数学正被两个人搅得热闹:一位诺特,把代数从「算」改造成「结构」;一位哈塞,正在给类域论补地基。阿廷在这里学到了他一生最要紧的一课:同一个结构,可以在完全不同的对象上重复出现。
第三跳在汉堡。1925 年他发表〈辫子论〉,把编辫子写成了群;1926 年,二十八岁的他受聘汉堡大学正教授。汉堡的数论与分析原本由赫克撑着,阿廷一到,这里成了德语世界最活跃的数学据点之一。他在这里住了十一年,直到 1937 年被迫离开。
三跳之间有一条主线。莱比锡给他「为什么」的执拗,哥廷根给他「结构」的眼光,汉堡给他「织」的场地。三样凑齐,才接得住 1927 年那道大题——把只对平方成立的互反律,推到任意次方上去。
下一页,暗线第一笔:一根线不成布。
暗线第一笔,落在这个动作上:他只抄「为什么」。
莱比锡那几年,他的笔记攒了厚厚一叠。翻开看,是一根根散落的线:一条关于平方剩余的规律、一条关于 ζ 函数的对称、一条关于多项式的除法。每根线都成立,每根线都能单独证;可它们互不相干地躺着,像织机上还没上纬的一排经线——绷得笔直,什么也织不出来。
他日后反复讲一件事:数学的结论多得像线,一门学问的成色,不在线的多少,在织法。同一副织法,能把算术的线织成互反律,也能把拓扑的线织成辫子群;没有织法,线越多越乱。
于是这条暗线在第一幕就定了方向。往后四幕,他每一次动手,都是先找织法:找「谁的答案由谁决定」的换算(第二幕)、找「辫子与结是同一件事」的对应(第三幕)、找「域与群逐格相对」的图(第四幕)。本册把这一行手艺叫结构之织,第一笔先立在这里:看见线,还看见线之间缺的那道横。
把两副手艺并排看,差别一目了然。织工的手艺是「照织法走」:纹样早定在纸上,经线绷好,纬线一趟一趟穿,错一梭就露在布面上。数学家的手艺是「把织法找出来」:纹样还没画,线还散着,先要认出哪根该竖、哪根该横。
阿廷两样都懂一点。童年在织造之城看惯了「按规矩走」的手艺,所以他敬重规矩:一条证明,一步也不许跳。可他的兴趣从来不在「走」,在「立规矩」——他把织工对纹样的眼力,搬到了数学对结构的眼力上。
两种手艺的合流,在 1925 年那篇短论文里。旁人看编辫子,看见的是手:三股线,左压中、右压中,编下去。他看编辫子,看见的是规矩:每一次交叉都是一个动作,动作可以相乘、可以求逆、可以排成一条字——于是一副辫子成了一个群里的一个元素。手艺被翻译成了结构。
这一幕的交错,交出一份底色:从织机之城出来的孩子,学会了用织工的眼睛看数学。下一幕,这副眼睛要去看那道挂了一百年的大题——任意次方的互反律。
下一页,第一幕小结。
一、课堂立了题。1916 年莱比锡,二次互反律被当作「黄金定理」讲授,两百多个证明轮番登场;阿廷抄的不是证明,是「为什么非成立不可」(p.6)。问题问对了,剩下的只是年月。
二、余数平方了一遍。模 5、7、11、13 四张表算下来,落得到的恰好一半,左右对称,落点却看不出规律(p.7)。乱是表面,齐在底里——这是本册全部工作的起点。
三、互相问出了换算。四个实例摆齐:两个素数都余三时符号翻个儿,有一个余一时符号照抄(p.8)。这层「互相」,正是要往任意次方推的那层。
四、三级跳凑齐了家伙。莱比锡给执拗,哥廷根给结构,汉堡给场地;1921 年函数域的 ζ 函数、1925 年辫子群、1926 年正教授(p.9)。暗线第一笔也立在这里:看见线,还看见缺的那道横(p.10)。
下一幕,第二本账开张。1927 年,一道挂了一百年的大题等着他:平方的互反律已经清楚,那三次、四次、任意次呢——答案不在算术里,在一个从没被算术用过的对象中。
1900 年,希尔伯特在巴黎提出二十三个问题,给二十世纪数学开了一张清单。第九条问的是:任意数域里,最一般的互反律是什么。问得客气,分量极重——二次互反律只管「平方」,而数学家早已知道三次、四次也各有互反的迹象,只是没人能说出统一的形式。
这道题的难处,在于不知道答案住在哪儿。平方的情形能算,因为模 p 的平方剩余只有两种身份,符号一乘就成;可到了三次、四次,身份变成三种、四种,符号不再是一个数,而是一个复数单位。更麻烦的是:即使把符号定义出来,「互相问」的换算里还会冒出预料之外的修正项——那些修正项从哪儿来,一百年没人说清。
1920 年,日本的高木贞治先走出一步。他证明:一个数域上所有「交换的」扩张,都能由这个数域自身的乘法群算出来——存在性定理。这一步把互反律从一条条的换算,抬成了一个整体:所有的交换扩张,排成一张由乘法群控制的表。可这张表里最关键的一格——谁对应谁——还空着。
1927 年,那一格被填上了。二十九岁的阿廷在汉堡写出证明:每个交换扩张里,每个素理想都对应伽罗瓦群里的一个元素;这个对应是满射,核恰好是范数群。一句话,互反律不是一堆换算,是一个同构。挂了一百年的第九问题,在这条同构里收了尾。
下一页,先看这道题的三次版本:把余数立方一遍,身份怎么分。
平方做完了,换成立方。取模 7,把 1 到 6 各自立方再取余:1 的立方余 1,2 的立方是 8 余 1,3 的立方是 27 余 6,4 的立方是 64 余 1,5 的立方是 125 余 6,6 的立方是 216 余 6。落到的位置只剩两个:1 与 6。六个非零余数,被立方压成了两个——身份不再是「两分」,而是「三合一」。
换两个素数再看。模 13:立方落点为 1、5、8、12,共四个;模 19:落点为 1、7、8、11、12、18,共六个。规律很清楚:只要 p 除以 3 余 1,模 p 的立方剩余就恰好 (p−1)/3 个——7 时两个、13 时四个、19 时六个。原因是乘法群循环,立方映射把阶数除以三。
于是「身份」得重新记账。平方时只有剩余与非剩余两种,符号取正负一;立方时有三种身份,符号得取三次单位根:1、ω、ω2,其中 ω 是一个立方为 1 的复数。四次就取四次单位根。次方越高,符号住的「地方」越大——这一层观察,是通往一般互反律的第一道门。
三次互反律也有它自己的样子。取两个都除以 3 余 1 的素数,比如 7 与 13。7 在模 13 下是不是立方剩余:13 的立方落点是 1、5、8、12,7 不在内,故不是。13 在模 7 下是不是:13 除以 7 余 6,而 6 正在落点 1、6 之内,故是。一问一答,一否一是——三次也有互反,可这层换算的修正项比平方时复杂得多,手算已难看出规矩。
下一页,去看阿廷找到的那把钥匙:每个素数对应的那个元素。
钥匙是这个:一个素数 p,不只带一个余数,还带群里的一个动作。
