|
|

楼主 |
发表于 2026-9-25 01:46
|
显示全部楼层
冲破迷雾,破解百年难题
完成波动动理学方程相关工作之后,邓煜与哈尼意识到这套全新方法拥有冲击另一个世纪难题的潜力,二人决定私下开启秘密研究。这道难题,便是广为人知的希尔伯特第六问题。
1900 年,大卫·希尔伯特在巴黎第二届国际数学家大会上提出著名的 23 个希尔伯特问题。第六问题是整套问题中,唯一横跨纯粹数学、数学物理与理论物理基础的重大议题。其核心是:如何从微观的原子分子运动出发,通过严格的数学推导,得到宏观的流体力学方程。
彼时玻尔兹曼气体动理论问世约三十年,量子力学尚未诞生,物理学正处在经典理论巅峰时期,原子论依旧充满争议。希尔伯特借鉴欧氏几何公理化思想,希望将物理学建立在严密的公理体系之上。他明确将概率论、力学列为首要研究方向:“物理学公理的数学处理……用公理化方法,对当下数学已经发挥重要作用的各门物理学科展开研究;居于首位的,是概率论与力学理论。”针对力学理论,希尔伯特特别写道:“玻尔兹曼关于力学原理的工作引出一个问题:以严格数学方式建立文中仅简略提及的极限过程,借此从原子论视角导出连续介质运动定律。”
1900 年希尔伯特发表演讲之时,量子物理学尚处于萌芽阶段。直至三十年后,玻尔兹曼动理学理论被推广至量子粒子(玻色子、费米子)以及波相互作用体系。相关研究标志统计物理全新分支诞生:波动动理学理论,如今也常被称作波湍流理论。
学界主流研究的狭义希尔伯特第六问题,目标是搭建三层严格数学链条:微观(牛顿多粒子动力学)→ 介观(玻尔兹曼动理学方程)→ 宏观(流体方程:欧拉方程、纳维-斯托克斯方程)。简单来说,在波湍流理论框架之下,遵循牛顿定律的粒子被替换为满足薛定谔方程(或其他色散方程)的波;粒子之间的碰撞相互作用,替换为波与波之间的非线性相互作用。研究者试图从这类微观系统出发,推导出对应的动理学方程,也就是波动动理学方程。
通俗地说,我们每天都能看到风吹过树梢、水从指尖流过,物理学家也能用方程近似描述这种现象。但你能否从一个个看不见的原子分子出发,一步不跳、一个漏洞不留地证明:这些微观粒子的随机碰撞,最终必然涌现为我们熟悉的宏观流体运动?
狭义希尔伯特第六问题目标搭建的三层数学链条
1975 年,奥斯卡·兰福德(Oscar Lanford)取得历史性突破。他严格证明:在玻尔兹曼-格拉德极限条件下,低密度硬球粒子系统能够在有限短时区间收敛至玻尔兹曼方程。玻尔兹曼–格拉德极限条件由哈罗德·格拉德(Harold Grad)1949 年提出,是从微观多粒子牛顿动力学严格推导玻尔兹曼方程的标准渐近标度框架:考虑 d 维硬球粒子系统,N 为粒子总数,r 为硬球直径,玻尔兹曼-格拉德极限条件指的是 N→∞ ,r→0 ,Nr^(d-1) 同时保持为正常数。
兰福德依靠有限阶级数展开,仅仅能够控制极短时间;时间一旦拉长,各类碰撞组合数量指数爆炸,环路关联持续累积,误差无法压制,整套证明体系失效。这便是困扰学界长达半个世纪的“短时壁垒”。想要完成长时间推导,必须严格证明:在玻尔兹曼–格拉德极限条件下,所有环状再碰撞对整体演化的总贡献趋于 0 ,仅树形碰撞主导动理学演化。
