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1702204062 沃森、克里克和伽莫夫很快成了好朋友。1954年夏天,伽莫夫听说沃森和克里克会去美国著名的避暑胜地鳕鱼角的伍兹霍尔海洋生物实验室工作一段时间,他于是向那里的一位友人借了一所临海的小别墅,这里就成了伽莫夫、沃森和克里克几乎天天聚会的地方。克里克有一段关于那时的回忆:“绝大多数的下午,杰米(沃森的昵称)和我都会去那所小别墅,与伽莫夫一起坐在岸边讨论各种各样的问题—从基因编码到漫无边际的闲聊,有时候就在那儿看伽莫夫给路过的漂亮女孩儿用扑克牌变戏法。在那些日子里,科学研究的节奏不像现在这么忙乱。”对于今天做科学研究的人们,这种悠哉游哉的日子肯定是一去不复返了。
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1702204064 1954年冬天的某日,伽莫夫、沃森、奥格尔(Leslie Orgel)和斯坦特(Gunther Stent)一起去参加在伯克利的一个晚餐聚会,与会者大都是对RNA结构感兴趣的年轻生物化学家。在餐会中他们四人产生了创立一个协会的念头,协会的目的就是让成员之间能相互交流研究RNA结构的新想法,以及通报各种新消息、新进展。他们最后决定将这个协会命名为RNA领带俱乐部,还限定俱乐部一共有20个会员。以20人为限是因为只有这么多种氨基酸。每个会员都以一种氨基酸作为自己的绰号并配发一条特制的领带外加一个领带夹。伽莫夫亲自为俱乐部设计了领带上的图案—RNA结构的示意图,领带夹上面则刻有对应于每个人代号的氨基酸的缩写字母。比如伽莫夫是ALA(丙氨酸),沃森是PRO(脯氨酸),克里克则是TYR(酪氨酸)。在俱乐部的专用信纸上印着德尔布吕克(Max Delbruck,获1969年诺贝尔生物与医学奖)为俱乐部制定的座右铭:“干就拼命干,不然就别试。”俱乐部的负责人的“官衔”名称也都怪怪的,分别为:合成器—伽莫夫,乐天派—沃森,悲观者—克里克,档案员—易卡斯(Martinas Ycas)和掌玺大臣—瑞奇(Alex Rich)。
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1702204069 RNA领带照片
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1702204071 这个俱乐部里的不少人在学界是出了名的“不正经”。比如伽莫夫曾经纠集了几个人给一份著名的德国物理期刊写信,故意指称某人的文章是恶作剧,而其实他们才是真正的恶作剧者。幸好编辑并未上当,没有把这封信登出来。他的朋友们深知其为人,所以有时也会以其人之道还治其人之身,拿他来寻开心。沃森就曾冒伽莫夫之名邀请了两百多人来参加一个酒会,最后还得让伽莫夫埋单。他们搞的这些恶作剧,真真假假、虚虚实实,让人很容易上当。1955年,领带俱乐部的“掌玺大臣”瑞奇从美国来到英国剑桥大学与沃森和克里克合作,准备一举攻克RNA的结构问题。这三人联手无疑是当时生物化学界的最强组合了,他们自己也认为解开RNA之谜非他们莫属。可没过几天,沃森就收到了伽莫夫的一封信,向他报告说爱荷华州立大学的化学家阮多斯(Rundles)已经将RNA的问题解决了,并询问沃森是否应吸收阮多斯为领带俱乐部的成员。阮多斯虽算不上什么成名人物,但毕竟曾在鲍林手下做过若干年DNA和RNA方面的研究工作,如今修成正果,也在情理之中。沃森等人本来还有点将信将疑,但紧接着瑞奇也接到了德尔布吕克的信,告诉他阮多斯的论文已刊登在最新一期的美国化学会志上。那年头可不像现在,一上网什么都能很快看到。美国化学会志通常需一个月后才能寄达英国。他们实在等不及了,由瑞奇给他在美国的一位搞化学的朋友拨了个越洋电话,想让他用电报把阮多斯的论文赶紧拍发过来。结果得到的回答竟是查无此文!他们这才醒悟过来,原来是上了伽莫夫和德尔布吕克的大当。
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1702204073 RNA领带俱乐部听起来有点像是开玩笑,但其实非同小可,因为它的20个成员几乎个个都是精英,光是诺贝尔奖得主就有六名之多。他们又是一个跨领域的大杂烩,数学、物理、化学、生物、生物化学、物理化学、电子显微镜,不一而足。其中有顶尖的理论物理学家费曼和氢弹之父泰勒(Edward Teller),也有从理论物理转入基因研究并取得重大成就的德尔布吕克。俱乐部的主体当然还是分子生物学界的新星们,约占了1/3。他们这伙人大多是各自领域中的“异类”,差不多每个人都有一串故事。其中很值得一提的是德尔布吕克。
