martes, 11 de agosto de 2009

Sesquicentenario de la hipótesis de Riemann

En agosto de 1859, esto es, hace exactamente 150 años, el célebre matemático alemán Bernhard Riemann pronunció ante la Academia de Ciencias de Berlín un discurso de aceptación como miembro de dicha academia, discurso que en realidad era un serio trabajo de investigación científica en el campo de la teoría de números. Riemann proponía una fórmula para el cálculo de la cantidad de números primos (aquellos que son únicamente divisibles por sí mismos y por la unidad) menores a x. Este cálculo involucra a la famosa función zeta del mismo Riemann. Esta función es la sumatoria de los inversos de n elevados a la potencia s, n=1, 2,... y s un número complejo, que otro genial matemático de la antigüedad, Eratóstenes, intuyó que era igual al producto de los inversos de 1 – p a la potencia -s, p primo.

Pues bien, la fórmula de Riemann involucra a las raíces de la función zeta en el cálculo del número de primos inferiores a un número dado x, es decir, la fórmula involucra a los números que hacen cero (raíces) a la función zeta.

Esta era la gran aportación del trabajo de Riemann: una fórmula para calcular algo tan “impredecible” como la cantidad de números primos, cuya distribución, como cualquier niño con una formación matemática básica sabe, no sigue ningún patrón predeterminado. Precisamente por esta impredecibilidad los primos son la base de muchos sistemas criptográficos y de seguridad en el mundo de las finanzas, entre otros.

Posteriormente, a principios del siglo XX, el matemático belga De la Vallée Poussin y el francés Hadamard, cada quien por su lado, demostraron el teorema de los números primos, una refinación de la fórmula proporcionada por Riemann.

Lo verdaderamente importante es que en aquel remotísimo agosto de 1859, Riemann especuló que las raíces de la función zeta probablemente se encontraban todas en la recta ½ del plano complejo, pero como ello no era relevante para el resultado al que él quería llegar ese día, dejó la prueba para después.

El esfuerzo de las mentes matemáticas más brillantes de los últimos 150 años no ha sido suficiente para demostrar lo que desde entonces se conoce como la hipótesis de Riemann, la cual ha sido incluida como uno de los problemas matemáticos cuya solución se busca acuciantemente, pues el Instituto Clay de Matemáticas ofrece un millón de dólares a quien lo consiga. Se trata del mismo problema que intenta resolver infructuosamente John Forbes Nash, premio Nobel de Economía 1994, en la película Una mente brillante, estelarizada por Russell Crowe.

1 comentario:

Anónimo dijo...

Encontré esto en Google+ y supuse que podía parecerte interesante. Lo asocio sólo porque se habla de Riemann y no porque yo (infelizmente) entienda realmente lo que ahí se menciona.



The mathematician Euler found a way to add up the numbers from 1 to infinity... and he got the answer -1/12. Later this kind of calculation was made illegal. So we don't teach Euler's tricks to students anymore: they're too dangerous.

But the mathematician Riemann figured out how to extract some sense from Euler's calculation! He invented a function now called the Riemann zeta function. This function has

zeta(2) = 1/1² + 1/2² + 1/3² + 1/4² + ...

and

zeta(3) = 1/1³ + 1/2³ + 1/3³ + 1/4³ + ...

and so on, but

zeta(-1) = -1/12

and the proof of this is a cleaned-up version of Euler's original calculation. In case you're wondering,

zeta(-2) = 0

and in fact the zeta function is zero for all negative even numbers. But it's also zero at other places! For example, it's zero at about

1/2 + 14.1347 i

and about

1/2 + 21.0220 i

and about

1/2 + 25.0109 i

where that "i" is the square root of minus 1.

Riemann guessed that all these other places where the zeta function is zero were 1/2 plus some real number times i. He only checked this for the first three places... but by now people have checked it for the first 10,000,000,000,000 places. So it seems to be true, but nobody can prove it.

Proving his guess, called the Riemann Hypothesis, is one the most important challenges in math. If you succeed in proving it, you'll win a million dollar prize! But be careful: if you disprove it, an angry mob of mathematicians will burn down your house.

It's important because this question is connected to prime numbers... and the deep and mysterious links between geometry, number theory and physics. If I didn't have more urgent things to do, I could easily enjoy the rest of my life thinking about nothing else.

For example: what's the deal with these numbers

14.1347, 21.0220, 25.0109, ...

and so on? I'm just writing them approximately: there's no simple formula for them. But around 1912, Pólya guessed that there was some interesting physical system described by quantum mechanics that has these numbers as its allowed energy levels. If true, finding and understanding this system might help us prove the Riemann Hypothesis.

In 1999, Michael Berry and Jon Keating suggested that this physical system could be the "upside-down version of the quantum harmonic oscillator". The usual version involves a spring that pulls back with a force proportional to how far it's stretched. But their "upside-down" version has a spring that pushes with a force proportional to how far it's stretched!

This is a very weird physical system, especially if you study it using quantum mechanics. It really doesn't seem to make sense. However, all approaches to the Riemann Hypothesis involve mind-boggling ideas that push us beyond the limits of what we can understand so far. And that's why it's important: it's telling us there's something big going on, that will blow our minds when we figure it out.

If you're deep into quantum physics or number theory, I really recommend their paper:

• Michael Berry and Jon P. Keating, The Riemann zeros and eigenvalue asymptotics, SIAM Review 41 (1999), 236–266, http://www.phy.bris.ac.uk/people/berry_mv/the_papers/Berry307.pdf.

For something a bit easier, I recommend this:

• Daniel Schumayer and David A. W. Hutchinson, Physics of the Riemann hypothesis, http://arxiv.org/abs/1101.3116

I gave a talk explaining Euler's crazy calculation, and how it's related to string theory. You can see it here:

http://math.ucr.edu/home/baez/numbers/index.html#24