A HUMAN HISTORY OF MATHEMATICS凿构周期律 · 数学鑿構週期律 · 數學 · 22 / 25
A Proof Too Large for One Person
一个人握不住的证明
一個人握不住的證明
The four-colour theorem, finite simple groups, and sphere packing separate three questions: Is it valid? Can we check it? Do we understand it?
四色、有限单群与开普勒猜想,让成立、理解与可检查成为三种不同的完成。
四色、有限單群與開普勒猜想,讓成立、理解與可檢查成為三種不同的完成。
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1. Polite Applause
On July 22, 1976, Kenneth Appel and Wolfgang Haken announced a proof of the four-colour theorem. A planar map, with the usual assumptions on regions, can be coloured with at most four colours so that regions sharing a boundary segment receive different colours. Merely touching at a point does not make two regions neighbours.
At the joint American mathematical meetings in Toronto that August, Haken presented the result to a crowded audience. A problem open for 124 years appeared to be settled.
Donald Albers, who attended, later described a surprising response. He had expected an eruption of celebration. What he heard was polite applause, followed by mathematicians expressing unease.
The proof included roughly 1,200 hours of computer calculation. No realistic human reader could reproduce every computation by hand. Perhaps an error lay somewhere in the output. Albers wondered whether some listeners were almost hoping one would be found. His account appeared in 1981, several years after the lecture; it reports the reception rather than preserving a contemporaneous transcript.
The theorem itself barely requires a minute to explain. In 1852, Francis Guthrie noticed while colouring an English county map that four colours seemed sufficient. Through his brother Frederick, the question reached Augustus De Morgan, who wrote to William Rowan Hamilton on October 23.
De Morgan's uncertainty was part of the message: a student had asked for a reason for a purported fact whose status De Morgan himself did not know. Hamilton replied three days later with a pun about a quaternion of colours and little enthusiasm for taking up the problem. His own quaternions had occupied him since 1843.
Francis Guthrie, twenty-one and completing his legal education, did not build a research career around the conjecture. He later moved to South Africa, taught mathematics for many years, and studied Cape plants with Harry Bolus. A botanical name commemorates him alongside the mathematical problem.
The distance between an easily understood question and its proof was already remarkable. Toronto exposed a further distance: the gap between having an argument and being able to hold all its verification within one person's work.
That concern had a particularly uncomfortable precedent. The four-colour problem had already possessed an accepted proof—and lost it.
2. A Proof That Lived for Eleven Years
In June 1878, Arthur Cayley asked the London Mathematical Society whether anyone had settled the map-colouring problem. The following year Alfred Kempe, a barrister who had studied mathematics with Cayley, announced a proof in Nature and published the full argument in the American Journal of Mathematics.
Its central device was ingenious. Consider connected regions coloured with just two colours. Swap those colours throughout an appropriate connected chain and the colouring can remain valid while making room elsewhere. Such structures became known as Kempe chains.
The proof was accepted for eleven years. Peter Guthrie Tait also offered related approaches containing valuable ideas and fatal errors. The problem seemed finished to many readers.
In 1890, Percy Heawood found the defect in Kempe's treatment of a region with five neighbours. The argument required successive recolourings that were assumed to behave independently. They need not: one change could destroy the conditions required for the next.
Heawood salvaged a weaker theorem. Five colours always suffice. Kempe chains survived too, becoming durable tools in graph theory.
The episode is not unusual because an incorrect proof contained good mathematics. Failed arguments often leave useful methods. What is striking is the duration of collective confidence in a short enough, readable enough proof.
Readability does not establish that a sufficient check has actually occurred. A proof may sit before eminent mathematicians for years without its crucial weakness being exposed.
Heawood remained interested in colouring for almost six more decades, publishing on it into old age. His Durham career included service as vice-chancellor. Recollections of the slight figure, enormous beard, old cloak, and classroom dog supply a person behind the correcting lemma, though they do not add evidence to the proof itself.
The lesson cuts in two directions. A machine calculation does raise questions about software and hardware. But a human-readable text has never carried an automatic certificate of correctness simply because a person could, in principle, read it.
Toronto's unease therefore cannot be answered by choosing an immaculate human tradition over a newly fallible machine. Fallibility was present on both sides. The question was how each kind of argument could acquire reliable scrutiny.
A proof that lasted eleven years showed the difference between potential surveyability and actual examination. A proof with thousands of machine hours made the difference impossible to ignore.
3. Inside the Illinois Computer Room
Heinrich Heesch had developed crucial ideas for a computational attack before Appel and Haken. During the 1960s he pursued reducibility and discharging, using computers to test local configurations. Haken consulted him in 1967, and Heesch's subsequent American visits connected him with larger machines and collaborators.
Funding was a practical constraint, not a footnote. The withdrawal of German support limited work at an important stage. Haken later described discouraging advice from computing experts about the feasibility of the approach.
Appel disagreed. He believed computation could do the job if the project had enough time and careful organization. Their sustained collaboration began in 1972, with Appel concentrating on computation and Haken on the structural argument.
The machine was not summoned at the end to check a few arithmetic details. Human rules and computational results formed a repeated cycle. Proposed rules generated tests; failures prompted revised rules; new tests exposed further cases. The final proof was produced through that interaction.
Accounts distinguish different stages and different lists. Numbers commonly reported include 487 discharging rules, roughly ten thousand manually considered local cases, and about two thousand configurations subjected to computational tests. Total machine time was around 1,200 hours. Their own estimate of logical operations was on the order of ten billion.
Computing time came from actual institutional equipment, including a machine acquired for university administration in March 1976. A theorem depended partly on gaining access to resources bought for other work.
The manual labour also extended beyond the named authors. Dorothea Haken helped inspect configurations. Before publication, children from both families compared diagrams and printed output: Dorothea and Armin Haken, and Laurel, Peter, and Andrew Appel.
Laurel, thirteen, checked hundreds of pages. Haken later recalled hundreds of discrepancies she found and corrected, with the remaining problems repaired by the principal authors. Such reminiscences concern transcription and checking; they should not be transformed into a claim that the theorem survived hundreds of unrepaired mathematical counterexamples.
The list changed as the proof was organized. The preprint's 1,936 configurations became 1,482 in the published version, with further reductions in later presentations. The 1977 papers included John Koch as a coauthor on the reducibility part and were accompanied by extensive microfiche material. Appel and Haken later produced a book-length account in 1989.
Checking all the output for even a difficult single configuration could consume years of full-time human work, by their estimates. No ordinary referee could simply repeat the experiment with pencil and paper.
Meanwhile, the department's outgoing mail acquired a celebratory postmark: four colours suffice. The institution could stamp the conclusion in a moment. Explaining the machinery of confidence took much longer.
4. Why There Was a List
Suppose a counterexample exists. Choose one of minimum size. Every smaller relevant map or planar graph then admits a four-colouring.
The proof seeks two properties of a finite set of local configurations. First, the set is unavoidable: every graph satisfying the conditions imposed on a minimal counterexample must contain at least one listed configuration.
Second, each listed configuration is reducible: it cannot occur in a minimal counterexample. A suitable reduction yields a smaller graph; a colouring of that graph, combined with the reducibility argument, can be extended or rearranged to colour the original.
The contradiction is immediate once both large tasks are complete. The supposed minimal counterexample must contain a listed configuration, yet cannot contain any of them.
Unavoidability is established through discharging. Assign numerical charges using vertex degrees and the constraints of a planar embedding. Move charge according to carefully designed local rules. The total and the possible final distributions force some listed pattern to occur.
Kempe's older argument began with a short unavoidable list: in a suitable planar graph, some vertex has degree at most five. Vertices of sufficiently small degree can be handled. The degree-five case was where the claimed four-colour proof failed.