拿最小的例子演一遍。取五次单位根 ζ,它满足 ζ5=1;把 ζ 添进有理数,得到一个五次分圆域。这个域的伽罗瓦群有四个元素,全由「把 ζ 换成 ζ 的几次方」得到:换成 ζ 本身(不动)、换成 ζ2、换成 ζ3、换成 ζ4。记「换成 ζ 的 k 次方」为 σk,这个群就是以 σ 为生成元的四阶循环群。
现在让素数登场。对一个不等于 5 的素数 p,有一个天然的动作:把 ζ 换成 ζp。这个动作只由 p 除以 5 的余数决定——余 1 就是不动,余 2 就是 σ,余 4 就是 σ2,余 3 就是 σ3。这就是弗罗贝尼乌斯元素:每个素数,都在群里占一个位置。
表排出来,规矩一目了然。2 余 2 占 σ,3 余 3 占 σ3,7 余 2 占 σ,11 余 1 不动,13 余 3 占 σ3,17 余 2 占 σ,19 余 4 占 σ2,23 余 3 占 σ3,29 余 4 占 σ2,31、41、61 都余 1,皆不动。同一个余数,永远占同一个位置——不管这个素数是十七还是六十一。
互反律就在这张表里。「p 在模 5 下是不是平方剩余」,等价于问「p 除以 5 余 1 或 4 吗」,等价于问「σp 落在平方子群里吗」——因为 σ 的零次与二次恰是群里那两个平方。三个问法,一件事:算术里的剩余问题,成了群里的位置问题。
阿廷的定理把这层对应推到最一般。任意交换扩张,任意素理想,都对应群里的一个元素;这个对应是满射,且乘法保持——于是「互反」不是巧合,是群的乘法在算术里的影子。这就是它叫互反的道理:两边互相回话,回得严丝合缝。
阿廷的证明走的不是一条直路。他把问题先拆成「局部」:不看整个有理数,只看一个素数附近的算术。这门眼光由亨泽尔开创,办法是给每个素数 p 配一套 p 进度量——两个数相差能被 p 的高次幂整除,就算「很近」。补上这套度量,有理数长成一个新数系,记作 Qp。
好处是「解可以一位位抬」。举个实例:问 −1 在 5 附近能不能开平方。先模 5 试:2 的平方是 4,正好余 −1,第一步有了。再抬到模 25:设答案是 2 加 5 的倍数,代入一算,倍数取 1,得 7;而 7 的平方是 49,除以 25 余 24,正是 −1。再抬到模 125:设答案 7 加 25 的倍数,一算倍数取 2,得 57;57 的平方是 3249,除以 125 余 124,还是 −1。
于是 2、7、57 一路抬上去,抬到无穷,就是一个真正的 5 进数,平方恰为 −1。这条「抬」的手艺叫亨泽尔引理:模 p 有一个解,只要导数不为零,就能一位一位抬成 p 进解。换成 3 就不行:模 3 时平方只落 1,−1 即 2 落不到,第一级就断了。所以在 3 附近,−1 不是平方。
局部算清,还要拼回整体。一个数系在每个素数处都有一套算术,还加上实数那一个「无穷处」;这些局部答案由一个乘积公式串着:一个非零有理数,它在所有局部的大小乘起来恰好等于 1。哈塞的功劳是把这条串法变成了判据——局部处处通得过,整体才通得过。
阿廷的互反律,正是这套眼光结的果。先在局部把互反律证出来(哈塞 1926—1930 年间完成),再用乘积公式拼成整体。一块布分经纬织,织完再拼——这是他一生最顺手的手法。
暗线第二笔,落在「不能互换」上。织布时经纬一换,纹样就变;数学里也一样:两个动作的先后一换,结果就不同。这不是缺陷,是这门学问的常态。
阿廷一生两次撞上这件事。第一次在算术里:平方的符号乘起来是交换的,可到了三次、四次,符号住进复数的单位根里,乘法还交换,含意却复杂了——每一步都要记清先乘哪个。第二次在编织里:三根线一交,左压中与中压左,换一次次序就是另一副辫子。同一件不交换,在算术里是一层修正项,在拓扑里是一副辫子。
他的处理方式很有分寸。他从不想把不交换的硬掰成交换的。交换的地方,他把织法找干净,于是有互反律;不交换的地方,他另起一块布,把不交换本身立成对象,于是有辫子群。该交换的交换,该不交换的不交换——这份分寸,是结构眼光的另一半。
这条线在这一幕定下第二笔:上一笔说「看见线,还看见缺的那道横」;这一笔说「横竖不能随便换」。下一幕,他把「换一下就变」的那一面,整个立成了一门学问。
下一页,第三幕开张:一副三股辫。
类域论是两股线合股织成的。一股来自数论:素理想的分解、剩余、范数,都是「数」这一侧的账。一股来自代数:域扩张、伽罗瓦群、子群与商群,都是「结构」这一侧的账。高木贞治把两股并到一起,阿廷把最后一道绞口拧紧。
合股的收获,是一句可以背下来的话。一个数域的交换扩张,完全由它自己的乘法群决定;扩张有多少层、每层多宽、素数在里怎么分解,全在乘法群里写着。算术问题被翻译成群里的账,从此可以只算群。
这门手艺还有第二次用场。1930 年前后,阿廷与诺特、哈塞合手,把另一类对象的结构理清:中心单代数——一种乘法不交换、但中心很老实的数系。他们证明这类对象可以按「相似」分类,分类的结果又是一个群。用的还是同一副织法:把对象认成结构,让结构自己算。
两条线的合股,给这一幕收了账:算术里最难的那道题,靠的不是更利的算,是更清楚的对应。下一幕,他要把这副眼光带到一片完全陌生的地上——那里没有数,只有线。
下一页,第二幕小结。
一、题挂了一百年。希尔伯特 1900 年第九问问「最一般的互反律」;三次、四次的符号住进单位根,修正项无人说清(p.13)。缺口不在算,在不知道答案住在哪儿。
二、身份分了三份。模 7 的立方只落 1 与 6,模 13 落四个,模 19 落六个——恰好 (p−1)/3 个(p.14)。身份越分越细,符号越住越高。
三、钥匙是一串元素。每个素数对应群里的一个动作,取值只由「除以 5 余几」决定;「是不是平方剩余」就是「落在不落在平方子群里」(p.15)。算术的问题,成了群里的位置问题。
四、局部先答,整体再拼。−1 在 5 进数里是平方(2、7、57 一路抬上去),在 3 进数里不是;局部处处通,整体才通(p.16)。暗线第二笔:经纬不能互换,另起一块布(p.17)。
下一幕换场地。不再有素数,也不再有剩余——只有几根线,和「谁压谁」的次序。他要在这里织第二块布,一块从织机上直接长出来的布。
1925 年,汉堡的数学讨论班文集第四卷刊出一篇二十几页的短论文,题目朴素:〈辫子论〉。作者二十七岁,两年前刚从哥廷根来。这篇论文没有引用什么新定理,也没有解决什么猜想,它做的事只有一件:把「编辫子」这个连小孩都会的动作,写成一个数学对象。
起因是个很实的问题。三根线编下去,编法千变万化;两根辫子什么时候算「同一副」,答案不难:把线提起来,只要不剪断、不打结,能连续地抖成一样的,就算同一副——术语叫同痕。可「抖」这件事没法算。要算,就得把它换成能算的东西。
