把“结”变成二维码：用新不变量区分97%的复杂结并将规模延伸至600个交叉

来源ScienceAI 本文约2500字建议阅读5分钟把复杂拓扑结构转化为可计算、可视化的“结指纹”。从电脑线缆的缠绕到猫咪打乱的针织篮子结在日常生活中随处可见。它们也渗透在科学中出现在 DNA 的环状结构、缠结的聚合物链和旋转的水流中。在纯粹数学中结是拓扑学许多核心问题的关键。然而结理论家们仍然在处理最基本的问题如何区分两个结。即使两个复杂结看起来完全不同仅凭外观也很难判断它们是否有相同的结构。这个两个结也许可以通过移动一些线将其中一种变为另一种。在过去的一个世纪里结理论家发展出一套清晰但不完美的区分结的工具。这些工具称为结不变量它们各自测量结的某个方面——可能是由交织的线所形成的图案或是周围空间的拓扑结构。如果用不变量测量两个结的结果不同就证明了结是不同的。但反过来也不总是成立如果不变量给出相同的结果结可能是相同也可能不同。有些不变量比其他不变量更擅长区分结但存在权衡这些更强的不变量往往难以计算。当线交叉到 15~20 次时许多不变量开始失效——要么无法区分许多结要么计算变得太难。图示Peter Guthrie Tait 的一页论文其中区分了 10 个交叉的结。但如今荷兰格罗宁根大学的 Bar-Natan 和 Roland van der Veen 提出了一种新的结不变量它不需要数学家在两害之间做选择它既强大又易于计算。这种结合了强度和速度的特性意味着数学家们可以探究以前远超其能力范围的结。对于具有多达 300 个交点的结计算新的不变量非常容易而 Bar-Natan 和 van der Veen 甚至已经计算了具有超过 600 个交点的结的不变量的一些方面。对于每一个结不变量会输出一个色彩缤纷的六边形“二维码”其对称性和精致细节如同雪花一般。数学家们希望这些复杂的图案能引导他们发现单个结更深层次的同调特征。一桶绳结考虑一个游戏画一个结并尝试将它的每一根线段染成红色、黄色或蓝色。规则是必须至少使用每种颜色一次并且在每一个交叉点要么三种颜色都出现要么只有一种颜色出现。有些结可以这样做但有些则不行。图示绳结上色的两种示例。无论如何进一步缠结任何一个给定的结如果它最初是“三色可染”的那么它将保持这种状态。同样不是三色可染的结将保持不变。这使得三色染法成为结的一个不变量。在过去的一个世纪里结理论家们已经提出了数百种不变量。利用这些工具他们成功地将超过 20 亿种 20 个或更少交叉的结进行了分类——考虑到可计算且强大的不变量稀缺这无疑是一项英雄般的努力。打结的高速通道Bar-Natan 与 van der Veen 是两位擅长编程的理论家。前者在二十多年前发现了新不变量。当时他试图理解带状结——这种结沿着穿过自身的带状边界运行。这项工作使他重新审视了被称为康采维奇积分的不变量它包含了许多其他结不变量。数学家们对这个不变量抱有极高期望他们预测该不变量能够区分所有结。图示越来越复杂的“方形编织”结的 QR 码。于是Bar-Natan 开始尝试用更易计算的不变量去逼近 Kontsevich integral同时尽量保留其中有价值的信息。理论上确实存在一串自然递进的不变量它们能捕捉 Kontsevich integral 中越来越多的细节但除了其中第一个成员之外没人知道怎样高效地把其余不变量完全算出来。2015 年在奥胡斯大学的一场讲座上Bar-Natan 发出了一份手写讲义底部用大号洋红色斜体写着“Help Needed!”。坐在台下的 Van der Veen 接下了这个呼唤。两人一起尝试搞清楚怎样越过这一串不变量中的第一个。他们先从这串不变量中的第一个开始并决定推广其中一种方法把它表述成了“车流”的语言。设想把一个结看成一条单行高速公路你把这条高速公路在某处剪开于是它有了起点和终点再设想在每两个交叉点之间都有一座城市。如果一辆车从高速起点出发它会沿途经过每座城市一次然后离开终点。图示Bar-Natan 和 Van der Veen 提出的裁剪法。为了构造亚历山大多项式可以想象在每个交叉点上有一条从立交桥通向下方车道的可选匝道。当车到达立交桥时它有某个概率——记作 xxx——选择下匝道而不是继续走立交桥本身。真正的设定要更复杂一些有时还会涉及 xxx 的倒数。这时车并不一定会恰好经过每座城市一次。Bar-Natan 和 van der Veen 觉得也许可以为不变量序列中的第二步写出一个类似公式只不过要让两种车在下匝道上的概率不同比如一个是 x另一个是 y。但尽管尝试了很多次他们始终想不出一个可行的交通模型。直到有一天他们从亚原子粒子的数学中得到了启发。就像粒子可以彼此结合或分裂成其他粒子一样Bar-Natan 和 van der Veen 设想两种车有时会合并成第三种交通工具——好像一辆车被另一辆车拖着走。两辆车会作为一个整体一起在高速上行驶之后又可能再次分开各走各的路。图示拥有 300 个或更多交叉的几个结的 QR 码。Bar-Natan 和 van der Veen 觉得自己已经找到正确的设定但他们仍不知道如何把所有交通函数组合起来直接生成一个结不变量。尽管如此这个设定至少给了他们一种关于不变量“应该长什么样”的直觉。于是他们采用了一种老办法先写下一个结构正确的公式再调整其中的系数让它在结的线股被移动时仍然保持不变。某种意义上这个结果是他们硬试出来的。纠缠在一起的猜想虽然这个多项式看起来很杂乱但它表现出惊人的能力。例如对于 18 个交叉的结它可以区分超过 97% 的情况相比之下Jones polynomial 只能达到约 42%而 Alexander 多项式约为 11%。与此同时它仍然可以高效计算这种组合在结理论中极为罕见。更进一步这个不变量的系数可以被绘制成热图从而生成前述的“二维码”。只要两个结的图案不同就可以确定它们不同。研究者认为这一工具的意义不止于分类。它可能还与更深层的拓扑结构相关例如结的亏格genus并有望提供新的下界估计。此外他们猜测这一不变量可能等价于 Kontsevich 积分的某一近似形式所谓“two-loop polynomial”。如果这一点被证明成立将意味着这一工具在理论上的地位将进一步提升。尽管如此这项工作仍未结束。作者自己也承认他们目前可能只是“闯入了故事的中段”对其完整结构的理解仍然不充分。但可以确定的是这一方法打开了一条新的路径通过可计算的结构去逼近最强大的拓扑不变量。原文链接https://www.quantamagazine.org/a-powerful-new-qr-code-untangles-maths-knottiest-knots-20260422/编辑文婧关于我们数据派THU作为数据科学类公众号背靠清华大学大数据研究中心分享前沿数据科学与大数据技术创新研究动态、持续传播数据科学知识努力建设数据人才聚集平台、打造中国大数据最强集团军。新浪微博数据派THU微信视频号数据派THU今日头条数据派THU