Heesch and his successors replaced an inadequately controlled case by more elaborate configurations whose reducibility could be tested separately. Elaborating the patterns increased the number of boundary colourings that had to be considered.
The scale is not captured by simply counting diagrams. A configuration can have a surrounding ring with many possible colour assignments, even after equivalent assignments are identified. Rings of fourteen or eighteen vertices already lead to hundreds of thousands or millions of relevant possibilities, depending on the precise counting convention.
The computer made this style of proof feasible. That does not establish that every conceivable proof of the theorem must use a long list or a machine. It explains why the particular strategy they successfully developed required computational help.
The argument's conceptual skeleton is intelligible: minimal counterexample, unavoidable configuration, reducibility, contradiction. Its verification load is enormous.
This separation becomes important in the later philosophical dispute. Someone can understand why the architecture works without personally checking every instance. Conversely, exhaustive checking alone does not necessarily provide a satisfying explanation of why four, rather than five or six, is the decisive number.
A proof can be transparent at one scale and opaque at another. Calling it simply readable or unreadable loses that distinction.
5. Three Different Uneasinesses
The objections fell into at least three kinds.
One questioned whether such an argument counted as a proof in the traditional sense. In 1979, philosopher Thomas Tymoczko emphasized surveyability: a proof should be available to a person's comprehensive inspection, not merely support conviction through a trusted computation. Accepting the four-colour argument, he suggested, expanded the concept of proof.
A second objection accepted its validity but wanted explanation. The result was established through a vast case analysis; why should four colours be enough? A shorter or more illuminating proof might answer a different intellectual need.
A third asked how errors could be detected. Was the program correct? Was the list complete? Had diagrams or data been copied wrongly? Did the computation actually implement the intended mathematical test?
Richard DeMillo, Richard Lipton, and Alan Perlis argued in 1979 that mathematical reliability also depends on social processes: criticism, simplification, reuse, and teaching. Formal validity as an ideal is not a description of all the work through which a community comes to trust a proof.
Later developments addressed this third concern most directly, without automatically settling the other two.
Neil Robertson, Daniel Sanders, Paul Seymour, and Robin Thomas initially sought to check the earlier proof but found the task unwieldy. They produced a new proof, announced in the mid-1990s and published in its full form in 1997. Their unavoidable set contained 633 configurations, with thirty-two discharging rules. Programs and data were made available for others to run.
The improvement did not remove computers. It made the dependence simpler and more reproducible. Their research announcement states the theorem in its precise planar-graph form.
In 2005, Georges Gonthier completed a formal proof in Coq, with Benjamin Werner involved in its development. It followed the modern proof route, not a retrospective certification of every original Appel–Haken program. A relatively small logical kernel checked formal derivations, including justified computation.
Trust was concentrated rather than abolished. The foundational rules, checker implementation, execution environment, and correctness of the formal theorem's interpretation still mattered. But one no longer had to trust a large special-purpose calculation in exactly the same way.
A March 2026 preprint by Inoue, Kawarabayashi, Miyashita, Mohar, Thomassen, and Thorup proposed a near-linear-time colouring algorithm and a new proof using 8,202 reducible configurations. The authors' text explicitly gives that number, including two elementary cases. This is the authors' preprint claim, not a new computer-free proof. As of this review on 1 October 2026, it should not be presented as a result already established by long-term independent community scrutiny; that caution is not evidence that it is wrong. A faster algorithm can require a longer configuration list.
Correctness, practical reproducibility, and explanatory satisfaction have not collapsed into one criterion.
6. A Theorem Too Large for a Book
The classification of finite simple groups presents a different kind of scale.
A group has an associative composition operation, an identity, and inverses. A simple group has no nontrivial proper normal subgroup. The word “normal” is essential: simple does not mean having no subgroups at all.
Finite groups can be analysed through composition series whose factors are simple. This resembles factoring integers into primes, but the analogy has limits. Knowing a group's simple factors does not uniquely determine how they are assembled.
The most elementary simple groups are cyclic groups of prime order. The five rotations of a regular pentagon form one. The smallest nonabelian simple group has sixty elements: A5, also realized by the orientation-preserving symmetries of an icosahedron. Its role in the nonsolvability of S5 connects the classification's subject to the general quintic equation.
The classification lists infinite families and twenty-six sporadic exceptions. The largest sporadic group is the Monster, whose order has fifty-four decimal digits.
Bernd Fischer and Robert Griess predicted it in the early 1970s. Griess announced a construction in January 1980, published in 1982 under the name “friendly giant.” The associated 196,883-dimensional algebra supplies its structure: the Monster acts as its full automorphism group, not merely as the arbitrary symmetries of an unspecified high-dimensional space.
Even individual components of the classification were enormous. Feit and Thompson's 1963 paper occupied 255 pages and proved that every finite group of odd order is solvable. It does not say that every odd-order group is nonsimple: cyclic groups of odd prime order are simple. The consequence is that every nonabelian finite simple group has even order.
A team led by Gonthier formally verified a proof of the odd-order theorem in Coq, reporting the achievement in 2013. Their paper describes six years of work and substantial reusable mathematical libraries.
The entire classification spans hundreds of papers and roughly a hundred major contributors. Estimates of ten thousand or fifteen thousand pages depend on which background results count as part of the proof. There is no single natural boundary around its documentary extent.
Daniel Gorenstein supplied a broad organizing view across decades. By the early 1980s, introductory accounts treated the programme as complete. Specialists believed the major branches were covered and the remaining work under control.
But “experts know how the remaining case should be finished” is not identical to “a complete, published, checkable argument is available.” The difference between those sentences concealed a serious gap.
7. The Missing Part
The quasithin case formed a substantial branch of the classification. Geoffrey Mason announced relevant results around 1980 and produced a manuscript of roughly eight hundred pages. It was not published as a completed proof and ultimately proved insufficient.
There was no single dramatic day on which a Heawood pointed to one bad line. The inadequacy became clearer as the classification's dependencies were revisited during the late 1980s and 1990s. A region generally regarded as closed was not actually closed in the public proof.
Michael Aschbacher and Stephen Smith supplied a new treatment in two volumes published in 2004, together about 1,220 pages. This was not a one-page erratum. It was a large mathematical project needed to complete a major piece of the argument.
Three claims can therefore coexist. The classification list was broadly accepted as correct by the early 1980s. The first-generation proof literature had a serious unfinished component. The 2004 work provided a complete treatment of that component.
Gorenstein had already recognized that even a correct first-generation proof would be an unsatisfactory final exposition. With Richard Lyons and Ronald Solomon, he began a second-generation presentation designed to clarify the organization and reduce dependence on scattered papers.
He died in August 1992. The first volume appeared in 1994. A tenth volume appeared in 2023, and the broader rewriting programme, including work associated with Gernot Stroth, continued beyond it. Precise counts and completion forecasts should be dated to their sources rather than treated as timeless descriptions of a moving project.
The purpose of rewriting is not merely literary elegance. A coherent exposition exposes missing hypotheses, unclear dependencies, and places where a result has been trusted without an adequate available argument.
No documented claim establishes that one person has checked every line of the first-generation proof together with every result on which it relies. Several mathematicians possess an extraordinary command of the overall structure. That is different from personally auditing every page.
The community's actual method does not require a superhuman reader. Specialists examine regions of the proof. Results are reused, compared, and occasionally challenged. Reuse creates opportunities for checking, not a guarantee that every citation triggers a complete audit. Gaps require repair; major gaps require substantial new work.
Surveys and systematic monographs turn a network of personal confidence into a more explicit network of mathematical dependencies. They cannot make all expertise reside in one head, but they can make it easier for different people to test different links.
A community can know a theorem without any individual possessing every detail. The credibility of that knowledge depends on the structure and accessibility of the distributed work.
