扎尔在MIT待了两个月。那两个月里,悦儿和他在同一个走廊上隔了两道门,每天碰面至少三次,有时候在茶水间,有时候在复印机旁边,有时候在洗手台前面刷牙——数学系三楼的洗手间只有两个水龙头,早晚高峰时段不可避免地发生排队。
他们关于挂谷猜想的谈话也从正式变成了随意。最初还是在办公室的讨论,后来变成了在走廊上擦肩而过时丢出去的一句话。再后来,扎尔会在深夜敲悦儿的门,手里端着一杯自动贩卖机买的廉价热巧克力,杯子是纸的,烫得他不停换手。悦儿就让他进来,两个人对着黑板站着,扎尔把杯子搁在窗台上,从兜里掏出一支笔——他不是用粉笔的人,永远用马克笔,蓝色的那种,写完了用纸巾擦。
十一月的一个晚上,扎尔在悦儿的黑板上画了一张表格。
表格两列。左边是二维挂谷猜想,右边是三维。左边的内容密密麻麻挤着七八行:1971年Davies证明,用的是最简单的覆盖引理,总共六页纸;1965年Córdoba给出了另一种证明,更短,只有四页;到了1990年代,数学家们甚至在二维中找到了精确的最佳常数。右边的部分除了第一行写了一个"?",其余全是空的。
"你看,"扎尔用蓝色的马克笔敲了敲左边这列,"二维的证明,六页纸。1971年的技术,现在看来就是本科生的习题水平。但三维——"
他在这列右边划了一条斜线,指向那个问号。
悦儿靠在桌沿上,双手交叉在胸前,盯着那个问号。"Wolff在1995年推到了2.5。"
"对。"扎尔在问号下面写了"2.5"这个数字。"Thomas Wolff,普林斯顿的。他用了——"
"一种几何组合的方法,把管道分成三组,每一组用一种不同的方式估算。"悦儿替他接完。"我读过那篇论文不下三十遍。"
扎尔看了她一眼。"你记得所有细节?"
"大部分。"
扎尔在那个"2.5"下面又写了一行字:"2.5000000001"。然后他退后一步,让悦儿看清楚那行数字。
"这是谁?"悦儿问。
"Tao,Katz,Laba。1999年。"
"推进了十的负十次方?"
"精确地说,十的负十次方。"扎尔放下笔,端起那杯热巧克力,喝了一口。已经凉了。他皱了皱眉,还是咽了下去。"他们用了一种叫做'代数化'的方法——把几何问题变成多项式问题。但从2.5到3之间,横亘着整个二十世纪的调和分析都没能越过的鸿沟。"
悦儿没有说话。她走到黑板前面,用粉笔在"2.5000000001"旁边画了一个小小的箭头,指向那行数字后面留出的空白。她在那片空白里写了两个大写的字母:Q. E. D. 然后在下面画了一条横线。
"你相信这个证明能写出来吗?"扎尔问。
"能。或者不能。"悦儿转过身看他,"但如果你一开始就觉得不能——"
"那就肯定不能。"扎尔笑了,"这好像是我的话。"
"是你的话。"悦儿从窗台上拿起那块擦了一半的板擦,把"2.5"和"2.5000000001"擦掉了,只剩下那行Q. E. D.在空白中悬着,像一个还没落地的承诺。"但你现在是我的合作者了。你的话就是我的话。"
扎尔把凉透的热巧克力扔进了垃圾桶,塑料杯底碰到桶底发出一声闷响。"那我再问一个问题。二维和三维之间,到底差了什么?不是技术上的,而是哲学上的。"
悦儿靠在窗台上,冬天的风从窗缝渗进来,吹得她后背发凉。她想了想,说:"二维的挂谷集合可以被'覆盖'。你知道什么叫覆盖引理吗?"
