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希尔伯特第6问题何以摘得菲尔兹奖

2026-07-24

时间为什么只能向前?

杯子摔碎之后不会自动复原,热量总是从高温流向低温,混合的气体最终会趋于均匀。我们正是通过这些不可逆的变化,感受到时间的方向。

但在微观世界里,牛顿力学并不区分时间的正反。把粒子的运动倒放,方程依然成立。

宏观的不可逆,如何从微观的可逆中产生?我认为,这才是邓煜、Zaher Hani和马骁这项工作的真正分量。

两套理论之间缺少一座严格的桥

19世纪,麦克斯韦和玻尔兹曼把分子运动与统计方法结合起来,用大量粒子的速度分布解释气体的温度、扩散和热平衡。

其中的关键,是“分子混沌假设”:发生碰撞的粒子,其速度可以近似视为彼此独立。借助这个假设,玻尔兹曼建立了描述气体演化的方程,并由此得到体现热力学第二定律的H定理。

物理图景很有说服力,数学基础却并不完整。

洛施密特指出,可逆的动力学不应推出不可逆的结果。庞加莱回归定理又表明,一类孤立系统经过足够长的时间,最终会回到接近初始状态的位置。

玻尔兹曼的回应是统计性的:回归虽然可能发生,等待时间却极其漫长;在几乎所有可观察的时间里,宏观系统仍然遵循热力学第二定律。

这足以支撑物理学,却没有回答数学家追问的问题:能否不把分子混沌当作未经证明的前提,直接从牛顿力学推出玻尔兹曼方程?

第六问题真正难在两个极限

1900年,希尔伯特提出第六问题,希望用公理化方法处理概率论和力学,并从原子层面的运动推导连续介质的运动规律。

这个问题原本范围很广。DHM团队解决的不是整个物理学的公理化,而是其中一条最关键、也最具体的推导链:从微观粒子到宏观流体。

这条链分为两个极限。

第一步是动力学极限。当粒子数量趋于无穷、相互作用范围趋于零时,要从N粒子的牛顿力学严格推出单粒子密度所满足的玻尔兹曼方程。

第二步是流体力学极限。当碰撞越来越频繁时,再从玻尔兹曼方程推出欧拉方程和纳维—斯托克斯方程等宏观流体方程。

第二步已有长期积累,真正卡住百余年的,是第一步中的长时间推导。

短时间成立,不等于理论链条闭合

1975年,Lanford定理证明,在硬球弹性碰撞模型中,玻尔兹曼方程可以在足够短的时间内由粒子动力学导出。

这是重要突破,却留下了一个根本缺口:粒子经历越来越多的碰撞后,相关性会不断累积,最初的独立性还能否保持?

这正是分子混沌假设最难处理的地方。短时间近似合理,并不能自动延伸到任意长时间。

DHM团队在2025年公布的工作,核心价值就在于跨过了这道长时间障碍,把牛顿力学、玻尔兹曼动力学和宏观流体方程连成了一条严格的数学路径。

一篇48页的最终论文背后,还有他们此前一篇164页的准备工作。重大突破往往不是突然出现的灵感,而是先把问题准确地定义出来,再逐层建立足够坚固的工具。

他们证明的是推导,不是重新解释熵

这项成果很容易被包装成“解释了时间箭头的起源”,但这种说法需要克制。

DHM团队要完成的任务,是从牛顿力学推出玻尔兹曼方程。玻尔兹曼方程本身已经蕴含H定理,因此不需要另行设计所谓“熵产生机制”。素材中特别指出,论文也没有依赖一些报道所称的马尔可夫性。

更准确的说法是:他们没有给牛顿力学额外加入一个时间方向,而是证明在合适的极限条件下,描述可逆微观运动的方程,确实能够导出具有宏观方向性的动力学规律。

这不是一句哲学口号,而是一条此前缺失的数学证明链。

菲尔兹奖奖励的是把层次真正打通

我理解,这项工作的意义不只在于解决了一个著名问题,更在于它连接了三个不同层次的世界。

微观层面,是粒子按照牛顿定律运动和碰撞;中间层面,是玻尔兹曼方程描述概率分布的演化;宏观层面,是欧拉方程和纳维—斯托克斯方程描述流体。

过去,我们知道这三种描述在物理上彼此关联,也有大量局部结果支持这种关联。但知道“应该如此”,与证明“必然如此”,是两回事。

希尔伯特第六问题历经125年仍然重要,正因为它要求数学把不同尺度之间的直觉变成严格推导。DHM团队完成的,正是这座桥最难的一段。

人们常说,牛顿力学消除了时间的方向。现在更准确的理解也许是:时间的箭头并不需要被强行塞进每一个微观粒子的运动中,它可以在大量粒子、长期演化和尺度转换之中显现出来。

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