阿廷的换法极干脆。不看线在空间里怎么弯,只看「哪一根压哪一根」。每一次交叉记一个基本动作,把动作排成一串字;两串字只要在允许的关系下能互相改写,就代表同一副辫子。这样一来,辫子成了字,字的乘法是接着编,字的逆是倒着编——一副辫子,就是群里的一个元素。
这一步的分量,当时少有人看出来。它把一门手上的技艺搬进了一门纸上的结构。往日靠眼睛判断的事,从此可以算:两副辫子是不是同一副,成了两串字能不能化到一起的问题。拓扑里最不好下手的连续变形,被代数的记账法接住了。
本幕要做的,是把这副记账法摊开。下一页先给生成元与两条关系——整个辫子群,就写在这两行关系里。
整副家当只有两样。其一,生成元:把第 i 根线与第 i+1 根线交叉一次(前者压后者),记作 σi。三根线有两个这样的动作:σ1 管第一与第二根,σ2 管第二与第三根;n 根线就有 n−1 个。其二,两条关系。
第一条关系管「离得远的交叉可以随意换」。σ1 与 σ3 在四根线里各管一处,互不挨着,谁先谁后都不影响结果;一般地,只要两个下标相差两个以上,两个生成元就交换。这条关系不新鲜,几何上一看就懂。
第二条关系管「挨着的交叉不能随意换」。三根线里,σ1σ2σ1 与 σ2σ1σ2 竟是同一副辫子。这个等式初看别扭,动手就服了:拿三根线编号一二三,把每个动作看成一次位置互换,逐格记下每步之后三个位置上站的是谁。
逐格记账,两串字走到同一处。σ1σ2σ1 一路走下来:一二三、二一三、二三一、三二一。σ2σ1σ2 一路走下来:一二三、一三二、三一二、三二一。终点都是三二一,三根线整整齐齐地上下颠倒了一次——两串字,一副辫子。
可别以为次序可以随便换。只走两步就看出差别:先 σ1 后 σ2,终点是二三一,最左边站的是第二根线;先 σ2 后 σ1,终点是三一二,最左边站的是第三根线。两副辫子不同,故 σ1σ2 与 σ2σ1 不相等——三根线以上,辫子群不交换。
两条关系,一副定义。辫子群就这么写:n−1 个生成元,加上「远者交换、近者三步换位」两条关系。整个理论的分量全在这两行里——用它们做改写,就能判定两串字是不是同一副辫子。
三股辫值得单独看,它是全部辫子里最小的一块试金石。它只有两个生成元 σ1、σ2,一条关系 σ1σ2σ1=σ2σ1σ2。就凭这两样,能得到一个出乎意料的结论:三股辫群可以用两个元素 x、y 重写,只带一条关系 x2=y3。
重写的办法是换一对生成元。取 y=σ1σ2,x=σ1σ2σ1。用上页那两条关系一代,x2 与 y3 恰好相等,都是「三根线各拧一圈」的那个动作;反过来,两个生成元也能由 x、y 拼出。于是整个群被压成一行:两个字母,一条等式。
这一行等式解释了两件事。第一件,σ1σ2 的阶是无穷:它等于 y,而 y 的幂永不为 1——把它映到模群里就看得见,它在那边做一次抛物变换,反复做只会越走越远,回不到起点。第二件,这个群的中心由 (σ1σ2)3 生成:它把三根线整体拧一圈,位置上原样归位,辫子却变了。
中心的这层性质,正是「影子记不住辫子」的明证。把 (σ1σ2)3 按位置追踪一遍:一二三、二三一、三一二、一二三——三步走回原位,影子与「什么都没做」一模一样。可它作为辫子并不等于空辫子:三根线各绕了一圈,谁也解不开。所以判定辫子,不能只看位置,必须看字。
还有一层意外的遇合,留到下一页。这条「x2=y3」的等式,与一根打了三个交叉的绳圈的「绳圈群」长得一模一样——三股辫与三叶结,是同一个结构的两副面孔。
辫子的上下两端是散着的。把上端与下端一一接上,散线成了闭环——术语叫闭辫。这个动作极小,收成极大:闭辫就是链环,而链环是纽结理论的整个对象。三根线接成三个环,两根线接成两个环,一根线接成一个圈——一个线头也不许留。
拿两股辫做三个实验,结果一目了然。σ1 只交叉一次,接上首尾,得到一个普通的圈——平凡结,一拉就开。σ12 交叉两次,接上首尾,得到两个相扣的圈,扣一处——这叫霍普夫链环。σ13 交叉三次,接上首尾,得到一个单圈的结:三个交叉,拉不开,是三叶结。
三个实验里藏着一个定理。亚历山大 1923 年证明:每一个链环,都是某个辫子的闭合。反过来也成立:每个闭辫都是链环。于是两门看起来各干各的学问——编辫子与打结——被一条通道接上:辫子的字,就是链环的账。
这条通道有个代价。不同的辫子可能闭合成同一个链环:多接一个多余的动作(术语叫稳定化),链环不变而辫子变了。1935 年马尔可夫把这层松紧说清:两副辫子闭合成同一个链环,当且仅当能靠共轭与稳定化两步互相变到。判定辫子与判定链环,差的就是这两步。
阿廷 1925 年那篇短论文,给的正是这套语言的地基。他没有解什么猜想,他给了一副能算的记号;此后一百年,纽结的分类、链环的不变量、量子拓扑里的辫,都在用这副记号。织机的比喻到这里成了字面意思:辫子是经,闭合是纬,一交,成环。
暗线第三笔,落在「同一个花样」上。1927 年他织互反律,1925 年他织辫子群;两件事隔行如隔山,可用的是同一副手:把一个不好算的对象,认成一个能算的结构。
具体对一对。互反律那边:不好算的是「素数在扩张里怎么分解」,能算的是「群里的一个元素」,通道叫弗罗贝尼乌斯。辫子这边:不好算的是「辫子能不能连续抖成另一副」,能算的是「一串字能不能改写」,通道叫生成元与关系。两边都是同一句话:算不动的时候,去找一个同构。
更妙的是两边的影子也相似。互反律里,素数只看「除以几余几」,一群素数挤在几个位置上;辫子里,辫子只看「线在哪个位置」,千万副辫子挤在几个置换上。影子都粗,都得回到本体去算:一个是群里的元素,一个是字。这份相似不是巧合,是结构眼光的通用性。
这条线在这一幕落第三笔:第一笔看见线,第二笔看见横竖不能换,这一笔看见换一块布花样还在。再往下一幕,他要看看这层花样究竟住在哪儿——住在对象里,还是住在人的讲法里。
下一页,第三幕的交错:三股线怎么并成一股。
到这一幕,三股线都露了头。数论那股:素数、剩余、互反律——交换的世界,一切答案可以按剩余类列成表。拓扑那股:辫子、链环、同痕——不交换的世界,答案是一串字。代数那股:群、生成元、关系——把前两股都装进同一个框的语言。
三股并成一股的地方,是「用结构记事情」这件手艺。算术把自己的难处记成群的元素,拓扑把自己的难处记成群的元素,代数提供记账的规矩。三股一并,就有了二十世纪数学最通用的一台机器:遇到算不动的对象,先找它的群。
阿廷在这台机器上的位置很特别。他不是造机器的人,也不是只用机器的人;他做的是接线:把一门学问的难处,接到另一门学问的结构上。互反律接的是数论与代数,辫子群接的是拓扑与代数。接线的手艺,比造机器更需要眼力——得先看清两边其实是一件事。
三股线的交错,给这一幕收了账:数论、拓扑、代数,从来不是三门手艺,是三种看法。下一幕,他把这套看法收到一处,去讲那门最讲对应的学问——伽罗瓦理论。