为了突破“短时间”的局限,邓煜开启与普林斯顿同门马骁的合作。马骁 2014 年考入中国科学技术大学少年班,2018 年进入普林斯顿大学攻读博士,是邓煜的同门师弟。早年二人虽有碰面,却并未合作开展研究。2022 年 12 月,在纽约举行的一场国际学术会议上,马骁向邓煜提出极具启发性的问题:“你们处理波动系统的这套分析工具,能否迁移运用到经典粒子硬球系统,攻克玻尔兹曼方程长时间推导难题?”一番深入交流后,邓煜意识到马骁广博的跨领域视野,能够补足团队短板。2023 年 4 月,邓煜正式邀请马骁加入团队,携手攻关狭义希尔伯特第六问题。
邓煜联合哈尼、马骁另辟蹊径,搭建全新分析框架。他们引入累积量作为标尺,以此度量多粒子之间纠缠关联的强弱,区分“独立随机噪声”与“碰撞产生的真实历史关联”,建立长时间尺度上的累积量演化方程。整个证明的核心目标转化为:论证在任意长时间区间之内,累积量始终保持足够小。他们将海量粒子碰撞历史抽象为组合图结构,严格划分两大类:树形结构(无闭合环路,粒子仅发生初次碰撞,对应玻尔兹曼方程主项)与含环结构(存在再碰撞闭环,是破坏混沌传播的误差来源)。所有动理学演化贡献,全部转化为对这类图形的积分估算。
这里运用的图结构分析属于组合数学范畴。这件事令邓煜倍感亲切:童年钻研围棋(组合逻辑最丰富的棋类)、征战数学奥赛(核心考点便是组合)、少年痴迷格律诗词(有限文字组合衍生无穷意蕴),如今他的研究完美串联起过往所有热爱,成为内心安稳的归宿。
整套证明最核心的突破,是精细的切割算法(Cutting Algorithm)。团队设计系统性图形分解规则,可以把任意复杂含环碰撞图拆解为基础单元。结合几何分析,发现一组核心竞争关系:一方面,时间不断推移,碰撞图谱组合数量指数上涨,存在发散风险;另一方面,粒子想要发生再次碰撞,必须同时满足极为严苛的位置、速度几何约束,产生几何体积衰减效应。切割算法能够逐层拆分环路,提取每一个闭环自带的微小衰减因子。最终严格证明:即便环路数量众多,全部环状结构贡献叠加之后依旧属于高阶小量,在玻尔兹曼–格拉德极限下收敛至零。
“你和合作者构思切割算法的关键灵感诞生于何时?”邓煜回答:“切割算法是我们此前波湍流工作搭建的一般证明框架中的关键步骤。同类思路最早可以追溯至 2021 年波动动理学方程的研究,但是玻尔兹曼情形下的算法复杂程度大幅提升。其中几个核心关键点,大致是 2023 年底至 2024 年初陆续找到。”
另一项重要技巧是时间分层迭代论证:不再一次性处理全程演化,而是将长时间区间分层切割。在每一层区间之内控制累积量增长,证明微小误差不会逐层叠加爆炸,混沌传播性质能够持续向前推进。最终得到结论:只要玻尔兹曼方程存在光滑经典解,则在该解完整存在的全部时间区间内,微观硬球系统收敛于玻尔兹曼方程。
我向邓煜请教:“希尔伯特第六问题跨越 125 年,普通人很难理解,你能否用通俗的语言描述你们搭建起一座怎样的桥梁?”他答道:“我们的工作,在一定意义上建立起从‘微观粒子相互作用’到‘宏观流体运动方程’之间数学层面的联系,也是一种还原论视角。”
邓煜回忆攻坚阶段,常常大量饮用功能饮料,几乎足不出户完善推导细节。一次回深圳探望父母,与家人闲谈之时,他脑中突然闪过推导新思路。母亲说:“只要出现这种状态,我们会立刻停止交谈,他已经完全沉浸在数学世界中。”
科研压力大的时候,邓煜会看动画、阅读小说调剂生活。我好奇地问他:“你是什么时候开始接触动漫,这类作品最吸引你的地方是什么?”“大概是大三时吧。这些作品最吸引人的地方大概是能通过阅读体验自己无缘亲身经历的生活吧。”
谈及数年合作研究里,他与哈尼、马骁如何分工协作,邓煜说道:“整体框架层面存在分工,但核心论证更多依靠共同交流研讨。如此复杂的算法,没有任何步骤一经提出便可直接解决问题,方案在持续讨论中不断完善。即便是主体证明定型之后,通过后续交流,我们又完成两处重大简化。”
