ปัญหารางวัลมิลเลนเนียม

ปัญหารางวัลมิลเลนเนียม(อังกฤษ:Millennium Prize Problems)
เป็นปัญหาที่อยู่บนพื้นฐานของคณิตศาสตร์7 ข้อ ซึ่งเสนอในปีค.ศ. 2000โดยสถาบันคณิตศาสตร์เคลย์จากการรวบรวมปัญหาสำคัญในวงการวิทยาการคอมพิวเตอร์ฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ซึ่งยังพิสูจน์ไม่สำเร็จในขณะนั้น ให้เป็นปัญหาแห่งคริสต์ศตวรรษที่ 21 โดยสถาบันคณิตศาสตร์เคลย์ได้ประกาศมอบเงินรางวัลหนึ่งล้านดอลลาร์สหรัฐให้กับผู้ที่สามารถพิสูจน์ปัญหาข้อใดข้อหนึ่งได้สำเร็จ
ในปีค.ศ. 2006สถาบันคณิตศาสตร์เคลย์ได้มอบรางวัลหนึ่งล้านดอลลาร์สหรัฐ ให้กับกริกอรี เพเรลมานผู้พิสูจน์ข้อความคาดการณ์ของปวงกาเรหนึ่งในปัญหารางวัลมิลเลนเนียมได้สำเร็จ  และยังเป็นปัญหารางวัลมิลเลนเนียมเพียงปัญหาเดียวที่พิสูจน์สำเร็จจนถึงปัจจุบันนี้
ปัญหารางวัลมิลเลนเนียมทั้ง 7 ข้อ ได้แก่
ปัญหาพีและเอ็นพีเป็นปัญหาสำคัญทางวิทยาการคอมพิวเตอร์และทฤษฎีการคำนวณซึ่งศึกษาความซับซ้อนในการคำนวณระหว่างกลุ่มความซับซ้อนพี (P) ซึ่งเป็นกลุ่มปัญหาที่สามารถค้นหา(search) คำตอบได้ในเวลาพหุนาม กับกลุ่มความซับซ้อนเอ็นพี (NP) ซึ่งเป็นกลุ่มปัญหาที่สามารถตรวจสอบ(verify) คำตอบได้ในเวลาพหุนาม
ปัญหาพีและเอ็นพีตั้งข้อสงสัยว่ากลุ่มความซับซ้อนพีและเอ็นพีเป็นกลุ่มปัญหาเดียวกันหรือไม่ ? เพราะกลุ่มความซับซ้อนพีจะเป็นเซตย่อยของกลุ่มความซับซ้อนเอ็นพีเสมอ เนื่องจากเราสามารถตรวจสอบคำตอบด้วยการค้นหาคำตอบได้ แต่ในปัจจุบันยังพิสูจน์ไม่ได้ว่ากลุ่มความซับซ้อนเอ็นพีจะเป็นเซตย่อยของกลุ่มความซับซ้อนพีหรือไม่? เนื่องจากมีกลุ่มปัญหาเอ็นพีบริบูรณ์ (NP-Complete) ซึ่งสามารถตรวจสอบคำตอบได้ในเวลาพหุนาม แต่ยังไม่พบขั้นตอนวิธีค้นหาคำตอบด้วยความเร็วระดับเวลาพหุนาม
เนื่องจากกลุ่มปัญหาเอ็นพีบริบูรณ์เป็นกลุ่มปัญหาที่ลดรูปซึ่งกันและกัน และลดรูปกับกลุ่มปัญหาเอ็นพีทั้งหมด ดังนั้นหากค้นพบขั้นตอนวิธีค้นหาคำตอบของปัญหาเอ็นพีบริบูรณ์ปัญหาใดปัญหาหนึ่งเป็นเวลาพหุนาม กลุ่มความซับซ้อนพีจะเป็นกลุ่มปัญหาเดียวกับกลุ่มความซับซ้อนเอ็นพี แต่หากมีบทพิสูจน์ว่าไม่มีขั้นตอนวิธีใดสามารถค้นหาคำตอบของปัญหาเอ็นพีบริบูรณ์เป็นเวลาพหุนาม กลุ่มความซับซ้อนพีจะไม่ใช่กลุ่มปัญหาเดียวกับกลุ่มความซับซ้อนเอ็นพี
หากกลุ่มความซับซ้อนพีเท่ากับกลุ่มความซับซ้อนเอ็นพี ปัญหาใดที่ตรวจสอบคำตอบได้ในเวลาพหุนาม จะสามารถค้นหาคำตอบได้ในเวลาพหุนามไปด้วย ทำให้การค้นหาซึ่งเป็นปัญหาสำคัญทางวิทยาการคอมพิวเตอร์สามารถทำได้รวดเร็วมากขึ้น และถึงแม้พิสูจน์ได้ว่ากลุ่มความซับซ้อนพีไม่เท่ากับกลุ่มความซับซ้อนเอ็นพี นักคณิตศาสตร์ และวิทยาการคอมพิวเตอร์ก็จะเข้าใจรายละเอียดของการตรวจสอบและการค้นหามากขึ้น และทำให้เข้าใจปัญหาทางคณิตศาสตร์ชีววิทยาปรัชญาและปัญหาวิทยาการรหัสลับได้อย่างลึกซึ้งขึ้น