下一页,第三幕小结。
一、技艺搬上了纸。1925 年〈辫子论〉只做一件事:把编辫子写成群——交叉是生成元,接续是乘法,同痕是相等(p.20)。连续变形,从此可以算。
二、两行关系定了全部。远者交换、近者三步换位;σ1σ2 与 σ2σ1 不等,而 σ1σ2σ1 与 σ2σ1σ2 相等(p.21)。位置追踪一验就服:前者终点二三一与三一二,后者同达三二一。
三、三股辫压成一行。取 x=σ1σ2σ1、y=σ1σ2,全群只剩 x2=y3;中心是 (σ1σ2)3,走路回原位而辫子不同(p.22)。影子记不住辫子,所以要字。
四、首尾一接,辫成链环。σ1 闭合得平凡结、σ12 得霍普夫链环、σ13 得三叶结;亚历山大定理说每个链环都是某辫子的闭合(p.23)。暗线第三笔:换一块布,花样还在(p.24)。
下一幕换问题。前面两块布,织的都是对象之间的关系;下一幕要问一件更根本的事:一个对象的结构,凭什么能被另一门语言完整地描述出来。
1937 年,汉堡大学的一把教授椅子空了。阿廷在这里教了十一年,从辫子讲到互反律,把汉堡带成了德语世界最活跃的数学据点之一。这一年,他的教职被终止——理由不是学问,是家世:妻子娜塔莎有犹太血统,按当时的法例被归为「非雅利安」。一个把数学做到这个份上的人,因为婚姻被赶出了讲台。
他走了,去美国。先在圣母大学待了一年,1938 年到普林斯顿。行李里没有手稿的副本——很多留在汉堡;带走的是一套讲法:不背结论,先讲对应;不讲「这条定理多神」,讲「它和什么是同一件事」。这套讲法在德语里磨了十几年,此后要用英语重讲一遍。
战争把欧洲的数学撕成两半。哥廷根的黄金年代散了,汉堡的讨论班散了,能走的都走了。阿廷到美国时四十岁,正是数学家的盛年;他在普林斯顿讲代数、讲伽罗瓦、讲辫子,学生从各国来。战争阻断的是人的往来,阻断不了结构的通用性——同一副织法,换一块大陆照织。
本幕要做的,是把这套讲法拆开给人看。它只有一句话:结构不是描述,是对应。一个对象的全部秘密,写在它自己的对称里;把对称理清,对象就理清了。
下一页,先看这套讲法最干净的一个例子:五个域,五个群,逐格对上。
伽罗瓦的那层对应,用最小的例子讲最清楚。取两个根号一起添进去:把 √2 与 √3 都放进有理数,得到一个四次的域,记作 Q(√2,√3)。它的元素形如 a+b√2+c√3+d√6,其中 a、b、c、d 是有理数——四项系数,故次数为四。
这个域的对称有四个。可以只把 √2 换成 −√2(不动 √3);可以只把 √3 换成 −√3;可以两个都换;也可以都不换。四个动作,四个元素,凑成一个群。关键在于:每个动作都把整个域送回自己,且保持加减乘除——这就是伽罗瓦群。
现在把两边的清单并排列出来。群这一边,四个元素的群,它的子群有五个:整个群一个、只含单位一个,另加三个「两个元素的子群」。域这一边,介于有理数与 Q(√2,√3) 之间的域也是五个:先看三个能单独造出来的,Q(√2)、Q(√3)、Q(√6);加上两头,共五个。
五对五,逐格对得上,而且对得极准。只换 √2 的那个动作(与单位组成一个子群),不动的元素恰好是 Q(√3) 那一层——因为 √3 没被碰。只换 √3 的,不动的是 Q(√2)。两个都换的,不动的是 Q(√6):√2 变号、√3 变号,乘积 √6 两次变号,纹丝不动。子群越大,不动的域越小;子群越小,不动的域越大。
这就是伽罗瓦对应,一句话说完:中间域与子群一一对应,且反向——域越大,群越小。这条对应把「解方程」换成了「算群」:方程能不能用根式解,成了它的群能不能一层层拆成循环的块。五次以上一般不能,原因在群,不在方程。
阿廷的讲法,比这条对应还要干净一层。他不从方程讲起,直接从域与自同构讲起:先有域,再有它自己的对称群,对应是自然掉出来的,不必绕道方程。这一改,伽罗瓦理论从一门「解方程的技巧」,变成了一门「读结构的语法」。
第十七问题问的是一件很朴素的事。一个多项式,若在一切实数值上都取非负值,它能不能写成若干个平方之和。一元的答案早在十九世纪就有:可以。两元、三元、任意多元,十九世纪的人只能猜,猜了一百年。
先看一个具体的多项式,摸清难处在哪。取 x4y2+x2y4+1−3x2y2。它处处非负,理由是三项的几何平均:三个非负数 x4y2、x2y4、1 的乘积开三次方恰好是 x2y2,故三者之和不少于三倍的这个量。代进几组数试试:取 x=y=1 得 0;取 x=2、y=1 得 9;取 x=0.5、y=2 得 2.25。
这个多项式有个怪处。它处处非负,却写不成若干多项式的平方和——这一点要到 1967 年才被莫茨金明确指出。所以「非负」与「平方和」之间,隔着一道真实的缝。第十七问题若要有答案,答案必须跨过这道缝。
阿廷 1927 年给出的答案,跨法是把分母放开。他证明:一个处处非负的多项式,一定能写成若干个有理函数的平方和——分子分母都是多项式,平方的是整团分式。这一放,缝就补上了:多项式不够用,分式够用。一个悬了二十七年的问题,答案是「可以,但要允许除法」。
证明的路子,是绕到「序」上去。他先证一件看似无关的事:若一个多项式不能写成平方和,就能造出一个「序」,在这个序下它是负的——于是「处处非负」被推翻。反过来,处处非负就意味着在任何序下都不负,于是必是平方和。一个代数问题,被翻译成了一个关于「能不能排序」的问题。
「排序」这件事,在数系里不是天经地义。有理数能比大小,实数也能;可复数不能——i 与 0 无法定大小:无论怎么规定,都会撞上「平方非负」这条底线,i 的平方是 −1,若 i 为正则 −1 为正,若 i 为负则 −1 也为正,两头都堵死。所以复数域根本没有「大小」这回事。
阿廷与施赖尔 1932 年给出一条判据。一个域能排序,当且仅当它「形式实」:−1 不能写成若干平方之和。这一条判据把「排序」这件看似主观的事,变成了一个纯代数的检验——只需看 −1 能不能被平方和凑出来。有理数形式实(平方和非负,凑不出 −1),实数形式实,复数不形式实(i 的平方就是 −1)。
再往前走一步,是「实闭域」。形式实,且再添任何代数元素都会破坏形式实——这样的域叫实闭。实数域是实闭的典型:添进 i,立刻不形式实。实闭域有一个极好的性质:每个奇次多项式在里面必有根,每个正元素在里面必有平方根。它几乎就是实数,只是不带「完备」这一层拓扑要求。
这套语言,正好是第十七问题的钥匙。「处处非负」在代数的说法里是「在任何序下都不为负」;「写不成平方和」在代数的说法里是「存在一个序使它为负」。两个说法一碰,命题就成立了。一个关于多项式的问题,答案住在一个关于域的排序的理论里。