2024 年 8 月论文的首版发布(后经修订增至近 200 页),跨越一个多世纪的漫长等待,邓煜与合作者冲破长久阻滞学界的理论藩篱,完成具有里程碑意义的重大突破。他们证明了只要玻尔兹曼方程在某时间段存在光滑解,硬球粒子系统的统计分布将在该时段收敛至玻尔兹曼方程的解。依托前述基础,研究团队借助流体力学渐近极限分析,由玻尔兹曼方程完成到可压缩欧拉方程、不可压缩纳维-斯托克斯方程的严格数学推导。
成果一出,在国际数学物理圈激起千层浪。长久以来学界普遍认为长时间情形的突破尚有十年以上距离,同行感慨这项突破来得超乎预期。但论文篇幅浩大,两百多页的复杂证明需要专家投入大量时间细读核验。在检验过程中,中国和法国数学家表现了极大的热情。
2025 年春节期间,在田刚院士的建议和支持下,北京国际数学研究中心王振富等老师开始筹办“动理学理论最新进展与希尔伯特第六问题”专题研讨会。2025 年 3 月的会上,邓煜和马骁分别作了 6 小时和 4 小时报告,系统阐述了证明的整体框架、核心思想和关键技术;这也是该成果公布后,学界最早聚焦邓煜团队突破性工作并邀请他们主讲专题研讨会。
2025 年 3 月,邓煜在北京国际数学研究中心讲学 6 个小时,系统阐述了其突破性成果
在北京国际数学研究中心讲课间隙,马骁和听众进行讨论
2025 年暑期,北京国际数学研究中心又组织了专题学习讨论班,对这篇近两百页的论文进行持续研读、核验和讨论,邓煜本人也再次来到北京国际数学研究中心作进一步讲解,使讨论班的学者们进一步理解了邓煜文章的创新之处。这一系列安排既体现了北京国际数学研究中心对重大原创成果的及时判断和高度重视,也对国内学界深入理解这一突破性工作起到了推动作用。
法国在动理学方程研究领域拥有全球顶尖的学术流派,常被业界称作法国动理学学派。该学派已产出两位菲尔兹奖得主,即皮埃尔-路易·利翁斯(Pierre-Louis Lions,1994 年获奖)和他的学生塞德里克·维拉尼(Cédric Villani,2010 年获奖)。法国动理学学派当前最活跃的学者之一、法国数学会现任主席加拉格尔(Isabelle Gallagher)坦言,初见邓煜成果之时,她完全无法理清整套证明思路。为推动学界理解这项突破,他们邀请邓煜专程飞往巴黎向当地学者逐条推演、讲解证明。
2025 年 5 月 16 日至 21 日,邓煜受邀前往法国索邦大学主讲第十届雅克-路易·利翁斯讲座。邓煜带来了一小时特邀报告“希尔伯特第六问题:粒子与波”,并开设三次短课程,围绕如何从微观粒子与波动系统出发,建立动理学方程的严格理论展开详细的分享。雅克-路易·利翁斯是享誉全球的偏微分方程泰斗,曾出任国际数学联盟主席、法国科学院院长,在法国乃至整个欧洲科学界拥有深远影响。他也是 1994 年菲尔兹奖得主小利翁斯的父亲。
接受媒体采访时,加拉格尔由衷赞叹:“他真心希望所有人理解这项成果。整整一周的讲解全程,他没有翻阅一页笔记,长达两百页的繁复推导,全部熟记于心。”
“长达近两百页的证明,推演过程中是否经历长期思路停滞?如何调整状态持续攻坚多年悬而未决的难题?”邓煜的回答是:“进展比预想顺利。一方面,拥有波湍流研究奠定的基础,我们从未怀疑整套方法具备的可行性;另一方面,遭遇具体困难时,合作者之间的讨论总能催生新思路。比如切割算法中将多层化归二层的步骤,最早由马骁提出;后续针对第一类 Toy Model 的关键估计,则是某天我和哈尼交流后灵光乍现想到的。当然这些想法后续都经过多次讨论才最终完善。”
