以上是沿着殆素数方向研究哥德巴赫猜想的进展。直到现在,狖1+2狚还是最好的结果。虽然突破狖1+2狚就会得到狖1+1狚,但是大家公认再用筛法去证明狖1+1狚几乎是不可能的,只有发展革命性的新方法,才有可能证明狖1+1狚。所以,哈伯斯坦(H. Halberstam)与里切特(H. E. Richert)在他们的名著《筛法》(Sieve Methods)的最后一章指出:“陈氏定理是所有筛法理论的光辉顶点。”
途径二:例外集合
在数轴上取定大整数x,再从x往前看,寻找使得哥德巴赫猜想不成立的那些偶数,即例外偶数。x之前所有例外偶数的个数记为E(x)。我们希望,无论x多大,x之前只有一个例外偶数,那就是2,即只有2使得猜想是错的。这样一来,哥德巴赫猜想就等价于E(x)永远等于1。当然,直到现在还不能证明E(x)=1;但是能够证明E(x)远比x小。在x前面的偶数个数大概是x/2;如果当x趋于无穷大时,E(x)与x的比值趋于零,那就说明这些例外偶数密度是零,即哥德巴赫猜想对于几乎所有的偶数成立。这就是例外集合的思路。
维诺格拉多夫的三素数定理发表于1937年。第二年,在例外集合这一途径上,就同时出现了四个证明,其中包括华罗庚先生的著名定理。现在,我每个月都要接见几个业余搞哥德巴赫猜想的人,其中不乏有人声称“证明”了哥德巴赫猜想在概率意义下是对的。实际上他们就是“证明”了例外偶数是零密度。我告诉他们,这个结论华老早在60年前就真正证明出来了。
注意,我们的目标是证明E(x)的上界是x的零次方,然而1938年E(x)上界的世界记录基本上是x的1次方,二者相差很远。因此降低该上界中x的方次将是一件很重要的事。1975年,蒙哥马利(H. L. Montgomery)与沃恩证明存在一个小于1的正数δ,使得E(x)的上界是x的δ次方。1979年,潘老师与陈景润先生合作,证明了这个δ可以取0.99。按照陈先生和潘老师的思路,后来有很多人都改进了δ的值。目前最好的结果是李红泽教授2000年得到的,δ可以取0.92。
在广义黎曼猜想之下,哈代和李特伍德证明了δ可取1/2。就是说,即使能够证明广义黎曼猜想,我们也不能进而推出哥德巴赫猜想。最近,我与叶扬波教授合作,利用广义黎曼猜想和L-函数零点分布的统计规律猜想,进一步推进了例外集合的上界,证明了E(x)不超过lo g x的平方。请注意,与x的任何δ次方相比,log x增长都是很慢的。因此我们的结果指出,E(x)小于x的任何δ次方。
但是我们毕竟没能证明哥德巴赫猜想。到目前为止,猜想研究的现状仍然可以用潘老师生前的一句话来概括,即“哥德巴赫猜想甚至没有一个假设性的证明。”哈代1921年在皇家学会演讲时指出:“哥德巴赫猜想似乎不能用布朗的方法(即筛法)来证明。”他说:“能够最终证明猜想的方法,应该与我与李特伍德的方法类似。我们不是在原则上没有成功,而是在细节上没有成功。”哈代同时还指出,不是圆法无力,而是他与李特伍德的分析能力不够。作者认为,更高阶的L-函数应该是哈代和李特伍德所需要的分析工具;或许,将高阶的L-函数融入圆法就会最终证明哥德巴赫猜想。
途径三:小变量的三素数定理
上文曾经提到,如果偶数的哥德巴赫猜想正确,那么奇数的猜想也正确。我们可以把这个问题反过来思考。已知奇数N可以表成三个素数之和,假如又能证明这三个素数中有一个非常小,譬如说第一个素数可以总取3,那么我们也就证明了偶数的哥德巴赫猜想。这个思想就促使潘承洞先生在1959年,即他25岁时,研究有一个小素变数的三素数定理。这个小素变数不超过N的θ次方。我们的目标是要证明θ可以取0,即这个小素变数有界,从而推出偶数的哥德巴赫猜想。潘承洞先生首先证明θ可取1/4。后来的很长一段时间内,这方面的工作一直没有进展,直到1995年展涛教授把潘老师的定理推进到7/120。这个数已经比较小了,但是仍然大于0。
途径四:几乎哥德巴赫问题
1953年,林尼克发表了一篇长达70页的论文。在文中,他率先研究了几乎哥德巴赫问题,证明了,存在一个固定的非负整数k,使得任何大偶数都能写成两个素数与k个2的方幂之和。这个定理,看起来好像丑化了哥德巴赫猜想,实际上它是非常深刻的。我们注意,能写成k个2的方幂之和的整数构成一个非常稀疏的集合;事实上,对任意取定的x,x前面这种整数的个数不会超过log x的k次方。因此,林尼克定理指出,虽然我们还不能证明哥德巴赫猜想,但是我们能在整数集合中找到一个非常稀疏的子集,每次从这个稀疏子集里面拿一个元素贴到这两个素数的表达式中去,这个表达式就成立。这里的k用来衡量几乎哥德巴赫问题向哥德巴赫猜想逼近的程度,数值较小的k表示更好的逼近度。显然,如果k等于0,几乎哥德巴赫问题中2的方幂就不再出现,从而,林尼克的定理就是哥德巴赫猜想。
林尼克1953年的论文并没有具体定出k的可容许数值,此后四十多年间,人们还是不知道一个多大的k才能使林尼克定理成立。但是按照林尼克的论证,这个k应该很大。1999年,作者与廖明哲及王天泽两位教授合作,首次定出k的可容许值54000。这第一个可容许值后来被不断改进。其中有两个结果必须提到,即李红泽、王天泽独立地得到k=2000。目前最好的结果k=13是英国数学家希思-布朗(D. R. Heath-Brown)和德国数学家普赫塔(Puchta)合作取得的,这是一个很大的突破。
一个数学家的价值
以上缅怀了潘承洞先生的部分工作,以及哥德巴赫猜想研究的最新进展。最后,我想引用哈代《一个数学家的自白》中的几句话,来总结作为数学家的潘承洞先生的生平。哈代说:
“人的首要责任就是要有雄心。在拿破仑的雄心中有某些高贵的因素,但是最高贵的雄心,就是要在死后留下具有永久价值的东西。”
《一个数学家的自白》结尾写道:
“我的一生,或者在相同意义上作为数学家的那些人的一生,可以这样总结:我们丰富了知识,也帮助别人更多地丰富了知识,而我们所做的这一切,与那些历史上的大数学家和艺术家的不朽贡献相比,只有程度的不同,没有本质的差异。”
哈代的朋友罗素说过:
“我希望在工作中满足地死去,因为我清楚地知道,所有能做的事都已完成,而且会有后人继续我未竟的事业。”
潘承洞老师永垂不朽,因为他的事业永垂不朽。
下一篇:关于利用数学课堂传承人文精神