这套语言还有一层更广的用场。实闭域的理论可以被公理化,而公理化的实闭域理论有一套可判定的算法(塔斯基 1948 年给出)——初等代数里的一切命题,原则上都能机械判定。阿廷 1932 年那篇短文立的是地基,二十年后长成了一门学科。
暗线第四笔,落在「退场」上。一套讲法最好的时候,是人忘了讲法,只看见东西。阿廷讲伽罗瓦理论,讲到最后学生只记住那张对应图,忘了他怎样绕开方程;讲实域,讲到最后只记住一条判据,忘了排序这层比喻。织机退场,布留下。
他自己对这件事极清醒。他从不把自己的框架当成目的。互反律证完,他不停在「看这套同构多漂亮」,转身去问下一个问题;辫子群立起来,他不去经营这门新学问的声势,转身去解第十七问题。结构是工具,不是纪念碑。
这份清醒,代价是名声。他一生没有写大部头的「体系」,多数成果是几十页的论文与口传的讲义;他的书几乎都是讲课的记录,由学生整理。可二十世纪代数的通用语言,有一大块是他这样一句一句讲出来的。织机不留名,布穿着的人多。
这条线在这一幕落第四笔:前一笔说「换一块布,花样还在」;这一笔说「花样织成,织法就该收起来」。再往下一幕,是最后一笔:织机被时代拆了,纹路还在不在。
下一页,第四幕的交错:从德语到英语。
1937 年之后,他的课换了语言。在汉堡,讲义里满是德文的词;到普林斯顿,同样的内容要用英文重讲一遍。换的不只是词:德语的结构传统偏爱从一个总纲往下推,英语的课堂习惯从例子往上走。他两套都用了,结果是那本《伽罗瓦理论》——例子先行,对应在后,读起来像一门手艺的示范。
这本书的样子很能说明他的讲法。全书从「域」与「自同构」讲起,方程只作例子;每一节先给一个能算的小例,再抽成定理。学生记下的不是一串结论,是一条路:先看具体,再看结构,最后回看具体。这条路,与他在织造之城学来的手艺次序正好相反——织工先有纹样,他先有线。
转译还有一层意外的好处。结构语言天生不认国界。同一个「群」,在数论里是弗罗贝尼乌斯,在拓扑里是辫子,在代数里是自同构;换一种语言讲,反而把这三处的相通讲得更明白。战后美国代数的繁盛,有一批种子是这批移民带来的。
这一幕的交错,交出一份底色:结构可以换语言,换不掉的是对应。下一幕讲他最后二十年:回到汉堡,教出一批学生,留下三条还在长的线。
下一页,第四幕小结。
一、讲台空了。1937 年因妻子的家世被终止教职,赴美;行李里带的不是手稿,是一套讲法(p.27)。人被迫走,织法跟着走。
二、五对五,逐格对上。Q(√2,√3) 有五个中间域,克莱因四元群有五个子群;只换 √2 的子群不动 Q(√3),两个都换的不动 Q(√6)(p.28)。域越大,群越小——对应是反向的。
三、非负不等于平方和。莫茨金多项式处处非负却非多项式平方和;阿廷 1927 年证明:允许分母,就能写成有理函数的平方和(p.29)。缝是真的,跨法是放开除法。
四、钥匙是一把「序」。能排序等价于 −1 不能写成平方和;实闭域是几乎不带拓扑的实数(p.30)。暗线第四笔:布织成了,织机退场(p.31)。
下一幕收束。1958 年他回到汉堡,四年后辞世。留下的三样东西——互反律、辫子、对应——此后各自长成了大树。最后一幕看这三棵树,也看他最后那句话:数学是年轻人的事,可纹路不认年纪。
1958 年,六十岁的阿廷从普林斯顿退休,回到汉堡。这一趟回去,隔了二十一年。走的时候是被赶走的,回来的时候是请回来的;同一座城,同一所大学,椅子还是那把椅子,坐上去的人已经六十岁。他在汉堡又教了四年,直到 1962 年 12 月 20 日辞世,年六十四。
他留下的最实在的东西,是学生。在汉堡带出赞森豪斯、佐恩,在普林斯顿带出朗、泰特——这些人后来各自撑起一片:赞森豪斯做群论与算法,佐恩以那条著名的引理留名,朗写下一批被读烂了的教科书,泰特把类域论与代数几何接上,日后获阿贝尔奖。老师的纹路,在这些人的手里各长一枝。
他的课有个特点,学生都记得。黑板上写得极少,讲得极慢;一个概念要反复用不同的例子砸三遍,砸到学生自己说出口为止。他不追求把课讲完,只追求把一条线讲透。有人抱怨进度慢,他答得干脆:宁可少讲一章,不可留一处没接上的线头。
晚年的题目反而更野。他把注意力转回《几何代数》,想把线性代数与几何讲成一件事;也继续磨分析里的旧题——伽马函数、ζ 函数的初等讲法。一个把结构做到极处的人,晚年偏爱「把复杂的东西讲简单」,这是手艺人的脾气。
下一页,看他一生的最后一笔账:一个关于原根的猜想,与一个写在小数点后十二位的常数。
先弄清什么叫「原根」。取一个素数 p,看 2 的幂:2、4、8、16、32……各除以 p 取余。若这些余数能滚遍 1 到 p−1 的每一个位置,2 就叫模 p 的原根。模 11 试一遍:2、4、8、5、10、9、7、3、6、1——十个余数一个不落,故 2 是模 11 的原根。模 7 就短:2、4、1,只有三个,故不是。
阿廷 1927 年提了个猜想,问得极大胆。任取一个不是平方数、也不是 −1 的整数,让素数一个个排队过来,看其中「它是原根」的那些占多大比例。他的答案:这个比例是一个固定的常数,与整数几乎无关——约等于 0.374。一个纯算术的问题,答案是一个概率。
这个常数的算法,是一串乘出来的数。对每个素数 q,乘一个因子 1−1/(q(q−1))。拿前几个素数试:q=2 时乘 1/2,得 0.500000;再乘 5/6,得 0.416667;再乘 19/20,得 0.395833;再乘 41/42,得 0.386409。四个素数就落到 0.386,离 0.374 已经不远。
乘下去会越贴越近,只是贴得慢。乘到 97,得 0.374640,与真值 0.373956 相差不过万分之七,相对误差 0.18%。慢的理由很简单:因子 1−1/(q(q−1)) 在 q 大时几乎等于 1,每乘一个只挪一点点;要乘过成千上万个素数,才把最后那一小截补齐。这条「越乘越贴、贴得极慢」的曲线,是数论里最常见的脾气。
猜想的检验,只能靠数。取 2 作检验对象:一百以内的素数二十五个,2 是原根的有十二个,占 0.4800;一千以内一百六十八个,中六十七个,占 0.3988;一万以内一千二百二十九个,中四百七十个,占 0.3824。样本越大,比例越往 0.374 靠,只是靠得慢——与那条乘积曲线一样的脾气。
这个猜想至今未无条件证明。1967 年胡利在广义黎曼猜想成立的前提下证明了它;无条件的证明仍悬着。阿廷一生提了不止一个猜想,这一条最像他的性情:问得极简,答得极深,中间隔着一百年也未必填得满的距离。