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1702204075 德尔布吕克可以说是出身理论物理的“名门”。他最开始是打算学天文的,1925年在柏林偶然听了一次海森堡关于量子力学的演讲,尽管听得似懂非懂,却使他的志向从天文变成了理论物理。次年他来到当时数学与理论物理的圣地—哥廷根大学,先后跟随维格纳(Eugene Wigner,获1963年诺贝尔物理学奖)和玻恩(Max Born,获1954年诺贝尔物理学奖)研习量子理论,并于1930年获得博士学位。之后他得到一年的洛克菲勒奖学金,在哥本哈根和苏黎世分别跟随玻尔和泡利做研究。这两位物理大师都对他评价极好。最稀奇的是,泡利在物理学界是出了名的“毒舌”,却居然对德尔布吕克青眼有加。1932年他又成为著名核物理学家迈特纳(Lise Meitner)的助手,并与哈恩(Otto Hahn,获1944年诺贝尔化学奖)进行过合作研究。说来奇怪,尽管德尔布吕克师从的全都是大师级的人物,而且所有的人都认为他极具潜力,可他在理论物理领域却一直没能一鸣惊人。
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1702204077 遇到来自苏联的基因科学家吉莫弗耶夫—芮索沃斯基(Nikolay Timofeev-Ressovsky),是德尔布吕克科学研究生涯的一个重要转折点。在皇帝威廉研究所工作期间,德尔布吕克一直想搞一个关于生物科学的非正式、跨领域的沙龙。正好吉莫弗耶夫-芮索沃斯基作为交换学者从莫斯科来到了柏林。他们两人一拍即合,很快就开始了合作。不久研究光生物学的齐默(Karl Zimmer)也加入了他们的行列。1935年他们共同完成了一篇在基因研究史上很有名的论文《基因变异的性质与基因结构》,他们断言基因就是分子,并以此为基点论证了物理概念可以被用来解释基因结构。从此,德尔布吕克的研究兴趣开始从理论物理转移到了基因科学,并使他最终成为分子生物学的奠基人之一。
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1702204079 1931年,美国的洛克菲勒基金会就已经决定将他们资助的重点从物理学转向生物学。在玻尔的推动下,德尔布吕克从洛克菲勒基金会获得了一年的经费,到美国加州理工学院的果蝇研究中心去工作。这个中心是由被誉为现代遗传学之父的摩尔根(Thomas Morgan,获1933年诺贝尔生物与医学奖)一手建立的。德尔布吕克一到实验室,摩尔根就让助手给了他一摞有关果蝇研究的文章,让他看看在“苍蝇房”有没有什么研究工作可做。德尔布吕克却有他自己的想法,他觉得必须另辟蹊径,因为如果按部就班地追随摩尔根的果蝇研究,一年时间可能什么也做不成。一个偶然的机会,他听说有个叫埃利斯(Emory Ellis)的年轻人在利用细菌病毒进行基因研究。通过与埃利斯的交谈,德尔布吕克很快意识到这正是他一直在寻觅的研究方向:借助于一个极简单的生物体来研究基因—既不需要复杂的设备,也不需要很多的预备知识。
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1702204081 细菌与病毒的简单结构以及繁殖的高速度是其最大的优越性,在短时间里它们可以繁殖很多代,而且可以很容易地进行人工调控。这使利用统计的方法来分析其基因的变异成为可能,从而为基因研究提供了一条崭新的途径,并逐渐取代果蝇成基因研究的主角。1939年第一台实用电子显微镜诞生,为了解病毒的详细繁衍过程提供了强有力的新工具。从这一点说,德尔布吕克的运气还是很不错的,他恰好在适当的时间选择了一个适当的课题。1941年,德尔布吕克开始与卢里亚(Salvador Luria,获1969年诺贝尔生物与医学奖)合作研究细菌的基因变异是自发的还是由环境变化决定的,这同时也能澄清当时还悬而未决的一个问题—细菌到底有没有基因。通过观察细菌出现抗御噬菌病毒的能力的概率,他们以令人信服的数据,得出明确的结论:细菌不但有基因,而且它们的基因变异是自发的。这篇论文还展示了深入的思考与统计分析相结合的研究方法在细菌基因学上的重要性,并成为“其后所有有关细菌基因学的论文的标杆”。
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1702204083 德尔布吕克等人开创的把生物化学与结晶学相结合的研究方法,最终导致了对DNA、RNA以及它们在生命复制过程中的中心作用的完整的理解。自1945年起,连续几个夏天,德尔布吕克在著名的冷泉港实验室主持关于利用噬菌病毒进行基因研究的讨论班,介绍、交流和推广这种新方法,为分子生物学和生物化学培养和造就了一大批人才,其中包括后来发现DNA双螺旋结构的沃森。这几期讨论班也使德尔布吕克成了桃李满天下的一代宗师。