邓煜作雅克 - 路易 · 利翁斯讲座的海报
当被问及团队创立的切割算法、累积量传播等全新分析工具,未来能否推广到其它偏微分方程问题时,邓煜答道:“我希望这套组合估计方法与相关技术,可以运用在一般偏微分方程中的‘临界问题’上,尤其是量子场论、随机偏微分方程,以及和重整化群相关的课题。”
论文问世数月之后,整个数学界才慢慢读懂这套体量庞大、逻辑繁复的论证。经过评审专家的严格审查,2025 年 10 月底,邓煜和合作者的论文被《数学年刊》正式接收。这项成果推动狭义希尔伯特第六问题取得里程碑式进展,同时也是邓煜斩获菲尔兹奖最重要的成就。
我问邓煜:“当前国内偏微分方程、动理学理论方向发展迅速。站在你的视角,有志进入这些领域的青年学生,需要夯实哪些基础?”他回答:“偏微分方程与概率论必不可少,与此同时,组合数学发挥的作用不容小觑。”
凭借一系列突破性成果,邓煜收获多项重量级国际学术荣誉。2025 年 11 月,他因“在分析与应用数学领域取得的杰出成就”,斩获奥伯沃尔法赫奖;同年 11 月,美国数学会宣布授予邓煜 2026 年度伦纳德·艾森巴德数学物理奖,表彰他在波动与动理学方程的理论构建、严格推导方面取得的突破性贡献。2026 年 4 月,克雷数学研究所将克雷研究奖颁给邓煜与哈尼,表彰二人“从硬球粒子系统出发,实现长时间尺度下玻尔兹曼方程的卓越推导”。在学界眼中,克雷研究奖历来是菲尔兹奖最为重要的风向标之一。
邓煜和扎赫尔 · 哈尼共同荣获 2026 年克雷研究奖
现阶段团队完成的证明,局限于硬球模型、玻尔兹曼-格拉德极限与稀薄气体的理论框架之中。当被问及“下一步,相关研究能否拓展至长程相互作用、稠密气体体系?”他答道:“长程相互作用问题更多属于技术性难题,挑战同样巨大;而稠密气体体系,人类当下掌握的理论工具依旧十分有限。我们计划先从若干简易模型切入,尝试厘清问题的核心症结。总的来说,稠密气体方向还有漫长的道路要走。”
邓煜是一位原创力极强的数学家,斩获菲尔兹奖只是他数学道路上的一个起点。似乎是呼应这一判断,本文初稿刚刚完成,我便收到孙鑫的来信:“邓煜与申皓开启了临界随机偏微分方程的新篇章。”
据孙鑫介绍,2026 年 7 月,距离国际数学家大会开幕不足两周,邓煜与申皓公布了四维连续安德森模型的新成果。这项工作的研究对象,从邓煜此前深耕的弱非线性波、稀薄气体,转向白噪声驱动的随机方程。但这三类问题背后存在同一个核心数学难点:想要得到正确的极限结果,不能仅计算有限固定阶数,还必须对随极限参数不断增长的高阶图展开加以控制。
在波动动理学的相关研究里,邓煜及其合作者将展开推进至对数幂阶,从数量激增的费曼图中甄别出“坏图”,找寻其中的抵消关系,再借助组合算法对剩余部分完成估计。而在由硬球动力学推导玻尔兹曼方程的研究中,他们采用分层部分时间展开,将纷繁复杂的碰撞历史整理为一类名为分子图(molecule)的组合对象。两项工作的具体技术路径各不相同,却贯穿着同一种研究思路:真正需要做估计的,常常并非单个独立的费曼图,而是一整批具备共同结构的图族。