ปัจจุบัน นักคณิตศาสตร์และวิทยาการคอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่เชื่อว่า P ≠ NP
ปัญหานี้ถูกตั้งข้อสงสัย และเสนออย่างเป็นทางการโดยสตีเฟน คุก
ข้อความคาดการณ์ของปวงกาเรเป็นปัญหาสำคัญทางทอพอโลยีซึ่งศึกษาสมานสัณฐาน (Homeomorphism) กล่าวคือ ความสามารถในการยืดหดของพื้นผิว (Manifold) ต่าง ๆ ระหว่างคุณสมบัติที่ห่วง (Loop) บนพื้นผิวนั้นสามารถหดลงจนกลายเป็นจุด (Simply connected) กับความสามารถในการยืดหดพื้นผิวให้กลายเป็นทรงกลมได้ ในโลก 3 มิติอองรี ปวงกาเรพิสูจน์ได้ว่า พื้นผิวสอง มิติปิด (Closed) ที่ห่วงบนพื้นผิวนั้นสามารถหดลงจนกลายเป็นจุดได้ จะยืดหดพื้นผิวเป็นผิวทรงกลมได้เสมอ
ข้อคาดการณ์ของปวงกาเรตั้งข้อสงสัยว่าในโลก 4 มิติ พื้นผิว 3 มิติใด ๆ ที่ห่วงบนพื้นผิวสามารถหดลงจนกลายเป็นจุด จะยืดหดพื้นผิวเป็นทรงกลมผิว 3 มิติได้หรือไม่ ? ทั้งนี้พื้นผิว 4 มิติได้รับการพิสูจน์ว่าจริงในปีค.ศ. 1961โดย Stephen Smale และพื้นผิวที่มากกว่า 4 มิติขึ้นไปได้รับการพิสูจน์ว่าจริง Michael Freedman ในปีค.ศ. 1982แต่พื้นผิว 3 มิติ กลับเป็นปัญหาเดียวที่ยังพิสูจน์ไม่ได้จนถึงค.ศ. 2000
จนในที่สุด ในปีค.ศ. 2003กริกอรี เพเรลมานได้ตีพิมพ์บทพิสูจน์ข้อคาดการณ์ของปวงกาเร บทพิสูจน์ได้รับการตรวจสอบเสร็จในปีค.ศ. 2006เพเรลมานได้รับการคัดเลือกให้ได้รับรางวัลฟิลด์มีเดิล แต่เพเรลเมนปฏิเสธรางวัลดังกล่าวสถาบันคณิตศาสตร์เคลย์ได้ประกาศให้รางวัลมิลเลเนียมในวันที่ 18 มีนาคม 2010แต่เพเรลมานก็ปฏิเสธเช่นกัน โดยไม่ได้ให้เหตุผลกับทางสถาบันอย่างไรก็ดี เขาได้อธิบายว่านี่เป็นงานของชุมชนคณิตศาสตร์ และความสำเร็จนี้ก็เป็นของนักคณิตศาสตร์ทั้งปวงการให้รางวัลนี้จึงไม่ยุติธรรม เพราะความสำเร็จในการพิสูจน์ข้อความคาดการณ์ของปวงกาเรของเขานั้น ไม่ได้ยิ่งใหญ่ไปกว่าคุณูปการของ Richard Hamilton ผู้เสนอแนวคิดที่เพเรลมานนำมาต่อยอดเพื่อพิสูจน์ข้อความคาดการณ์ของปวงกาเร เลย
การพิสูจน์ข้อความคาดการณ์ของปวงกาเร ทำให้ข้อความที่ว่า พื้นผิวที่ห่วงบนพื้นผิวนั้นสามารถหดลงจนกลายเป็นจุด (Simply connected) จะสามารถยืดหดพื้นผิวให้กลายเป็นทรงกลมได้ เป็นจริงในทุกมิติ ทำให้ใช้วิธีนี้เป็นวิธีทดสอบพื้นฐานทางทอพอโลยี ทั้งทอพอโลยีแบบดั้งเดิม และทอพอโลยีขั้นสูงอีกด้วย
ปัญหานี้ถูกตั้งข้อสงสัยครั้งแรกโดยอองรี ปวงกาเรและถูกเสนออย่างเป็นทางการโดย John Milnor