"给一个集合找一个好的覆盖,用有限个球,球的半径和位置满足某种——"
"对。"悦儿打断他,"二维的覆盖引理很简单。因为二维的平面上,任何一堆有方向的线段,它们的交叉方式受到严格的限制。两根线要么平行,要么相交。平行的时候没有交叉,相交的时候只有一个点。二维只有这么两种关系。"
她伸出两根手指。"两种。"
然后她伸出三根。"三维。两根管道可以平行,可以相交于一点,可以相交于一条线——异面,听说过吧?两条线段在三维空间中完全可以不平行也不相交,它们彼此'路过',像两架在不同高度飞行的飞机。三维的关系是连续的,有无数种可能性。你没法用一个简单的二分法来处理它们。"
扎尔站在黑板的另一边,马克笔在指间转了半圈。"所以二维的工具到了三维全部失效。"
"全部。"悦儿说,"1971年的Davies证明里最关键的一步是什么?"
"一个平面只能被有限个方向的线段分割成有限个区域。"
"对。每一个区域里的线段方向是'连通'的,你可以用一个统一的估计来处理它们。但三维不行。三维中任意两个方向之间不一定有连通路径。方向空间是连通的,但方向之间的'空隙'可以让管道绕过彼此而不交叉。这些不交叉的管道组合在一起——"
"就构成了一个所谓的'逃逸路径'。"扎尔说。
"对。"悦儿看着他,"而只要存在哪怕一条逃逸路径,整个多尺度归纳就全部崩塌。"
走廊里传来脚步声。有人经过门口,脚步声顿了一下,然后继续向前走去。悦儿和扎尔都没有转头。他们站在半明半暗的房间里,黑板上的粉笔字在灯光下泛着白,像一行行还没被刻进石头里的墓志铭。
那天深夜,悦儿回到自己的公寓时已经十二点多了。她住的地方离MIT不远,走路二十分钟,中间要穿过一条两旁都是老房子的街道。波士顿的十一月底已经降到了零度上下,她裹着围巾走在没有人的街道上,呼出的白气被路灯照得半透明。
她想起了一种东西。贝西科维奇集合。这是挂谷猜想的另一个名字——如果你把一根针换成一组方向,把"扫过的面积"换成"集合的测度",那个集合就叫做贝西科维奇集合。1919年,俄国数学家贝西科维奇证明了平面上存在一个面积任意小的集合,它包含所有方向的单位线段。悦儿第一次读到这个证明的时候,她盯着那几页纸看了整整一个下午,因为那个证明是错的——贝西科维奇的第一版证明有漏洞,两年后他才修正。但修正之后的证明用了一种精妙的方法:他在平面上构造了无数个细长的"叉"形状,每一个叉覆盖两到三个方向,然后通过不断叠加这些叉,最终覆盖所有方向,而总面积趋近于零。
那个构造像一个拼图。每一块碎片都有面积,但碎片之间的重叠几乎百分之百——所以总面积趋近于零。
"重叠。"悦儿停在一盏路灯下面,自言自语地念出了这个词。
二维的贝西科维奇集合依靠的是"完美重叠"。每一块叉形碎片和其他碎片的覆盖面积几乎完全重合,像鱼鳞一样层层叠叠。但在三维中,碎片之间可能出现"空隙",那些空隙让重叠不再完美,也让总面积不再趋近于零。挂谷猜想的核心问题其实就是:三维中这些空隙能不能被全部填满?如果能,那三维的贝西科维奇集合也存在,三维挂谷猜想是错的;如果不能,那三维挂谷猜想是对的,但你需要证明空隙的存在是不可消除的。
悦儿站在路灯下面,冷风从巷口灌进来,她打了个寒颤。她看了看手表,十二点二十七分。手机屏幕亮了一瞬,有条消息。她划开来看,是一个陌生的号码。
"如果面积可以趋近于零,那这个集合在现实中有物理意义吗?"