阿廷留下的第三样东西,是一族函数。1923 年前后,他给每个伽罗瓦扩张、每个表示配了一个函数,记作 L(s,ρ):把它按素数拆成乘积,每个素数配一个因子,因子的样子由「这个素数在群里占哪个位置」决定。表示越复杂,因子越复杂;表示若取最平凡的那个,整族函数就退化成这个域自己的 ζ 函数。
拿一个能算的例子看它怎么拆。取 Q(i)——把虚数单位添进有理数。它的 ζ 函数能拆成两件:一件是普通的 ζ,一件是按「除以四余几」正负交替的级数:1−1/32+1/52−1/72+…。前者在 2 处的值是 1.644934,后者是 0.915966,两者相乘 1.506703——这就是 Q(i) 的 ζ 在 2 处的值。
拆得开,说明两件事。第一,一个域的算术(哪些素数怎么分解)被一族更简单的函数管着;第二,反过来,把这族函数吃透,就能读出域的算术。阿廷 L 函数把「互反律」从一条等式,升级成了一套字典:群里的表示,对应算术里的分布。
他留下一个猜想:这族函数都是「整」的。意思是它们在整张复平面上都规规矩矩,只有极少的例外点。平凡表示的情形早由类域论解决;一般的表示,至今只解决了低维的情形。这个猜想的分量,与黎曼猜想同量级——它们管的是同一件事:素数的分布有多规矩。
1967 年之后,这条路被人接到了更远的地方。朗兰兹提出一个庞大的对应:伽罗瓦群的表示,与另一类叫自守表示的对象,应该一一对应。阿廷的互反律,在这个框架里成了最基础的一格;阿廷 L 函数,成了这套字典里的第一批词条。一个 1927 年的定理,五十年后仍在新纲领的最底层撑着。
辫子群那篇短论文,身后长出的东西最多。第一步是表示:把辫子群里的元素,换成矩阵或置换,让别人能算。1936 年,阿廷的学生比劳给出第一个有名的表示——把 n 股辫换成 n×n 的矩阵。这一步当时只为算方便,日后成了整门学问的入口。
第二步在不变量上。1984 年,琼斯从一个特殊的代数结构里造出一个多项式,能区分许多原先分不开的结;而这个多项式恰好能从辫子群的表示算出来。亚历山大当年那条「辫子闭合得链环」的通道,这时成了计算的通道:先用辫子记链环,再用表示算辫子,最后得到结的不变量。
第三步跨出了数学。物理学里有一类准粒子,互换个位置之后状态会变,再换回来却不回原样——这叫任意子。它们的「互换」正好按辫子的规矩走:两次互换不等于没换,正是 σ1σ2 与 σ2σ1 不相等那件事。于是有人提出用量子拓扑来算:把信息编在辫子里,靠编辫子做运算,天然抗干扰。
还有一条更近的路。1990 年代之后,有人反过来用辫子群做密码:把「辫子的字」当密钥,把「判定两副辫子是否同一副」当难题。这条路后来被证明不太安全(有些情形可以快速破解),但它说明一件事:阿廷 1925 年给的那副记号,七十年后仍被人当作可以装卸零件的工具箱。
三条路的共同点,还在那副织法上。他当年做的不是解一道题,是造一副能反复用的记号。记号造对了,后人拿它做什么,造的人管不着,也不必管。这是「结构」这一行手艺最实在的红利:一次织成,处处能裁。
暗线最后一笔,落在「拆」与「留」之间。他一生被拆过两次:一次是 1937 年被拆掉讲台,一次是 1962 年生命被拆掉。织机都拆了,线还在——互反律在类域论里,辫子在纽结理论里,对应在每一本代数课本里。
「线还在」这件事,有它具体的形状。不是纪念碑式的留存,是零件式的留存:后人不必知道阿廷是谁,也会用到辫子群的两条关系;不必读过他的讲义,也会用「域与子群一一对应」这张图。真正织进结构里的东西,会失去作者的名字,成为公共的工具。
这也是本册暗线的收束。第一笔看见线,第二笔看见横竖不能换,第三笔看见换一块布花样还在,第四笔看见织机该退场;这最后一笔看见:机器拆了,纹路还穿在人身上。结构之织,织到最后不是一块布,是一套能传下去的手艺。
留一句他自己的话作结,大意是:数学是年轻人的游戏——不是年轻人比老人聪明,是这件事要的是整块的年月与整块的胆气。他说这话时已经六十岁,讲台被拆过一次,学生散在两国。话里没有怨气,只有手艺人对自己这行的实情。
把阿廷的三样东西排成一条线,会看见同一种走法。散线、辫、环——三个状态,其实是一件事的三段:先把线认出来(对象),再给线定规矩(结构),最后把线接起来(应用)。
第一段在算术里。对象是素数,规矩是「除以几余几」,接起来是互反律:一个素数的身份,由它落在哪个类决定。散乱的素数,被一条剩余类的规矩收拢成表。
第二段在拓扑里。对象是辫子,规矩是两条关系,接起来是链环:一组辫子的字,闭合成一个结。乱的线,被一串字收拢成群。
第三段在代数里。对象是域,规矩是自同构群,接起来是那张对应图:中间域与子群逐格相对。看不见的对称,被一张图收拢成可以查的表。
三段合起来,是本册要说的那句话。数学的进步,一大半不是「又证了一条」,是「又找到一种收拢散乱的办法」。阿廷一生的三样工作,都是这种进步:他没有增加多少条定理,他让许多条定理有了同一副架子。架子搭对了,后来的定理自己往上长。
一、回汉堡,交学生。1958 年归国,1962 年 12 月 20 日辞世;赞森豪斯、佐恩、朗、泰特各撑一片(p.34)。他留下的最实在的东西,是人。
二、原根猜想与一个常数。2 是模 11 的原根(十位滚遍)、不是模 7 的原根(只三位);密度猜想的常数为 0.373956,乘积到 97 已得 0.374640,实算一万以内素数 470/1229=0.3824(p.35)。问得极简,答得极深。
三、L 函数把 ζ 拆开。Q(i) 的 ζ 拆成 ζ 与一个交替级数,2 处相乘 1.644934×0.915966=1.506703(p.36)。一个域的算术,被一族更简单的函数管着。
四、辫子长成了三棵树。比劳表示、琼斯多项式、任意子与拓扑量子计算——1925 年的记号,七十年后仍在被装卸(p.37)。暗线最后一笔:织机拆了,线还在(p.38)。
五幕到此收束。下面是年表、回望、动手做与小典;最后一页是版权。读完这一册,若能记住一句话,那就是:数学里最耐用的东西,不是定理,是织法。
把一生的节点排成一行。
1898 3 月 3 日生于维也纳;父古斯塔夫经营艺术品生意
1900 年前后 随家迁波希米亚赖兴贝格(今利贝雷茨)
1916 入莱比锡大学,从赫格洛茨学数论与分析
1921 莱比锡博士(有限域上二次函数域的 ζ 函数)
1923 哥廷根私俸讲师,与诺特、哈塞往来
1925 〈辫子论〉刊于汉堡大学数学讨论班文集第四卷
六行之外,补盛年与他乡:
1926 任汉堡大学正教授(二十八岁)
1927 证明一般互反律;解希尔伯特第 17 问题;提出原根猜想
1929 与娜塔莎·亚斯尼成婚
1932 与施赖尔合著〈实闭域的一个刻画〉;与诺特、哈塞合著代数主定理
1934 长子迈克尔生(后为代数几何学家)
1937 教职被终止,赴美国圣母大学