8. Three Kinds of Finished
Kepler's sphere-packing conjecture supplies a third example.
In his 1611 essay on the six-cornered snowflake, written as a New Year's gift, Kepler proposed that familiar close packings of equal spheres achieve the greatest possible density in three-dimensional space. The arrangement resembles oranges stacked at a market.
The history also runs through cannonballs and Thomas Harriot's work for Walter Raleigh. Harriot corresponded with Kepler from 1606. Hilbert later included sphere-packing questions within his eighteenth problem.
Thomas Hales announced a proof in 1998, with Samuel Ferguson responsible for an important part. The argument combined theoretical reductions with inequalities, linear programming, and finite computational checks.
The Annals of Mathematics assembled a referee group of roughly a dozen people. Years of scrutiny produced substantial confidence but not a complete certification of every computation. Gábor Fejes Tóth's often-quoted “99 percent” assessment was an expression of that practical confidence, not a formally calculated probability that the theorem was true.
Hales's Annals paper appeared in 2005, on pages 1065–1185—121 pages, not exactly one hundred. It presented the main argument while computational material and related work had their own publication arrangements. The journal record makes the dates and extent checkable.
Hales then organized Flyspeck, a formal-verification project. Instead of asking referees to accept the computational parts as trusted black boxes, the project reconstructed a proof in formal systems. Completion was announced on August 10, 2014. The published account appeared in 2017 with twenty-two authors, using HOL Light and Isabelle. The formal paper states that scope.
One theorem thus has several completion dates: the authors' announcement in 1998, journal acceptance and publication in 2005, completed formal verification in 2014. None makes the others fictional. Each answers a different institutional and epistemic question.
Earlier episodes asked retrospectively what should count as axiomatization, proof, or calculus. Here contemporaries asked whether an argument already before them had become secure knowledge.
Defenders of computer-assisted proof objected that mathematics had never required all background knowledge to fit simultaneously into one person's mind. A twenty-page paper may depend on thousands of earlier pages. Length alone cannot supply a principled boundary.
William Thurston's 1994 discussion of proof and progress emphasized another aim: helping human beings understand and think mathematically. That goal is not identical to checking a derivation, though neither need exclude the other.
The central change is therefore not a simple transfer from humans to machines. Logical validity, human understanding, and practical checkability have become conspicuously separable.
The four-colour theorem exceeded ordinary human capacity through computation. The classification exceeded it through literature and specialized knowledge. Formalization tries to express dependencies in a form that a checker can follow step by step.
This answers much of the question of reliability, under stated assumptions. It does not automatically answer why a result feels illuminating. A mathematical community can have excellent grounds for knowing a conclusion while still seeking a better explanation.