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1702204085 德尔布吕克做学问有一个原则:“不做赶时髦的科学研究。”这也是俱乐部中大多数成员的共同特点。他们进行学术研究是为了探寻真理,而不是为了出人头地,更不是为了争经费以自肥。他们把做学问当成享受,因而通常能够抱持一种成功不必在我的平常心。从俱乐部成员之间的通信可以看出,他们相互之间的交流基本是不设防的。很多新的、不成熟的想法都会拿出来与其他人讨论,毫无为他人作嫁衣裳的顾忌。这样的心态在今天的学术界恐怕早已绝迹,而像RNA领带俱乐部这样的团体,在如今这个越来越功利的社会中大概也再难出现了。
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1702204090 三汤对话 [:1702202838]
1702204091 三汤对话 解决孪生素数问题的一线曙光
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1702204093 数论在数学里可能算是最难却又“最没用”的领域,可它同时又具有相当崇高的地位。人们甚至把是否在数论中有过重要贡献作为衡量一位数学家是不是数学全才的标准。常说的三个半数学全才:高斯,庞卡莱,希尔伯特和冯·诺依曼,前三个都对数论研究有过巨大的贡献,唯独冯·诺依曼没有,所以只能算半个。数论另一个引人入胜的地方,是它所提出的不少问题非常简明、易懂,即使没研读过多少高深数学的人也能知其所云,因而业余爱好者颇多。比如著名的哥德巴赫猜想,说起来确实很简单:任何一个大于2的偶数,都可表示成两个素数之和(素数就是只能被它自己和1整除的自然数,例如:2,3,5,7)。又比如本文中要讲的孪生素数猜想:孪生素数是指两个相差为2的素数(例如3和5,17和19等素数对),古希腊数学家欧几里得猜测,存在无穷多的素数对。像这些问题,一般人都能明白,可要想证明却又千难万难。黎曼假说、哥德巴赫猜想及孪生素数猜想等素数问题,被同列为著名的希尔伯特第八问题—也是极少的几个未被解决的希尔伯特问题之一。
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1702204095 孪生素数猜想看似简单,谁都不难找出几对来,3和5,5和7,11和13,17和19,29和31……如果继续往下找,就会发现这种素数对出现的频率越来越低,但也不会完全销声匿迹。近年来,人们利用大型计算机来寻找素数对,到目前为止,找到的最大素数对是3756801695685×2666669±1。这对素数已经是十分巨大的天文数字了,而且随着计算机功能的不断加强,可以肯定今后还能发现更大的素数对。然而这都无助于证明孪生素数猜想,因为不管找到多少素数对,它们毕竟是有限多的,与存在无穷多的素数对有着本质的区别。
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1702204097 为了后面叙述的方便,我们先来说一个简单的数学名词—下确界。给定一个数集,比如说{1、2、3},如果能找到一个数(可以是这组数中的一个,也可在其外)小于或等于这组数中所有的数,这个数就是这组数的一个下界。在我们的例子里,0和1都是下界。在所有的下界中如果有一个最大的下界,就称其为下确界。一个有界数集可以有无数个下界,但是下确界却只有一个。具体到{1、2、3}这个数集,1就是它的下确界。
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1702204102 张益唐
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1702204104 两个相邻素数的差最小只能是2,所以2永远是两个相邻素数的差的下界,但不见得是最大的下界(下确界)。如果我们能够证明当素数趋于无穷大时,两个相邻素数的差的下确界是2,就相当于证明了孪生素数问题。因为这就等于是说永远可以找到要多大有多大并且差为2的素数对。几百年来,许许多多的数学家和业余数论爱好者花费了无数的心血想要证明孪生素数猜想,但没人能取得任何实质性的进展。于是数学家们退而求其次,将注意力集中到一个相对容易一点的问题:当素数趋于无穷大时,两个相邻素数的差的下确界是有限的还是无限的?研究这个问题不光是解决孪生素数问题的第一步,同时也有它自身的意义,可以告诉我们当素数趋于无穷大时,两个相邻素数的差是否会无限扩大,从而对了解素数的分布有所助益。然而即便是这个问题,多年来仍然让数论研究者们一筹莫展。直到2014年5月,一位名不见经传的华裔学者张益唐终于取得了决定性的突破。张益唐证明了当素数趋于无穷大时,两个相邻素数的差的下确界小于70000000,即永远可以找到要多大有多大并且差为2、4、6……70000000之一的素数对。