邓煜与申皓采用并发展了适配该问题的 Hepp 树多尺度分析方法:将空间点在不同尺度下的聚集关系记录为树结构,再把这套尺度结构与全部排列的求和过程相结合。二人发现一项关键的补偿效应:在尺度求和中,对数损失越大的图,所允许的排列数目就越少;而排列数目丰富的图,又能够规避对应的对数损失。正是这种分析与组合结构之间的精妙制衡,使得阶乘量级的复杂程度首次实现可求和。基于该结论,他们证明,在小参数条件下,重整化格林函数的归一化涨落收敛到一个协方差显式已知的高斯随机场,并且该极限结果不依赖白噪声的磨光方式。孙鑫指出:“这是首个针对需要无穷多重整化项的临界随机偏微分方程得到完整收敛结论的工作。”
从动理学问题到临界随机偏微分方程,邓煜不断跨越领域边界,以创新的思想探究不同体系背后共通的数学本质。重重难关依旧待解,其开创的研究路径,将指引后续更多探索。
复盘竞赛,细品数学成长路
最后,我想谈谈和本文主人公紧密相关的话题:奥数竞赛。2026 年,上海举办第 67 届国际数学奥林匹克竞赛,中国队主场大捷,六名队员全员夺金,斩获团体总分第一名,队内三人取得满分。这份亮眼战绩,再度引发学界关于奥数价值、竞赛人才长远发展的讨论。
回望过去三十年国际数学界发展轨迹,大众对于奥数竞赛的看法,始终在神化与全盘否定之间反复摇摆。有人将奥数神化为通往数学巅峰的必经之路,也有人全盘否定竞赛价值,认为绝大多数竞赛选手最终远离学术。真实的学术图景,远比两类极端偏见复杂立体。
四十余年来,全球共有十多位拥有 IMO 竞赛经历的学者斩获菲尔兹奖,拿下金牌者包括佩雷尔曼(1982 年)、斯米尔诺夫(1986、1987)、陶哲轩(1988)、吴宝珠(1988、1989)、米尔扎哈尼(1994、1995)、阿维拉(1995)、舒尔茨(2005、2006、2007)、邓煜(2006)、齐默曼(2003、2004)。这些名字印证:奥数竞赛是天才少年触摸数学前沿、拓宽学术视野的优质试炼场。与此同时,奥数从来不是登顶数学殿堂的唯一通道。2026 年与邓煜一同斩获菲尔兹奖的王虹,从未参与国际数学奥林匹克竞赛,仅凭踏实深耕、潜心钻研站上世界数学之巅。
当被问及“奥数训练塑造了你哪些思维习惯,如何影响后续数学科研?”邓煜回答道:“主要体现在思维方式层面。此外,我对组合技术的亲切感与偏好,一定程度上也受到竞赛熏陶。”
继续追问:“竞赛解题与前沿数学研究最大区别是什么?”他答道:“二者底层逻辑其实相近,从人工智能的发展路径中便能窥见端倪。核心区别在于‘探索’的心态。小学生郊游,和深入无人荒野的科考探险,对人而言终究截然不同。”
长久以来流传一种观点:大量竞赛选手最终不再从事数学研究,因此数学竞赛对基础数学研究没有价值。2026 年 5 月,在湖南永州举办的中国数学会数学科普论坛上,北大数学院院长刘若川院士以《中国数学奥林匹克四十年》为题作报告,针对这种普遍印象提出辨析。他认为大众认知存在偏差:选择转行的竞赛选手更容易被舆论传播;大批持续深耕基础数学的竞赛优胜者长期扎根学界,较少进入公众视野,仅凭直观感受得出的结论并不客观。
回望近二十年中国数学界发展脉络,一大批奥数优胜者坚守数学领域,成为海内外学术中坚。1999 年 IMO 金牌得主刘若川深耕算术几何,成长为首位 80 后中科院院士;2000 年 IMO 满分金牌得主恽之玮任教麻省理工学院,与张伟联手证明函数域上高阶 Gross-Zagier 公式,斩获科学突破奖下设的数学新视野奖;2000 年 IMO 金牌得主北京大学袁新意、全国奥赛金牌得主斯坦福大学朱歆文深耕数论与代数几何前沿;2001 年 IMO 满分金牌得主肖梁深耕数论领域核心方向,任职北京国际数学研究中心。两届 IMO 满分金牌得主韦东奕留守北大研究偏微分方程,曾荣获 2025 年度国家自然科学奖二等奖;曾荣获中国女子奥赛满分金牌、全国奥赛金牌的唐云清任职加州大学伯克利分校,主攻算术几何与数论,斩获科尔数论奖、SASTRA 拉马努金奖;曾荣获全国数学奥赛金牌的苏炜杰在统计与机器学习理论方面取得重要成果,于 2026 年斩获考普斯会长奖。而邓煜则是这批坚守者中最终登顶菲尔兹奖的标杆人物。