What one person cannot hold may be organized into parts that different people—and independent checkers—can inspect.
The next episode follows a different consequence of computational asymmetry. In 1977, three researchers at MIT proposed an encryption system built around the ease of multiplying large primes and the apparent difficulty of reversing the operation. A company and a patent would follow.
一 礼貌的掌声
1976年七月二十二日,伊利诺伊大学的两位数学家肯尼斯·阿佩尔和沃尔夫冈·哈肯宣布:在通常的平面地图条件下,四种颜色就够涂,共用一段边界的相邻地区可以不同色;只在一点接触不算相邻。那年八月在多伦多大学,美国数学会和美国数学协会的夏季年会上,哈肯上台讲这个证明。他四十八岁,生在柏林,本行是拓扑,在三维空间的形状那一块已经很有名。会场挤满了人。一个悬了一百二十四年的问题落了地。
唐纳德·阿尔伯斯那天也在会场里。据他记下的,哈肯讲完的时候,他本以为台下会爆发一场热烈的欢呼,结果听见的是礼貌的掌声。会后一个接一个的数学家说自己心里不踏实。让他们不踏实的是这个证明的样子:它的一大块是机器算的,算了一千二百个小时,没有一个人能用手从头到尾核一遍。他们常常说,几百页机器打印稿里说不定埋着一处错,阿尔伯斯在这句话里自己插了一问,他们是不是盼着有错。阿尔伯斯这篇报道登在1981年春天的一份数学期刊上,题目的前半句就是礼貌的掌声,后半句是:今天什么是证明。
问题本身说一遍,小孩子都听得懂,来历也很朴素。1852年,一个叫弗朗西斯·格思里的年轻人给一张英格兰各郡的地图上色,发现四种颜色似乎总够用。他把这事告诉弟弟弗雷德里克,弟弟去问自己的老师德摩根。十月二十三日,德摩根给都柏林的哈密顿写信,把问题转了过去。信一开头,大意是:今天一个学生要他给一件事实讲个道理,这件事他原先不知道是事实,现在也还不知道。三天以后哈密顿回信,大意是他不大可能很快去碰你这个颜色的四元数。四元数是他九年前想出来的东西,想出来那天,他把式子刻在了路过的一座桥的石头上,那些年他整个人都在里面。
提出问题的那个年轻人,那年二十一岁,刚拿到法学学位。他后来没有再碰这个问题,也没有为它写过一个字。他去了南非,在开普敦的南非学院当了二十多年数学教授,余下的心思给了开普的石南花,跟一位植物学家一起做,一直做到去世,有一个植物的属用他的姓命名。
说一遍用不了一分钟的问题,证明用了一百二十四年。而多伦多那天的不踏实,要从头说起:这个问题以前被证明过一次。
二 活了十一年的证明
问题在抽屉里放了二十多年。1878年六月十三日,凯莱在伦敦数学会的会上问了一句:这个问题有人解决了没有。第二年,他的一个老学生站了出来。1879年七月,伦敦一位叫阿尔弗雷德·坎普的出庭律师在《自然》上宣布了证明,随后全文登在一份美国的数学刊物上。他本行是打官司,数学是在剑桥跟凯莱学的。证明写得清楚,办法也聪明:地图上两种颜色交替连成的一串地区,可以整串对调颜色,不碰别的地方。后来人管这样的一串叫坎普链。证明被接受了,一接受就是十一年。第二年,苏格兰的物理学家泰特又拿出两个证明,里面有聪明的想法,也有基本的错误。那些年,不少人以为这个问题已经了结。
1890年,杜伦的数学讲师希伍德指出了坎普证明里的漏洞。那个证明在处理一块被五个邻居围住的地区时,要连着做两次对调,坎普以为两次互不干扰,可两条链在图上会缠在一起,第一次对调可能把第二次需要的条件破坏掉。证明塌了。
希伍德没有只是拆。他用那个证明留下的办法证出了一个弱一点的结论:五种颜色一定够。那种整串对调颜色的技术也活了下来,成了图论里的常用工具。失败的证明留下有用的东西,在数学史上不算稀奇。希伍德自己后来在杜伦从讲师做到教授, 1926年到1928年当过副校长,在地图着色上又做了将近六十年,最后一篇这方面的论文登在1949年,那年他八十七八岁。同事记得他留着极大的胡子,瘦小,微驼,常披一件样式古怪,一看就很旧的斗篷,上课时有一条狗,获准待在教室里。
稀奇的是时间。一个写得清清楚楚的证明,在一流数学家眼前摆了十一年,没有人看出它错在哪里。人读得了的证明,从来不等于有人真的查过。多伦多那天的不踏实,一半来自这里:人读得了的证明尚且如此,人读不了的,凭什么信。
三 伊利诺伊的机房
阿佩尔和哈肯之前,德国人海因里希·黑施已经在这条路上用起了计算机。1960年代他把一个关键的办法想清楚了。1967年,哈肯为这个问题去找他。此后四年里黑施几次到美国,因为那边的计算机更大更快,合作的人里就有哈肯。在最要紧的阶段,德国的国家研究基金会停了他的资助。
1970年代初,哈肯在一次讲演里讲到他们在布鲁克黑文实验室的计算机上做过的尝试,说懂计算机的专家告诉他,走计算这条路没有希望。讲完以后,同系的阿佩尔找到他,说那些专家错了,要花时间,但是能做。1972年两个人开始合作,阿佩尔主要管计算,哈肯管理论那一头。
他们做的不是先写好一个普通的证明,最后拿机器算几个数。机器从头到尾在循环里:人定一套规则,机器去试,试出来的毛病回到人手里改规则,改完再送进去,这样来回了好几年。最后的数字是:四百八十七条规则,人工看过的局部情形大约一万个,机器逐一检验的图样大约两千种。有的图样在一台慢一些的机器上要算九十分钟,换到快的那一台也要三十分钟。前后加起来,机器时间大约一千二百个小时,用他们自己的说法,其间机器做了大约一百亿个逻辑判断。最后那一段,用的是伊利诺伊大学1976年三月新买来管学校行政的一台大计算机,两个人分到了上面的机时。
人手的那一部分,也不全是他们两个人的手。规则的最后一版是用手推的。1976年上半年,阿佩尔,哈肯和哈肯的女儿多罗西娅熬了几个月,把后来组成那张清单的一千九百三十六种图样一种一种过了一遍。多罗西娅那几年在念中学和大学,后来她自己也成了研究计算机的学者。证明公开以前,两家拉了五个孩子来帮忙:多罗西娅和阿明·哈肯,劳蕾尔,彼得和安德鲁·阿佩尔。他们对着机器的打印稿,一页一页核论文里画出来的图样有没有抄错。阿佩尔的女儿劳蕾尔那年十三岁,核的是七百来页。哈肯后来回忆,大意是:她整整干了一个月,找出大约八百处错,七百页上八百处,不算多,其中六百五十处她自己就改好了,剩下的那些,他和阿佩尔只用五天就修补完了。
清单一直在变。预印本上是一千九百三十六种,正式发表时减到一千四百八十二种,后来又整理到一千四百零五种左右。正式的论文1977年分两部分登出来,检验那一部分还有约翰·科克参加,另附大约四百五十页的微缩胶片,存着大量的图和核对记录。阿佩尔和哈肯自己估算过:一个难的图样,机器吐出来的全部输出,一个人每周查四十个小时,要查上好几年。十几年以后, 1989年,两个人又把整个证明出成了一本书。
那年秋天,伊利诺伊大学数学系把寄信用的邮资机改了。从系里寄出去的每一封信上,都盖着一行字:四色足够。
四 一张清单