没有署名。没有上下文。悦儿愣了几秒,然后想起来——那个在报告会后拦住她的男人。量化交易的。墨衍。她从没给过他号码,但他可能从报告会的签到表上找到了她的联系方式。
她站在路灯下,想了几秒钟。然后打了四个字:
"数学不问。"
发送。她继续走路。走了大约二十米,手机震了一下。
"可我问。"
悦儿停住了。她在空无一人的街道上站了很长时间。路灯把她的影子拉得很长,拖在柏油路面上,影子末端有一道裂纹,是冬天冻出来的。
她忽然想起一件事。2015年,她在法国的那个冬天。那时候她刚从数学系退出来,在建筑学院上课。那一天老师在讲空间的结构,在讲"体"和"面"的关系,在讲如何从二维平面推演出三维体积。她坐在阶梯教室的最后一排,记着笔记,忽然把笔放下了。她对着面前那张画满平面图的纸,想起了自己在硕士阶段做过的那些关于傅里叶分析的报告,想起了挂谷猜想,想起了那根在二维平面上旋转的针。她忽然意识到,建筑学在教她一件事:所有的三维空间都是从二维平面"长"出来的。你没办法直接理解三维,除非你先理解了二维在三维中如何承载那些方向。
她把笔捡起来,在笔记本的空白处写了一行字:"二维是三维的地基。但地基之上盖的东西完全不一样。"
那次之后不到一个月,她退了建筑学的课。她回到了数学系,回到了挂谷猜想面前。她花了整整三年的时间只做一件事:理解三维方向空间中的重叠与空隙。
回到公寓,她脱了外套,坐在床边,没有开灯。手机还攥在手里,屏幕上的那行字还在——"可我问。"她盯着那四个字,然后打了几个字:
"物理意义?你不是说你在做交易吗?"
发送。
不到十秒,回复来了:"交易也没有物理意义。它有意义是因为有人在做。"
悦儿看着那行字。她忽然觉得,这个人说的话有一种奇怪的质地——不像数学那么精确,不像哲学那么空泛,倒像是站在一个窗户外面往房间里看的人说的话。窗户外面的人看不到房间里的全部细节,但他能看到整栋房子的轮廓。
她打了最后一行字:"二维的答案是平面上的针。三维的答案是针离开了平面。它不回答问题本身,而是回答了'为什么这个问题可以被问出来'。"然后她把手机放在枕头旁边,关了灯。黑暗里她睁着眼睛,天花板上有路灯投进来的一小块光斑,像一个二维的月亮在三维的房间顶上移动。
第二天早上,她到办公室的时候,黑板上还留着昨天晚上的那行"Q. E. D."。粉笔字已经在黑板上干了一个整夜,变成了一层薄薄的灰白色粉末,手指轻轻一碰就会掉下来。她站在黑板前面,看着那三个字母,忽然觉得这可能是整个挂谷猜想对她说的第一句真话——Q. E. D.,证明结束。但二维的证明结束之后,三维的问题才刚刚开始。二维的答案像一块地,厚实、沉稳、无可撼动,所有的论证都压在上面不会变形。三维的问题是建在这块地上的塔,塔身越来越高、越来越细、越来越容易倒塌。
坤为地。承载万物的地。万物从地中生长出来,但万物长成之后,地面就不再是"全部"了。悦儿拿起粉笔,在Q. E. D.下面写了一行小字:"三维的地基是二维。但三维的楼不是二维的重复。"
她把粉笔放回槽里,走出办公室。走廊尽头那间报告厅正在举办一场跨学科的讲座——悦儿在通知栏上瞥过一眼,好像是关于"分形几何在自然科学中的应用"。她本来不打算去听,但她在茶水间接咖啡的时候碰到了墨衍。他端着同一只塑料杯,里面是黑色的美式咖啡,没加奶也没加糖。
"又来了?"悦儿问。
"MIT的学术讲座通知是公开的。"墨衍说,"我只是恰好路过。"
"恰好。"
"恰好。"他重复了一遍,然后喝了一口咖啡,被烫得皱了皱眉。
悦儿端着咖啡转身要走。墨衍在她身后说:"你在那个讲座上会讲吗?"
"哪个?"
"分形几何那个。"
"我是数学系的,不是自然科学的。我也不研究分形。"
"那你研究什么?"
悦儿停住了脚步。她转过身看着墨衍。茶水间的灯是暖黄色的,打在他深色的外套上,把轮廓柔和了一圈。她忽然觉得这个人的问题其实都不是问句,而是一种逼迫——逼迫她把那些用数字和公式包裹起来的东西拆开,用最简单的句子说出来。
"我研究一种东西在三维空间中能有多小。"她说,"小到趋近于零,但又不能是零。"
"那东西叫什么?"