1938 转普林斯顿大学
1942 圣母大学讲授伽罗瓦理论
1944 《伽罗瓦理论》初版
1957 《几何代数》初版
1958 返汉堡大学任教
1962 12 月 20 日于汉堡辞世(年六十四)
三样明线,各有一页压舱。第一样,类域论(p.14—p.16):幂剩余把身份分成三份,弗罗贝尼乌斯把素数安进群里,局部—整体把答案先拆后拼——1927 年一般互反律在这里封顶。
第二样,辫群(p.21—p.23):两条关系定全部,三股辫压成 x2=y3,首尾一接成链环——拓扑里最难下手的连续变形,被一串字接住。
第三样,结构(p.28—p.30):五域对五群逐格相应,非负与平方和之间那道缝靠分母补上,实闭域把「排序」变成一条代数判据。
三段接线,是本册的另一半。互反律接数论与代数(p.18);辫子群接拓扑与代数(p.25);伽罗瓦对应接域与群(p.28)。三次接线,同一副眼力:先看清两边其实是一件事。
暗线一件,五笔连成一体。看见线(p.10)、横竖不能换(p.17)、换一块布花样还在(p.24)、织机该退场(p.31)、机器拆了线还在(p.38)——五笔连起来,正是结构之织从起手到收针的全程。
一句话收束:本册讲的不是一个人证了多少定理,而是一个人怎样把散落的结论织成结构,又怎样让结构退到幕后,只留下能传下去的手艺。
五幕合起来,是这样一句账:一个在织造之城长大的孩子,先学会了看纹样;他在课堂里认出了算术的乱与齐,用十年把「互相回话」的换算推成一条同构;他把编辫子的手艺写成一副能算的记号,让连续变形有了账本;他把域与群排成一张对应的图,让结构成了可以教的语法;时代拆了他的讲台,纹路却穿在别人身上,一直穿到今天。
这句话里藏着本册的写法。五幕各有一笔暗线:看见线、横竖不能换、换布花样还在、织机退场、机器拆了线还在。明线在纸面上算账,暗线在纸面下说这账凭什么算得成。两线合一,就是结构之织。
给读者留一句话。学数学最容易犯的错,是把定理当成果实去捡;其实定理是线,捡一筐线也缝不成衣裳。真正的本事是认出织法:哪根竖着绷、哪根横着穿、哪里该松、哪里该紧。认出了织法,别人的定理用得上,自己的问题拆得开。
器材:纸、笔、一把小算盘或计算器(只需除法与余数)。目标:亲手复现 p.7 的四张平方表,再拼出 p.8 的互反表。
任务一:把模 7 的平方表算干净。取 1 到 6,各平方再除以 7 取余:1、4、2、2、4、1。落到的位置是 1、2、4。注意 2 与 5 的平方都是 4,3 与 4 的平方都是 2——对称来自「x 与 7−x 同平方」,所以只需算前三个。
任务二:验「恰好一半」。模 5 得 2 个剩余、模 7 得 3 个、模 11 得 5 个、模 13 得 6 个,都等于 (p−1)/2。再数一数非剩余,两者相加恰是 p−1。若某张表数出别的数目,回查是否漏算了某个平方。
任务三:拼互反表。把 3、5、7、11、13 两两配对,逐格填「是剩余(+)」或「不是(−)」。填完核对四格:(3│7)为 −、(7│3)为 +;(5│7)为 −、(7│5)为 −;(11│13)为 −、(13│11)为 −;(3│11)为 +、(11│3)为 −。
收尾一笔账。看每对的两个符号:两个素数都除以 4 余 3 的,符号相反;只要有一个余 1 的,符号相同。这就是二次互反律的全部内容——一个只需除法的规律,管住了两两相问的整张表。阿廷后来做的,是把「余 3 还是余 1」这层规矩,推广到「余几」都行。
器材:三根不同颜色的毛线(或三支笔),纸与笔。目标:亲手验 p.21 的两条关系,再验 p.22 的「全拧」。
任务一:编一副辫子。三根线并排,左压中、右压中、左压中——三次交叉,编成一副。记住每次交叉只动相邻两根:左压中记 σ1,中压左记 σ1 的逆,右压中记 σ2。手上编,纸上记字:σ1σ2σ1。
任务二:换一次次序。拆开,改成右压中、左压中、右压中——记作 σ2σ1σ2。把两副辫子并排提起看:三根线的上下位置完全一样(都颠倒了),交叉的顺序却相反。手上看得出来,纸上更清楚:逐格记位置,两串字都走到「三二一」。
任务三:只走两步,看差别。先 σ1 后 σ2,三个位置站的是「二三一」;先 σ2 后 σ1,站的是「三一二」。两副辫子不同——这就是辫子群不交换的地方,一句话:左压中与中压左,换不得。
任务四:验「全拧」。把「左压中、右压中」这一对动作连做三遍,写成 (σ1σ2)3。提起三根线看:位置回到原样,可三根线各自绕了一圈,谁也解不开。位置追踪也是三步回原位:一二三、二三一、三一二、一二三。位置回到原样而辫子不同——这就是为什么判定辫子不能只看位置,必须看字。
平方剩余 同余式 x2 ≡ a (mod p) 有解时称 a 为平方剩余;否则为(a│p)=−1(p.7)。
勒让德符号(a│p) 取 ±1 的身份记号,乘性:两数之积的符号等于两符号之积(p.8)。
二次互反律 (p│q)(q│p)=(−1)((p−1)/2)((q−1)/2);两个素数均 ≡ 3 (mod 4) 时符号翻转(p.8)。
幂剩余符号 把「平方」换成「n 次方」,符号取值于 n 次单位根(p.14)。
弗罗贝尼乌斯元素 σp 素数在伽罗瓦群里的位置:ζ 换成 ζp,只依赖 p 的剩余类(p.15)。
类域论 数域的交换扩张由其乘法群(伊代尔类群)完全描述的理论;互反律为其主定理(p.13、p.18)。
p 进数 Qp 以「被 p 的高次幂整除」为「近」的数系,与实数并列为有理数的两种完备化(p.16)。
亨泽尔引理 模 p 的单根可以一位一位提升为 p 进根(p.16)。
辫子群 Bn n 根线的同痕类在接续下成的群;生成元 σi,两条关系(p.21)。
闭辫 辫子上下端相接所得的链环;亚历山大定理称每个链环都是某辫子的闭辫(p.23)。
伽罗瓦对应 中间域与子群一一对应,且反向:域越大,群越小(p.28)。
形式实域 −1 不能写成平方和的域;可序等价于形式实;无真代数扩张者称实闭(p.30)。
阿廷 L 函数 ∏ det(1−ρ(σp)p−s)−1;平凡表示退化为戴德金 ζ(p.36)。
原根 模 p 的阶为 p−1 的整数;其素数密度猜想为 0.373956(p.35)。
高木贞治(1875—1960) 日本数学家;1920 年证明类域论的存在定理,为此后一切互反律工作立下框架;1932 年获首届菲尔兹奖提名之列(后由他人获奖,其为当时东亚数学的代表人物)(p.13)。
哈塞(1898—1979) 德国数学家,与阿廷同岁;建立局部类域论,提出局部-整体原则(以姓氏命名);1932 年与阿廷、诺特合著代数主定理(p.16、p.18)。