สมมติฐานของรีมันน์เป็นปัญหาสำคัญทางทฤษฎีจำนวนโดยเฉพาะอย่างยิ่งการกระจายตัวของจำนวนเฉพาะ สมมติฐานรีมันน์เกี่ยวข้องกับฟังก์ชันซีตาของรีมันน์ซึ่งมีส่วนช่วยปรับทฤษฎีบทจำนวนเฉพาะให้แสดงการกระจายตัวของจำนวนเฉพาะได้ถูกต้องยิ่งขึ้นฟังก์ชันซีตาของรีมันน์มีโดเมนเป็นจำนวนเชิงซ้อน โดยค่า z ที่มีส่วนจริง (Real part) มากกว่าศูนย์ และทำให้ผลลัพธ์ของฟังก์ชันซีตาของรีมันน์เป็นศูนย์จะมีผลต่อการกระจายตัวของจำนวนเฉพาะ ซึ่งทุก ๆ ค่า z เท่าที่แบร์นฮาร์ด รีมันน์และนักคณิตศาสตร์ผู้อื่นพบว่าคุณสมบัตินี้  กลับอยู่บนเส้นตรงส่วนจริงเท่ากับ 1/2 เท่านั้น และยังไม่พบที่บริเวณอื่นเลย
สมมติฐานรีมันน์ตั้งข้อสงสัยว่า นอกจากค่า z ที่มีส่วนจริงเท่ากับ 1/2 แล้ว ไม่มีค่า z ที่ส่วนจริงมากกว่าศูนย์ใด ๆ อีกที่ทำให้ผลลัพธ์ของฟังก์ชันซีตาของรีมันน์เป็นศูนย์
หากค้นพบว่ามีค่า z อื่นที่ส่วนจริงมากกว่าศูนย์และทำให้ผลลัพธ์ของฟังก์ชันซีตาของรีมันน์เป็นศูนย์ สมมติฐานรีมันน์จะผิดทันที แต่หากมีบทพิสูจน์ว่าไม่มีค่า z อื่นที่ส่วนจริงมากกว่าศูนย์ใด ๆ ที่ทำให้ผลลัพธ์ของฟังก์ชันซีตาของรีมันน์เป็นศูนย์ สมมติฐานรีมันน์ก็จะถูกต้อง
สมมติฐานรีมันน์มีผลต่อการกระจายตัวของจำนวนเฉพาะ ถ้าสมมติฐานรีมันน์ผิด แสดงว่าจำนวนเฉพาะกระจายตัวไม่สม่ำเสมอทำให้การค้นหาจำนวนเฉพาะมีความเอนเอียง (bias) ซึ่งจะมีผลกระทบต่อวิทยาการที่อยู่บนพื้นฐานของจำนวนเฉพาะ เช่นวิทยาการรหัสลับเป็นต้น
ปัญหานี้ถูกตั้งข้อสงสัยโดยแบร์นฮาร์ด รีมันน์และเสนออย่างเป็นทางการโดย Enrico Bombieri
ปัญหาการมีอยู่ของหยาง-มิลล์ และมวลพื้น เป็นปัญหาสำคัญทางฟิสิกส์อยู่ภายใต้ความพยายามสร้างทฤษฎีการรวมแรงครั้งใหญ่และทฤษฎีแห่งสรรพสิ่งในขณะนี้ทฤษฎีหยาง-มิลส์ได้รวบรวมคุณสมบัติทางฟิสิกส์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง คุณสมบัติทางทฤษฎีสนามควอนตัมไว้จำนวนมาก แต่ทฤษฎีหยาง-มิลส์ยังอธิบายคุณสมบัติทางคณิตศาสตร์ที่สอดคล้องกับการสังเกตไม่ได้ เช่น คุณสมบัติ Renormalization บน 4 มิติ คุณสมบัติของอนุภาคที่เกี่ยวพันกับมวล-พลังงาน คุณสมบัติของอนุภาคในนิวเคลียสของอะตอม
ปัญหาการมีอยู่ของทฤษฎีหยาง-มิลส์และมวลพื้น จึงตั้งคำถามว่า จงสร้างกรุปซึ่งเป็นแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ ที่มีคุณสมบัติ Renormailization ใน 4 มิติ สามารถลดรูปไปยังทฤษฎีหยาง-มิลส์ และสามารถอธิบายระบบทางฟิสิกส์ได้ โดยเกี่ยวพันกับมวล-พลังงานค่าหนึ่งที่มากกว่าศูนย์เสมอ (ยกเว้นระบบสูญญากาศ) ค่ามวล-พลังงานนี้ เรียกว่ามวลพื้น (Mass gap)
หากค้นพบแบบจำลองดังกล่าว เราอาจเข้าใจคุณสมบัติของสนามแรงเพิ่มเติม และเข้าใกล้ทฤษฎีการรวมแรงครั้งใหญ่และทฤษฎีแห่งสรรพสิ่ง
ปัญหานี้ถูกเสนออย่างเป็นทางการโดย Arthur Jaffe และ Edward Witten และทบทวนสถานะล่าสุดโดย Michael R. Douglas