当然,人才分流是客观常态。历届竞赛优胜者人生道路各不相同:有人坚守学术初心,深耕数理沃土;有人投身金融量化、基础教育、心理行业等领域;也有人如柳智宇一般,寻觅另外一条精神栖居之路。多元选择本无对错,人生各有前路和归途。我们不能仅凭一部分人的转向,全盘否定学科竞赛的价值,更不能草率断言“竞赛培养不出真正的数学家”。
看待奥数竞赛,最理性的姿态是摒弃极端、辩证审视。不必神化竞赛光环,也不必否定竞赛内在价值,适度参与竞赛无可厚非。竞赛真正的意义,从来不是奖牌名次、赛场胜负,而是以难题为载体,锤炼严谨逻辑、磨砺坚韧心性、唤醒数理天赋、窥见数学之美。
当被问及给有志学习数学、参与竞赛的青少年建议,邓煜说道:“学习数学和参与竞赛并非相互绑定。无论选择哪一条道路,最重要的是认清自己想要什么,制定计划,并为之持续付出努力。”当被问及对于有志基础学科的中学生或大学生有什么建议,邓煜答道:“打好基础,平时多思考些问题,在研究中学习是个好主意。”
这正是邓煜成长路上最珍贵的底色:竞赛仅仅是载体,热爱才是内核。奥数之路赠予他最宝贵的财富,从来不是一枚金牌的光环,而是拆解复杂问题的思维能力和步步严谨的推演习惯。
诗心藏浩海,妙算透穹苍。以诗词文章安顿精神心绪,以数理推演叩问宇宙本源,于抽象的数学世界不倦远航。邓煜的求索故事,为新一代青年学人树立起温润而清晰的范本:永葆热忱,沉潜自持,久久为功,终可抵达星光灿烂的理想之乡。
致谢:感谢邓煜教授接受访谈,并审阅全文。
注解
详情请参考:2006 年 IMO 中国国家集训队教练组. 2006 ——走向 IMO 数学奥林匹克试题集锦, 华东师范大学出版社, 2006.
Javier Duoandikoetxea, Fourier Analysis, 美国数学会“数学研究生教程”第 29 卷, 2001.
Kosaku Yosida. Functional Analysis, Sixth Edition, Springer-Verlag, Berlin, 1980. 中译本: 吉田耕作. 泛函分析(原书第 6 版), 吴元恺, 等译. 北京: 高等教育出版社, 2022.
Lars V. Ahlfors. Complex Analysis, Third Edition, McGraw-Hill, New York, 1978. 中译本: 拉尔斯·V. 阿尔福斯. 复分析(原书第 3 版)赵志勇, 薛运华, 杨旭, 译. 北京: 机械工业出版社, 2005.
吉布斯测度(Gibbs Measure)源于经典统计力学,是刻画微观状态统计分布的概率测度。在无穷维分析中被推广用于非线性色散偏微分方程,用以刻画带随机扰动下波动系统的长时间统计状态。
因为怕经常思考问题影响开车安全,邓煜从来没有考虑去学开车。
作者简介
汤涛,本刊联合主编,中国科学院院士,广州南方学院校长,北师香港浸会大学讲席教授。 |
本帖子中包含更多资源
您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?注册
x
|