这个结论看似离证明孪生素数问题还差得很远,不过我们必须认识到,在张益唐之前,人们甚至无法确知上面所说的下确界究竟是有限的还是无限的。他的结论之所以重要,就在于明确给出了该下确界的一个有限边界,从而在广义的角度上确认了孪生素数猜想是可以被证明的。他的工作的另一层意义在于,其使用的方法具有相当的弹性,意味着这个边界的数值很可能还可以大幅减小。张益唐在他的论文里就指出,他所得到的结果可能并非最优的,其中一个关键参数的设定也是比较粗略的,因而存在着改进的空间。张益唐的论文出现没几天,素有“数学神童”之称的菲尔兹奖获得者陶哲轩(他9岁进入大学,10岁、11岁、12岁参加国际数学奥林匹克竞赛,分获铜牌、银牌、金牌,16岁获得学士学位,17岁获得硕士学位,21岁获得普林斯顿大学博士学位)就宣称他已将70000000降到了5000000。互联网上现在还有一个网站,专门登录最新的进展,我刚刚查过的最新纪录是60744(2013/6/16)。更有传言说戈德斯顿(Goldston)等人甚至可以把这个“魔术数字”降到16!当然这些都需要数学界进一步地推敲和证实。
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1702204106 张益唐的成果也并不是闭门造车、仅靠自己单打独斗得来的。戈德斯顿等人近年来在孪生素数方面的工作已经很接近于能够证明该下确界是有限的,但最终还是差了临门一脚。张益唐的突破可以说是在戈德斯顿等人奠定的基础上,完成了这临门一脚。据行家们讲,他使用的方法是经过改进的解析数论中的筛法,这是一种比较经典的方法,在当下的数学界属于不太时髦的东西。多年前陈景润在哥德巴赫猜想上取得的成果(证明了任何大偶数都可写成一个质数加不超过两个质数的乘积,即1+2)用的就是经过改良的筛法(陈氏定理)。很多搞数论的人都认为陈景润已经把筛法发挥得淋漓尽致,要想再往前走最终证明哥德巴赫猜想(1+1),必须另辟蹊径,采用新的方法。35年来,没人在哥德巴赫猜想上取得什么实质性的新进展,似乎印证了这一说法。有趣的是,筛法似乎总是能重新焕发青春。2004年,陶哲轩在证明存在任意长的素数等差数列(格林—陶定理,这是他的成名作之一)时就用到了陈氏定理。这次张益唐在孪生素数方面的突破又借助了筛法。张益唐的方法究竟是会引领到彻底证明孪生素数猜想,抑或是像陈氏定理对哥德巴赫猜想那样,最终可望而不可即,大家都拭目以待。
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1702204108 说起张益唐,他的学术道路可以说是相当的艰辛,一路走来真是很不容易。1985年初,他赴美国普度大学攻读博士学位,师从莫宗坚。他自己选了一个很大的论文题目—雅可比猜想。博士毕业前夕,他本以为已经证明了这个著名的猜想,然而最后关头却发现是错的。这对他此后在学术界的发展显然十分不利,以致在1991年获得博士学位后,有七八年的时间他甚至不得不在餐馆之类的地方打零工。即使在那样的环境里,他的数学研究却一直没撂下,而且还专攻像黎曼假说那样的顶尖难题。1998年,在北大数学系的学弟葛力明的鼎力相助下,他才在美国新罕布什尔大学数学系当了讲师。美国大学里的讲师地位不高,工资比助理教授要低不少,好在每年四门课的教学量还不算太大,做研究的时间基本能得到保证。在美国,只要有点能力,找一份收入不错的工作并非难事。能够像张益唐这样甘愿清贫、潜心学问的人实属凤毛麟角。
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1702204110 身在数学圈之外的人也许会问,花费毕生精力来钻研孪生素数猜想这类问题究竟有什么实际意义?数学大师庞卡莱有一段名言可以作为回答:“科学家研究自然界,不是因为它有用;他研究自然界是因为热爱它,而热爱它是由于它的美。如果自然界不美,就不值得去认识它,生命也就没有价值了。”其实,在人类文明发展的漫长岁月里,数学家们就像一群不知疲倦的工匠,不断“制造”出各种各样的数学“工具”。这些“工具”有的时候是为其他科学领域“量身定制”的,因而具有直接的可应用性。但在大多数时候,这些存放于数学殿堂中的“工具”则是数学家们自得其乐闭门造车的成果。不过有些在当时看似没用的“工具”,几十年甚至几百年后却会大放异彩,成为科学上重大突破的关键一环。一个最为人们津津乐道的例子,就是非欧几何学为爱因斯坦广义相对论所奠定的基础。至于孪生素数猜想等与素数分布有关的数论问题,如今已经具有了很重要的潜在应用价值。由于互联网的安全几乎完全取决于加密技术,而在公钥加密和电子商业中被广泛使用的RSA加密算法所依仗的,正是对极大整数做因数分解(即将该整数写成多个素数的乘积)的困难程度,这与素数的分布有着紧密的关联。
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