机器在算的,是一张清单上的每一项。这张清单是什么,为什么非要它不可,得回到坎普那个证明的形状, 1976年的证明和1879年的那一个,骨架是同一副。先假定四种颜色不够,那就一定有一张最小的反例:所有要五种颜色的地图里,地区最少的那一张。然后准备两件事。第一件是一张清单,证明任何一张地图里都必然出现清单上的某一种局部图样,这叫不可避免。证明它的办法叫放电:先按邻居的多少给每块地区记一个数,再按一套规则让这些数在相邻的地区之间挪,挪完以后总有地方剩下正数,那里就一定长着清单上的某一种图样。第二件是对清单上的每一种图样,证明它不可能出现在最小反例里:只要它出现,就能把它缩掉,得到一张更小的地图,这张小图按假定能用四种颜色涂好,再把缩掉的那一块放回来,颜色仍然调得开。这叫可约。两件事一合,最小反例既必须含有清单上的东西,又不可能含有,所以它根本不存在。放电这个办法,阿佩尔和哈肯是从黑施那里接过来的。
坎普的清单很短。他先证明每张地图里总有一块地区,邻居不超过五个。邻居四个以下的情形,他的对调办法都处理得了。五个邻居的那一种,就是希伍德找到漏洞的地方。
往后的路,是把五个邻居那一种拆开,换成更大更细的图样,让每一种都能单独证明可约。可拆得越细,清单越长,每一种图样的检验也越重:一个图样外面围着一圈地区,要把四种颜色在这一圈上的每一种排法都试一遍,看能不能调开。这一圈有十四块的时候,排法将近二十万种,十八块的时候超过一千六百万种。
这就是阿佩尔和哈肯非用机器不可的原因。不是想用,是那副骨架从坎普起就定好了:要么找到一张短清单,要么把一张长清单一项一项检验完。短清单一百年里没有人找到。
五 三种不踏实
多伦多那天的不踏实,后来被分成了三种,它们不是一回事。
第一种说:这不是证明。说得最有名的是哲学家托马斯·蒂莫奇科, 1979年。他没有说四色定理大概是错的。他说的是,证明本来有两样功能,一样是让人相信结论,另一样是让人把整条论证从头看到尾,看清楚为什么。他给后一样起的名字,意思是可以通览:一个人能站在一处,把它整个看下来。1976年这个证明做到了前一样,丢了后一样。一旦这种没法通览的计算也算证明,证明这个词就已经被扩大了。
第二种说:这是证明,可它不好看。它没有告诉你,为什么偏偏是四种颜色就够。多伦多会场里的很多人盼着,总有一天会出现一个短的,讲得出道理的证明。
第三种最实际:这也许是证明,可没法检查它是不是真的没错。程序有没有毛病,清单有没有漏项,几千份输出里有没有哪一份处理错了,打印出来的数据有没有在传递中错位。同一年,德米洛,利普顿和佩利斯三个人发表文章说,一个证明的可靠,本来就不只来自形式上的推导,也来自它进了数学界以后被人批评,简化,重用,讲授的那一整段过程。一个没有人能完整复查的证明,这段过程从哪里开始。
后来的事只真正回答了第三种。1990年代,罗伯逊,桑德斯,西摩和托马斯四个人原本想把阿佩尔和哈肯的证明核一遍,很快放弃了。他们后来写道,大意是:那个证明有一部分用了计算机,没法用手查,而据说能用手查的那一部分,又复杂琐碎得出奇。光是把一千多种图样的描述一个一个输进去,就是一件大工程。于是他们自己重做。1996年做成,清单缩到六百三十三种,放电的规则从几百条减到三十二条,程序和数据公开,别人可以自己重跑。他们说,证明不可避免的那一半,用手查要几个月,用计算机大约二十分钟。机器没有被拿掉,可机器那一部分第一次成了一个能被旁人单独检查的东西。2005年,贡蒂耶在一个叫作证明助手的程序里,把这条现代的证明整个写进一套形式系统,由一个很小的核心程序逐步核对。它查的是1996年那条路线,不是1976年阿佩尔和哈肯当年跑过的那些程序,那些程序有没有毛病,至今没有谁用这种办法证明过。从此要信的不再是成千上万个案例和一大段专用程序,而是那个小核心,那套形式的定义,以及把原来的命题翻译成形式语言的那一步。信任没有消失,缩小了,集中了,也能被旁人替换着查。
第二种不踏实没有被回答。2026年3月,六位作者在预印本中提出一个新的证明和一个快得多的着色办法,使用8202种可约构形,其中包括两个简单情形。截止2026年10月1日,这应当被称为作者提出的新证明,而不是已获长期独立核验共识的定论;这种审慎也不等于判定它错误。参与者之一的托马森说,他想要的是一个不用计算机的证明,他从来没有停止想这件事。
六 没有一本书装得下的定理
第二个例子更大,大到没有一本书装得下。
上一篇里说过那副骨架:能两两合成,有一个什么也不做的,每一个都能被抵消。数学家叫它群。沿正规子群和相应商群来分解,没有非平凡真正规子群的群叫单群;这不等于它没有非平凡子群。它们的位置有点像素数:每个整数都由素数乘出来,每个有限群都有以单群为因子的组成列,但这些因子并不能唯一决定原群怎样组装。那么有限的单群一共有哪些。
最小的那些单群很朴素:素数个元素的循环。一个正五边形每次转五分之一圈,转五次回到原处,这五种转法就是一个单群。第一个不能交换次序的单群有六十个元素,就是一个正二十面体所有的旋转。第十篇里五次方程没有通用的求根公式,追到底,卡住的正是这个六十个元素的单群。
答案是一份名单:几个无穷的家族,按规律一个接一个排下去,另外还有二十六个不属于任何家族的零散例外。最大的那个例外后来叫怪兽,它的元素个数写出来是一个五十四位数。1973年前后,菲舍尔和格里斯预言了它。1980年一月十四日,格里斯在安娜堡宣布把它造了出来,造法是一个十九万六千八百八十三维的对象的全部对称。1982年发表时,他管它叫友好的巨人。
单篇的论文先长了起来。1963年,费特和汤普森证明了有限奇数阶群都是可解群,因而非交换的有限单群必为偶数阶,论文二百五十五页,占了一份期刊整整一期。后来贡蒂耶带着一个团队,把这篇论文整个放进了证明助手, 2013年发表。
证明名单完整,就是有限单群分类定理。它不是一篇论文,也不是一本书。它是几百篇论文,一百来位主要作者,正文一万页上下,把必需的背景结果也算进去,常见的估计到一万五千页。这些数字没有统一的算法,因为这一个证明在哪里结束,本来就说不清。
1980年代初,丹尼尔·戈伦斯坦出了一本书,题目的意思是有限单群:分类引论,把二十多年的工作当作一个已经完成的整体来总结。二十多年里,他一直在给这件事看全局,定方向。后来参与最深的阿施巴赫回头看时写道,数学界的一般看法是,分类在1980年前后就已经完成了。
完成不是某一天某个人在台上说的一句话。它是一个研究计划慢慢变成公认结果的过程,依据是各个大的分支都被认为覆盖了,剩下的部分,相关的专家都知道该怎么处理。
专家知道该怎么完成,和已经有一套发表出来,能一条一条引用的完整证明,不是同一句话。问题正藏在这两句话之间。
七 缺的那一块
分类树上有一整块情形,叫拟薄群。这一块在第一代计划里由杰夫·梅森承担。1980年他宣布了这一块的分类, 1981年留下一部八百页左右的手稿,没有发表,后来才看清它并不完整,有严重的缺口。
这个缺口没有一个发现日。它不像1890年希伍德指着坎普的某一步说这里错了。它是一点一点变清楚的: 1980年代末到1990年代,人们重新整理分类的证明时,越来越没法把这一块当作一个已经关上的环节。一个大家以为早就做完的部分,其实并没有真正做完。
补上它的是阿施巴赫和斯蒂芬·史密斯。2004年,他们出版了两卷本的《拟薄群的分类》,合起来一千二百二十页左右。这不是补一页勘误,是一部新书。那以后还出现过几处较小的遗漏,也一一补了。
所以这件事能说定的是三句。名单在1980年代初就被数学界当作正确的接受了。第一代公开的证明文献里,确实有一大块没有完成。2004年那两卷,给了这一块一个完整的,可以出版的处理。
戈伦斯坦很早就知道,第一代证明即使是对的,也不是一个像样的最终形态。他和理查德·莱昂斯,罗纳德·所罗门开始了第二代计划:把散在几百篇论文里的证明重写成一套系统的,尽量自足的,依赖关系清楚的专著。1992年八月,戈伦斯坦去世。第二代的第一卷, 1994年才出来。出版社给这套书写的说明里,目标是一个仔细的,大体自足的证明。第十卷于2023年出版;这项重写工程此后仍在继续,具体卷数和总页数须随出版记录更新。莱昂斯和所罗门在写主线的最后部分,德国的施特罗特手里还有一部大部头的手稿,管最后那一段。当初估计的十二卷,五千页,现在看已经很紧。