诺特(1882—1935) 德国数学家,把代数从计算改造成结构;哥廷根时期与阿廷往来密切,1933 年去国,1935 年于美国辞世(p.9、p.18)。
亨泽尔(1861—1941) 德国数学家,p 进数的创立者;其引理为局部算术的基本工具(p.16)。
亚历山大(1888—1971) 美国拓扑学家;1923 年证明每个链环可表为闭辫,为辫群与纽结理论的接榫(p.23)。
琼斯(1952—2020) 新西兰数学家;1984 年构造琼斯多项式,1990 年获菲尔兹奖;其不变量可由辫群表示算出(p.37)。
基本文献 阿廷〈辫子论〉(1925)、〈一般互反律的证明〉(1927)、〈论确定函数分解为平方和〉(1927)、与施赖尔〈实闭域的一个刻画〉(1932)、《伽罗瓦理论》(1944)、《几何代数》(1957);身后《数学分析文集》(1965,爱丁顿编)。研究文献:马格努斯-卡拉斯-索利特《组合群论》;卡塞尔-弗勒利希《代数数论》;朗《代数》。
互反律封了顶,可顶上有顶。阿廷解决的是「交换」的情形:扩张的对称群是交换群。不交换的扩张没有现成答案,这一问成了二十世纪后半叶数论的主线。后来的人换了套语言——不直接问群,问群在别的东西上怎么作用。
1967 年,朗兰兹给韦伊写了一封信,提出一个庞大的猜测。大意是:伽罗瓦群的表示,与另一类叫自守表示的对象,应该一一对应;L 函数是两边共用的账本,一边算得出的,另一边也该算得出。阿廷的互反律,在这个框架里成了最基础的一格;阿廷 L 函数,成了这套字典的第一批词条。
这条路走了五十多年,成绩与缺口都很大。二维的情形大体落定,高维只解决零星几类;整个纲领仍是一座没盖完的楼。可它已经把数论、表示论、代数几何三门学问织成了一张布——用的还是阿廷那套手法:找一个对应,让两边互相回话。
另一道更老的题还悬着。希尔伯特第十二问,源自克罗内克的「青春之梦」:能否用特殊函数的值,造出所有交换扩张。虚二次域的情形有漂亮答案(靠椭圆曲线的复乘),一般情形至今没有。阿廷 1927 年把第九问收了尾,第十二问仍在等人。
这一页的意思,不是「还有难题」这句废话,是:结构之织从来没有织完的一天。每织成一块,就露出下一块的经纬;织的人换了一代又一代,织法越用越熟。阿廷那一代把「对应」立成了手艺,后面的人接着用,接着织。
阿廷常数。0.373956 这个数有个古怪的脾气:它既是「原根素数占多少」的猜想值,也是一个纯乘积的极限。把因子 1−1/(q(q−1)) 按素数连乘,q 取到 2 得 0.5,取到 7 得 0.386,取到 97 得 0.3746——越往后每乘一个只挪万分之几。这种「极慢的收敛」是数论里最常见的失望,也是最常见的诚实:答案在那里,只是要乘很久。
与孪生素数常数对照。孪生素数的猜想密度是 0.6602,也是一个连乘积,也收敛得极慢。两个常数一左一右,同一种脾气:素数分布的一切「密度」,几乎都是无穷乘积,都是「前几步跑得快、后面磨得久」的曲线。阿廷常数不是特例,是这类常数的一个样本。
一副记号的寿命。辫子群 Bn 的字问题(两串字是否同一副辫子)在 1925 年只是定义,1969 年由加西德给出可算的正规形,此后的算法一路改进到今天。一副好记号的标准,是它经得起反复重写:每过几十年,就有人回来把它擦亮一次。
回头看一眼第一幕。p.7 那张平方表只用除法,p.8 那条换算只用「除以四余几」,p.35 那个常数只用乘法。本册最深的定理与最浅的算术,用的是同一套动作。这不是巧合,是数学的脾气:深的东西往往不复杂,只是要有人肯从头算起。
本册的三层各有入口。小学低年级:只读故事页,配 p.45 的编辫子——三根毛线就能玩,「编三下再换一次次序,为什么不一样」一上手就是一道趣题;p.3 的织机、p.4 的经纬也可以当手工讲:一张纸剪成条,横竖一编,就是布。
小学高年级到初中:加读 p.7—p.8 与 p.44 的实算。平方表只用乘法与取余,家长可以陪孩子一格一格填;填到「落到的恰好一半」,孩子通常会自己发现「x 与 7−x 平方相同」这条对称——那是全册最亮的手感时刻。p.35 的 2、4、8、5、10、9、7、3、6、1 也只用除法。
高中及以上:全册可读。p.14—p.16 的幂剩余与 p 进提升、p.21—p.23 的辫群关系、p.28 的伽罗瓦对应、p.29—p.30 的实域,是大学代数与数论两门课的完整预告;注疏层的文献路径可供检索。
三处提示给家长。其一,本册的主角是「结构」这个词,孩子若觉得抽象,最好的入手不是定义,是 p.28 那张五对五的表:把五个域与五个群并排写,一一连线,孩子立刻懂什么叫「对应」。其二,p.27 那段历史要讲得克制:不渲染苦难,只讲事实——一个人的教职因为妻子的家世被终止,他去了另一个国家,二十一年后回来。其三,本册与同辑讲解析数论的那一册可以对读:那一册求「定理有多深」,本册求「定理属于哪副架子」——深度与结构,是数学的两条腿。
误区一:「类域论是阿廷一个人做的。」不是。高木贞治 1920 年给出存在定理,哈塞 1926—1930 年建立局部理论,阿廷 1927 年补上互反律这一环(p.13、p.16、p.18)。三个人各织一段,阿廷织的是最后那道绞口——最紧,也最短。
误区二:「辫子群是拓扑学家的玩具。」它是纽结不变量的计算入口(琼斯多项式可由辫群表示算出),也是拓扑量子计算里「任意子」互换的数学模型(p.37)。一门 1925 年的抽象记号,如今出现在量子计算的方案里。
误区三:「希尔伯特第 17 问题的答案是『非负多项式可写成多项式平方和』。」差一层:阿廷证明的是有理函数的平方和,分母不能省。莫茨金 1967 年给出的例子处处非负,却不是多项式的平方和(p.29)。「差一个分母」看似小事,正是这道题悬了二十七年的原因。
误区四:「原根猜想已经证明了。」只在广义黎曼猜想成立的前提下被证明(胡利 1967),无条件的情形仍开着(p.35)。「在某个大猜想下成立」与「成立」之间,隔着一整个猜想。
误区五:「阿廷是自己离开德国的。」不是自愿:1937 年因妻子的家世被终止教职,才赴美;1958 年受聘返汉堡,1962 年病逝于汉堡(p.27、p.34)。把因果说清,是对那一代人的基本尊重。
《数学家的故事》第五辑 第 47 册
阿廷 · 结构之织
体例:五幕 · 52 页 · 三层可读(故事/数学/注疏)
插画:40 幅(留白线体)
数值:全册关键数值实算复核
本册为「格物致知」系列数学通识读物之一,面向全龄读者。
故事层无需预备知识;数学层对应高中至大学初年级;注疏层供检索与延伸。
格式 · 格物致知 · JUST FOR FUN