"没名字。或者说,有很多名字。挂谷集合。贝西科维奇集合。方向的集合。"她把咖啡杯放下,"你以为你问的是一个物理意义的问题。但其实你问的是——一个东西可以小到什么程度,同时还能保持'完整'。"
墨衍看着她,没有接话。
"二维的答案告诉我它可以小到趋近于零。"悦儿说,"三维的答案如果也是这样,那意味着空间本身有一种性质——任何一组方向都可以被压缩到任意小的空间里。但如果三维的答案不是这样,那就意味着三维空间比二维更'大',大到方向之间天然有空隙,空隙永远填不满。这个区别——物理意义?它定义了三维空间是什么。"
她端起咖啡,走出了茶水间。
墨衍站在原地,杯子里的咖啡终于凉到了能入口的温度。他喝了一口,然后对着空荡荡的走廊说了一句没有听众的话:"那你想要的答案——是空间的定义本身。"
那个下午悦儿在办公室里整理Davies的1971年证明。她手边有一份复印版的旧论文,纸页已经泛黄,边角被翻卷了。Davies的证明只有六页——实际上,如果把那些多余的引理说明和参考文献去掉,核心论证大概只有两页半。悦儿曾经把那两页半的论证抄写过一遍,发现在纸面上占用不到巴掌大的空间。一个百年难题的二维版本,核心论证就这么小。像一粒米,一粒可以种出整片稻田的米。
她看着那两页半的论证,忽然明白了一件事:二维挂谷猜想的证明之所以这么短,是因为二维空间本身就"短"。它没有给方向留出逃逸的空隙。每一个方向和另一个方向之间只有一条路——平面上的任何两点之间都只有一种直线连接方式。二维是穷尽的、单调的、没有任何秘密的空间。
三维不一样。三维中的两点之间有无数条路径,管道可以绕行、上浮、下潜、扭曲,像一个人走在没有边界的旷野里。
她放下Davies的论文,翻开了另一篇。Wolff,1995。《关于三维挂谷集的下界估计》。这篇论文比Davies的长了十五倍,满是复杂的分组计数和组合不等式。悦儿在这篇论文的页边写满了批注,红色的、蓝色的、铅笔的,层叠在一起像一座微型城市的建筑史。
Wolff最终得到了"2.5"这个数字。那是什么意思?意思是:如果三维挂谷集存在,它的维数至少是2.5。这比上一代数学家们得到的1.5或者2.0要好得多,但离3还有一半的距离。那0.5的距离,像一条银河。
悦儿靠在椅背上,闭上眼睛。她想起了1999年陶哲轩、卡茨和拉巴的那篇论文。那个"2.5000000001"像一根刺,扎在所有做挂谷猜想的人心里。推进了十的负十次方,用了当时最前沿的代数几何工具。那种推进方式像是用显微镜去丈量一座山——你在山脚下找到了一粒沙子,把它的直径量到了小数点后十位,但山还是那座山,顶还在云层之上。
她睁开眼睛,看着天花板。天花板上有一道细长的裂缝,从灯座的边缘延伸到窗户的方向。那道裂缝在三维空间中是一条线,在二维的投影里也只是一条线。但她知道,如果从另一个角度看过去,那道裂缝可能是一个面的一部分,可能是一个体积的边界。
坤。至哉坤元,万物资生,乃顺承天。二维的答案像大地一样承载了三维的问题,像土地承载树木,像地基承载高楼。没有二维的"1.0",就没有三维的"2.5"和"2.5000000001";没有Davies的那六页纸,就没有Wolff的那七十页和Tao的那一百二十页。但承载者永远不是终点。大地让种子发芽,但种子长成的树跟大地完全不同。
悦儿从椅子上坐起来,拿起粉笔。黑板上那行"Q. E. D."还在。她在这行字的左右两边分别写了两个数字:左边写"2",右边写"3"。然后她在中间画了一道竖线。
二维的答案已经在这里了。三维的答案在竖线那边。
她不知道要走多久才能跨过去。但她在2019年那个冬天站在了竖线的正中间——左手是已经做完了的一切,右手是可能永远做不完的一切。她往前迈了一步。
粉笔灰落下来,在灯光中慢慢沉降,像二维平面上一场安静的小雪。