有没有一个人把第一代的证明,连同它依赖的全部结果,从头到尾逐行读过。找不到任何一个人这样说过。阿施巴赫,莱昂斯,所罗门这些人对整个结构的掌握非同寻常,各个区域又有各自的专家,可是掌握结构和逐页核对几百篇论文,是两个量级的工作。
数学界实际用的办法,不是去找一个超级读者。各个区域的专家对自己那一块负责。不同论文之间反复调用,反复调用给了重新检查的机会,但并不保证每次引用都有人逐行重查。发现大的缺口就重写。最后用综述和第二代专著,把谁相信谁尽量变成哪一条结果依赖哪一条结果。一个定理被知道了,并不等于有一个人知道它的全部细节。
八 三种完成
还有第三个例子。1611年,开普勒写了一本讲六角形雪花的小书,当作新年礼物送给他的赞助人,书里顺带猜了一件事:水果摊上把橙子一层一层堆成金字塔的那种堆法,已经是空间里最密的堆法。这个问题最早来自炮弹:沃尔特·雷利让他的助手哈里奥特想办法算出一堆炮弹有多少个,哈里奥特从1606年起跟开普勒通信。1900年,希尔伯特把它列进了他那张问题清单的第十八个问题里。1998年,托马斯·黑尔斯宣布证明了它。他的证明一半是传统的推理,一半是大量不等式的验证,线性规划和有限的枚举,学生塞缪尔·弗格森在关键部分出了大力。
《数学年刊》为此组织了十二个人左右的审稿组,审了大约四年。2003年,审稿组的负责人费耶什·托特说,他们对证明的正确性有百分之九十九的把握,但没法把全部计算认证一遍。这个数字后来被引用了无数次,因为它把同行审稿平常不说出口的一件事量化了:审稿从来不是一个只有对和错两档的开关。2005年,《数学年刊》登出了主要论证,页码1065至1185,共121页;计算资源和相关计算论文另行提供或发表。
黑尔斯没有停在这里。他发起了一个项目,要把整个证明放进形式系统,让机器的小核心去查,不再要求任何审稿人相信那些计算。2014年八月十日,项目宣布完成,用了两个证明助手。2017年,这个形式证明正式发表,署名的有二十二个人。
同一个定理,三个日期,三种意义上的完成。1998年,作者认为做完了。2005年,期刊认为够可靠,可以发表。2014年,一个形式的核心把它查完了。
这个问题,这个系列碰到第四次了。第三篇问那本书算不算公理化的开端,第五篇问那些注算不算证明,第九篇问那些级数算不算微积分。前三次问的都是一样东西该叫什么,而且都是后来的人回过头去问的。这一次不一样。东西就在那里,名字也没有争议,问的是它算不算被知道了。而且这一次,问的是同时代的人: 1976年多伦多散场的时候,会场里的数学家已经说心里不踏实,三年以后,蒂莫奇科把这种不踏实写成了一个问题。
另一边的声音也一直在。1980年,克拉科夫斯基回答蒂莫奇科,说任何有限长的形式证明原则上都能通览,人类只需要学会活得更长一点。这句话是讽刺,里面有一个很硬的道理:数学从来没有要求一个证明的全部背景同时装在一个人的脑子里。一篇二十页的论文可能调用几千页书里的定理,没有人因此说那二十页不算证明。1994年,瑟斯顿写道,数学家在找的,是让人去理解,去思考数学的方式。按这个看法,一个证明除了保证结论是真的,还要把东西交到人手里。大证明的麻烦,不在于没有人拥有全部,平常的数学也没有人拥有全部。麻烦在于信任的链条变得很长,而好的办法是让链条上每一环都尽量小,尽量能换人查。
所以从1976年到今天,真正变化的不是数学从人手里交给了机器。是三件本来绑在一起的事第一次大规模地分开了:一个论证成不成立,它有没有给人理解,它实际上能不能被查。四色定理把计算挪出了一个人的视野,分类定理把文献和专门知识挪出了一个人的视野,形式化想把这些再压回一个能被机器逐步核对的对象里。它回答了人凭什么相信的一大半,另一半留在那里:一个数学界已经可靠地知道某件事为真,是不是也就明白了它为什么为真。
一个人握不住的东西,可以拆成每一块都有人握得住。
1977年,麻省理工的三个年轻人公开了一种加密的办法,它靠的是一件数学上的难事:两个大素数乘起来容易,从乘积拆回去难。五年以后,这个办法有了一家公司,第六年有了专利。
数还在往下算,而什么算数学,还没有算清楚过。
一 禮貌的掌聲
1976年七月二十二日,伊利諾伊大學的兩位數學家肯尼斯·阿佩爾和沃爾夫岡·哈肯宣佈:在通常的平面地圖條件下,四種顏色就夠塗,共用一段邊界的相鄰地區可以不同色;只在一點接觸不算相鄰。那年八月在多倫多大學,美國數學會和美國數學協會的夏季年會上,哈肯上台講這個證明。他四十八歲,生在柏林,本行是拓撲,在三維空間的形狀那一塊已經很有名。會場擠滿了人。一個懸了一百二十四年的問題落了地。
唐納德·阿爾伯斯那天也在會場裡。據他記下的,哈肯講完的時候,他本以為台下會爆發一場熱烈的歡呼,結果聽見的是禮貌的掌聲。會後一個接一個的數學家說自己心裡不踏實。讓他們不踏實的是這個證明的樣子:它的一大塊是機器算的,算了一千二百個小時,沒有一個人能用手從頭到尾核一遍。他們常常說,幾百頁機器打印稿里說不定埋著一處錯,阿爾伯斯在這句話裡自己插了一問,他們是不是盼著有錯。阿爾伯斯這篇報道登在1981年春天的一份數學期刊上,題目的前半句就是禮貌的掌聲,後半句是:今天什麼是證明。
問題本身說一遍,小孩子都聽得懂,來歷也很樸素。1852年,一個叫弗朗西斯·格思里的年輕人給一張英格蘭各郡的地圖上色,發現四種顏色似乎總夠用。他把這事告訴弟弟弗雷德里克,弟弟去問自己的老師德摩根。十月二十三日,德摩根給都柏林的哈密頓寫信,把問題轉了過去。信一開頭,大意是:今天一個學生要他給一件事實講個道理,這件事他原先不知道是事實,現在也還不知道。三天以後哈密頓回信,大意是他不大可能很快去碰你這個顏色的四元數。四元數是他九年前想出來的東西,想出來那天,他把式子刻在了路過的一座橋的石頭上,那些年他整個人都在裡面。
提出問題的那個年輕人,那年二十一歲,剛拿到法學學位。他後來沒有再碰這個問題,也沒有為它寫過一個字。他去了南非,在開普敦的南非學院當了二十多年數學教授,余下的心思給了開普的石南花,跟一位植物學家一起做,一直做到去世,有一個植物的屬用他的姓命名。
說一遍用不了一分鐘的問題,證明用了一百二十四年。而多倫多那天的不踏實,要從頭說起:這個問題以前被證明過一次。
二 活了十一年的證明
問題在抽屜裡放了二十多年。1878年六月十三日,凱萊在倫敦數學會的會上問了一句:這個問題有人解決了沒有。第二年,他的一個老學生站了出來。1879年七月,倫敦一位叫阿爾弗雷德·坎普的出庭律師在《自然》上宣佈了證明,隨後全文登在一份美國的數學刊物上。他本行是打官司,數學是在劍橋跟凱萊學的。證明寫得清楚,辦法也聰明:地圖上兩種顏色交替連成的一串地區,可以整串對調顏色,不碰別的地方。後來人管這樣的一串叫坎普鏈。證明被接受了,一接受就是十一年。第二年,蘇格蘭的物理學家泰特又拿出兩個證明,裡面有聰明的想法,也有基本的錯誤。那些年,不少人以為這個問題已經了結。
1890年,杜倫的數學講師希伍德指出了坎普證明裡的漏洞。那個證明在處理一塊被五個鄰居圍住的地區時,要連著做兩次對調,坎普以為兩次互不干擾,可兩條鏈在圖上會纏在一起,第一次對調可能把第二次需要的條件破壞掉。證明塌了。
希伍德沒有只是拆。他用那個證明留下的辦法證出了一個弱一點的結論:五種顏色一定夠。那種整串對調顏色的技術也活了下來,成了圖論里的常用工具。失敗的證明留下有用的東西,在數學史上不算稀奇。希伍德自己後來在杜倫從講師做到教授, 1926年到1928年當過副校長,在地圖著色上又做了將近六十年,最後一篇這方面的論文登在1949年,那年他八十七八歲。同事記得他留著極大的鬍子,瘦小,微駝,常披一件樣式古怪,一看就很舊的鬥篷,上課時有一條狗,獲准待在教室裡。
稀奇的是時間。一個寫得清清楚楚的證明,在一流數學家眼前擺了十一年,沒有人看出它錯在哪裡。人讀得了的證明,從來不等於有人真的查過。多倫多那天的不踏實,一半來自這裡:人讀得了的證明尚且如此,人讀不了的,憑什麼信。
三 伊利諾伊的機房
阿佩爾和哈肯之前,德國人海因里希·黑施已經在這條路上用起了計算機。1960年代他把一個關鍵的辦法想清楚了。1967年,哈肯為這個問題去找他。此後四年裡黑施幾次到美國,因為那邊的計算機更大更快,合作的人里就有哈肯。在最要緊的階段,德國的國家研究基金會停了他的資助。
1970年代初,哈肯在一次講演里講到他們在布魯克黑文實驗室的計算機上做過的嘗試,說懂計算機的專家告訴他,走計算這條路沒有希望。講完以後,同系的阿佩爾找到他,說那些專家錯了,要花時間,但是能做。1972年兩個人開始合作,阿佩爾主要管計算,哈肯管理論那一頭。
他們做的不是先寫好一個普通的證明,最後拿機器算幾個數。機器從頭到尾在循環里:人定一套規則,機器去試,試出來的毛病回到人手裡改規則,改完再送進去,這樣來回了好幾年。最後的數字是:四百八十七條規則,人工看過的局部情形大約一萬個,機器逐一檢驗的圖樣大約兩千種。有的圖樣在一台慢一些的機器上要算九十分鐘,換到快的那一台也要三十分鐘。前後加起來,機器時間大約一千二百個小時,用他們自己的說法,其間機器做了大約一百億個邏輯判斷。最後那一段,用的是伊利諾伊大學1976年三月新買來管學校行政的一台大計算機,兩個人分到了上面的機時。
人手的那一部分,也不全是他們兩個人的手。規則的最後一版是用手推的。1976年上半年,阿佩爾,哈肯和哈肯的女兒多羅西婭熬了幾個月,把後來組成那張清單的一千九百三十六種圖樣一種一種過了一遍。多羅西婭那幾年在念中學和大學,後來她自己也成了研究計算機的學者。證明公開以前,兩家拉了五個孩子來幫忙:多羅西婭和阿明·哈肯,勞蕾爾,彼得和安德魯·阿佩爾。他們對著機器的打印稿,一頁一頁核論文裡畫出來的圖樣有沒有抄錯。阿佩爾的女兒勞蕾爾那年十三歲,核的是七百來頁。哈肯後來回憶,大意是:她整整乾了一個月,找出大約八百處錯,七百頁上八百處,不算多,其中六百五十處她自己就改好了,剩下的那些,他和阿佩爾只用五天就修補完了。
清單一直在變。預印本上是一千九百三十六種,正式發表時減到一千四百八十二種,後來又整理到一千四百零五種左右。正式的論文1977年分兩部分登出來,檢驗那一部分還有約翰·科克參加,另附大約四百五十頁的微縮膠片,存著大量的圖和核對記錄。阿佩爾和哈肯自己估算過:一個難的圖樣,機器吐出來的全部輸出,一個人每周查四十個小時,要查上好幾年。十幾年以後, 1989年,兩個人又把整個證明出成了一本書。
那年秋天,伊利諾伊大學數學系把寄信用的郵資機改了。從系里寄出去的每一封信上,都蓋著一行字:四色足夠。
四 一張清單
機器在算的,是一張清單上的每一項。這張清單是什麼,為什麼非要它不可,得回到坎普那個證明的形狀, 1976年的證明和1879年的那一個,骨架是同一副。先假定四種顏色不夠,那就一定有一張最小的反例:所有要五種顏色的地圖裡,地區最少的那一張。然後準備兩件事。第一件是一張清單,證明任何一張地圖裡都必然出現清單上的某一種局部圖樣,這叫不可避免。證明它的辦法叫放電:先按鄰居的多少給每塊地區記一個數,再按一套規則讓這些數在相鄰的地區之間挪,挪完以後總有地方剩下正數,那裡就一定長著清單上的某一種圖樣。第二件是對清單上的每一種圖樣,證明它不可能出現在最小反例里:只要它出現,就能把它縮掉,得到一張更小的地圖,這張小圖按假定能用四種顏色塗好,再把縮掉的那一塊放回來,顏色仍然調得開。這叫可約。兩件事一合,最小反例既必須含有清單上的東西,又不可能含有,所以它根本不存在。放電這個辦法,阿佩爾和哈肯是從黑施那裡接過來的。
坎普的清單很短。他先證明每張地圖裡總有一塊地區,鄰居不超過五個。鄰居四個以下的情形,他的對調辦法都處理得了。五個鄰居的那一種,就是希伍德找到漏洞的地方。
往後的路,是把五個鄰居那一種拆開,換成更大更細的圖樣,讓每一種都能單獨證明可約。可拆得越細,清單越長,每一種圖樣的檢驗也越重:一個圖樣外面圍著一圈地區,要把四種顏色在這一圈上的每一種排法都試一遍,看能不能調開。這一圈有十四塊的時候,排法將近二十萬種,十八塊的時候超過一千六百萬種。
這就是阿佩爾和哈肯非用機器不可的原因。不是想用,是那副骨架從坎普起就定好了:要麼找到一張短清單,要麼把一張長清單一項一項檢驗完。短清單一百年裡沒有人找到。
五 三種不踏實
多倫多那天的不踏實,後來被分成了三種,它們不是一回事。
第一種說:這不是證明。說得最有名的是哲學家托馬斯·蒂莫奇科, 1979年。他沒有說四色定理大概是錯的。他說的是,證明本來有兩樣功能,一樣是讓人相信結論,另一樣是讓人把整條論證從頭看到尾,看清楚為什麼。他給後一樣起的名字,意思是可以通覽:一個人能站在一處,把它整個看下來。1976年這個證明做到了前一樣,丟了後一樣。一旦這種沒法通覽的計算也算證明,證明這個詞就已經被擴大了。
第二種說:這是證明,可它不好看。它沒有告訴你,為什麼偏偏是四種顏色就夠。多倫多會場裡的很多人盼著,總有一天會出現一個短的,講得出道理的證明。
第三種最實際:這也許是證明,可沒法檢查它是不是真的沒錯。程序有沒有毛病,清單有沒有漏項,幾千份輸出里有沒有哪一份處理錯了,打印出來的數據有沒有在傳遞中錯位。同一年,德米洛,利普頓和佩利斯三個人發表文章說,一個證明的可靠,本來就不只來自形式上的推導,也來自它進了數學界以後被人批評,簡化,重用,講授的那一整段過程。一個沒有人能完整復查的證明,這段過程從哪裡開始。
後來的事只真正回答了第三種。1990年代,羅伯遜,桑德斯,西摩和托馬斯四個人原本想把阿佩爾和哈肯的證明核一遍,很快放棄了。他們後來寫道,大意是:那個證明有一部分用了計算機,沒法用手查,而據說能用手查的那一部分,又複雜瑣碎得出奇。光是把一千多種圖樣的描述一個一個輸進去,就是一件大工程。於是他們自己重做。1996年做成,清單縮到六百三十三種,放電的規則從幾百條減到三十二條,程序和數據公開,別人可以自己重跑。他們說,證明不可避免的那一半,用手查要幾個月,用計算機大約二十分鐘。機器沒有被拿掉,可機器那一部分第一次成了一個能被旁人單獨檢查的東西。2005年,貢蒂耶在一個叫作證明助手的程序裡,把這條現代的證明整個寫進一套形式系統,由一個很小的核心程序逐步核對。它查的是1996年那條路線,不是1976年阿佩爾和哈肯當年跑過的那些程序,那些程序有沒有毛病,至今沒有誰用這種辦法證明過。從此要信的不再是成千上萬個案例和一大段專用程序,而是那個小核心,那套形式的定義,以及把原來的命題翻譯成形式語言的那一步。信任沒有消失,縮小了,集中了,也能被旁人替換著查。
第二種不踏實沒有被回答。2026年3月,六位作者在預印本中提出一個新的證明和一個快得多的著色辦法,使用8202種可約構形,其中包括兩個簡單情形。截止2026年10月1日,這應當被稱為作者提出的新證明,而不是已獲長期獨立核驗共識的定論;這種審慎也不等於判定它錯誤。參與者之一的托馬森說,他想要的是一個不用計算機的證明,他從來沒有停止想這件事。
六 沒有一本書裝得下的定理
第二個例子更大,大到沒有一本書裝得下。
上一篇裡說過那副骨架:能兩兩合成,有一個什麼也不做的,每一個都能被抵消。數學家叫它群。沿正規子群和相應商群來分解,沒有非平凡真正規子群的群叫單群;這不等於它沒有非平凡子群。它們的位置有點像素數:每個整數都由素數乘出來,每個有限群都有以單群為因子的組成列,但這些因子並不能唯一決定原群怎樣組裝。那麼有限的單群一共有哪些。
最小的那些單群很樸素:素數個元素的循環。一個正五邊形每次轉五分之一圈,轉五次回到原處,這五種轉法就是一個單群。第一個不能交換次序的單群有六十個元素,就是一個正二十面體所有的旋轉。第十篇裡五次方程沒有通用的求根公式,追到底,卡住的正是這個六十個元素的單群。
答案是一份名單:幾個無窮的家族,按規律一個接一個排下去,另外還有二十六個不屬於任何家族的零散例外。最大的那個例外後來叫怪獸,它的元素個數寫出來是一個五十四位數。1973年前後,菲捨爾和格里斯預言了它。1980年一月十四日,格里斯在安娜堡宣佈把它造了出來,造法是一個十九萬六千八百八十三維的對象的全部對稱。1982年發表時,他管它叫友好的巨人。
單篇的論文先長了起來。1963年,費特和湯普森證明了有限奇數階群都是可解群,因而非交換的有限單群必為偶數階,論文二百五十五頁,佔了一份期刊整整一期。後來貢蒂耶帶著一個團隊,把這篇論文整個放進了證明助手, 2013年發表。
證明名單完整,就是有限單群分類定理。它不是一篇論文,也不是一本書。它是幾百篇論文,一百來位主要作者,正文一萬頁上下,把必需的背景結果也算進去,常見的估計到一萬五千頁。這些數字沒有統一的算法,因為這一個證明在哪裡結束,本來就說不清。
1980年代初,丹尼爾·戈倫斯坦出了一本書,題目的意思是有限單群:分類引論,把二十多年的工作當作一個已經完成的整體來總結。二十多年裡,他一直在給這件事看全局,定方向。後來參與最深的阿施巴赫回頭看時寫道,數學界的一般看法是,分類在1980年前後就已經完成了。
完成不是某一天某個人在台上說的一句話。它是一個研究計劃慢慢變成公認結果的過程,依據是各個大的分支都被認為覆蓋了,剩下的部分,相關的專家都知道該怎麼處理。
專家知道該怎麼完成,和已經有一套發表出來,能一條一條引用的完整證明,不是同一句話。問題正藏在這兩句話之間。
七 缺的那一塊
分類樹上有一整塊情形,叫擬薄群。這一塊在第一代計劃里由傑夫·梅森承擔。1980年他宣佈了這一塊的分類, 1981年留下一部八百頁左右的手稿,沒有發表,後來才看清它並不完整,有嚴重的缺口。
這個缺口沒有一個發現日。它不像1890年希伍德指著坎普的某一步說這裡錯了。它是一點一點變清楚的: 1980年代末到1990年代,人們重新整理分類的證明時,越來越沒法把這一塊當作一個已經關上的環節。一個大家以為早就做完的部分,其實並沒有真正做完。
補上它的是阿施巴赫和斯蒂芬·史密斯。2004年,他們出版了兩卷本的《擬薄群的分類》,合起來一千二百二十頁左右。這不是補一頁勘誤,是一部新書。那以後還出現過幾處較小的遺漏,也一一補了。
所以這件事能說定的是三句。名單在1980年代初就被數學界當作正確的接受了。第一代公開的證明文獻裡,確實有一大塊沒有完成。2004年那兩卷,給了這一塊一個完整的,可以出版的處理。
戈倫斯坦很早就知道,第一代證明即使是對的,也不是一個像樣的最終形態。他和理查德·萊昂斯,羅納德·所羅門開始了第二代計劃:把散在幾百篇論文裡的證明重寫成一套系統的,盡量自足的,依賴關係清楚的專著。1992年八月,戈倫斯坦去世。第二代的第一卷, 1994年才出來。出版社給這套書寫的說明裡,目標是一個仔細的,大體自足的證明。第十卷於2023年出版;這項重寫工程此後仍在繼續,具體卷數和總頁數須隨出版記錄更新。萊昂斯和所羅門在寫主線的最後部分,德國的施特羅特手裡還有一部大部頭的手稿,管最後那一段。當初估計的十二卷,五千頁,現在看已經很緊。
有沒有一個人把第一代的證明,連同它依賴的全部結果,從頭到尾逐行讀過。找不到任何一個人這樣說過。阿施巴赫,萊昂斯,所羅門這些人對整個結構的掌握非同尋常,各個區域又有各自的專家,可是掌握結構和逐頁核對幾百篇論文,是兩個量級的工作。
數學界實際用的辦法,不是去找一個超級讀者。各個區域的專家對自己那一塊負責。不同論文之間反復調用,反復調用給了重新檢查的機會,但並不保證每次引用都有人逐行重查。發現大的缺口就重寫。最後用綜述和第二代專著,把誰相信誰盡量變成哪一條結果依賴哪一條結果。一個定理被知道了,並不等於有一個人知道它的全部細節。
八 三種完成
還有第三個例子。1611年,開普勒寫了一本講六角形雪花的小書,當作新年禮物送給他的贊助人,書裡順帶猜了一件事:水果攤上把橙子一層一層堆成金字塔的那種堆法,已經是空間里最密的堆法。這個問題最早來自炮彈:沃爾特·雷利讓他的助手哈里奧特想辦法算出一堆炮彈有多少個,哈里奧特從1606年起跟開普勒通信。1900年,希爾伯特把它列進了他那張問題清單的第十八個問題裡。1998年,托馬斯·黑爾斯宣佈證明了它。他的證明一半是傳統的推理,一半是大量不等式的驗證,線性規劃和有限的枚舉,學生塞繆爾·弗格森在關鍵部分出了大力。
《數學年刊》為此組織了十二個人左右的審稿組,審了大約四年。2003年,審稿組的負責人費耶什·托特說,他們對證明的正確性有百分之九十九的把握,但沒法把全部計算認證一遍。這個數字後來被引用了無數次,因為它把同行審稿平常不說出口的一件事量化了:審稿從來不是一個只有對和錯兩檔的開關。2005年,《數學年刊》登出了主要論證,頁碼1065至1185,共121頁;計算資源和相關計算論文另行提供或發表。
黑爾斯沒有停在這裡。他發起了一個項目,要把整個證明放進形式系統,讓機器的小核心去查,不再要求任何審稿人相信那些計算。2014年八月十日,項目宣佈完成,用了兩個證明助手。2017年,這個形式證明正式發表,署名的有二十二個人。
同一個定理,三個日期,三種意義上的完成。1998年,作者認為做完了。2005年,期刊認為夠可靠,可以發表。2014年,一個形式的核心把它查完了。
這個問題,這個系列碰到第四次了。第三篇問那本書算不算公理化的開端,第五篇問那些注算不算證明,第九篇問那些級數算不算微積分。前三次問的都是一樣東西該叫什麼,而且都是後來的人回過頭去問的。這一次不一樣。東西就在那裡,名字也沒有爭議,問的是它算不算被知道了。而且這一次,問的是同時代的人: 1976年多倫多散場的時候,會場裡的數學家已經說心裡不踏實,三年以後,蒂莫奇科把這種不踏實寫成了一個問題。
另一邊的聲音也一直在。1980年,克拉科夫斯基回答蒂莫奇科,說任何有限長的形式證明原則上都能通覽,人類只需要學會活得更長一點。這句話是諷刺,裡面有一個很硬的道理:數學從來沒有要求一個證明的全部背景同時裝在一個人的腦子裡。一篇二十頁的論文可能調用幾千頁書裡的定理,沒有人因此說那二十頁不算證明。1994年,瑟斯頓寫道,數學家在找的,是讓人去理解,去思考數學的方式。按這個看法,一個證明除了保證結論是真的,還要把東西交到人手裡。大證明的麻煩,不在於沒有人擁有全部,平常的數學也沒有人擁有全部。麻煩在於信任的鏈條變得很長,而好的辦法是讓鏈條上每一環都盡量小,盡量能換人查。
所以從1976年到今天,真正變化的不是數學從人手裡交給了機器。是三件本來綁在一起的事第一次大規模地分開了:一個論證成不成立,它有沒有給人理解,它實際上能不能被查。四色定理把計算挪出了一個人的視野,分類定理把文獻和專門知識挪出了一個人的視野,形式化想把這些再壓回一個能被機器逐步核對的對象里。它回答了人憑什麼相信的一大半,另一半留在那裡:一個數學界已經可靠地知道某件事為真,是不是也就明白了它為什麼為真。
一個人握不住的東西,可以拆成每一塊都有人握得住。
1977年,麻省理工的三個年輕人公開了一種加密的辦法,它靠的是一件數學上的難事:兩個大素數乘起來容易,從乘積拆回去難。五年以後,這個辦法有了一家公司,第六年有了專利。
數還在往下算,而什麼算數學,還沒有算清楚過。
Sources and further reading史料与延伸阅读史料與延伸閱讀
Selected references for historical details and interpretive disputes. Museum records, ancient literary accounts and modern reconstructions do not carry the same kind of evidence.
以下资料对应文中的历史细节与解释分歧。馆藏记录、古代文学与现代重建,不是同一种证据。
以下資料對應文中的歷史細節與解釋分歧。館藏記錄、古代文學與現代重建,不是同一種證據。
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