庞加莱猜想是20世纪拓扑学中影响最深远的难题之一，由法国数学家亨利·庞加莱（Henri Poincaré）于1904年提出。它最初以“单连通闭三维流形是否必同胚于三维球面？”这一简洁形式出现，却困扰了数学家整整一个世纪。2000年，该猜想被克莱数学研究所列为七大“千禧年大奖难题”之一。
尽管其在五维及以上维度较早被证明，四维拓扑版本也获解决，但原始的三维情形直到2003年才由格里戈里·佩雷尔曼最终证明，其难度远高于其他维度的情形。究其本质，三维流形处于拓扑与几何的特殊临界维度，既失去低维的直观与分类完备性，又缺乏高维的操作空间，从而成为几何拓扑学中最具挑战性的问题。
维度的金发姑娘原则（Goldilocks Principle）
一维和二维流形（曲线和曲面）：我们已经具备完全的分类定理。例如，紧致二维流形（曲面）由其亏格（即“洞”的个数）完全分类。一个单连通的闭曲面（其上任意闭曲线可连续缩为一点）必为二维球面。这一事实在19世纪已得到严格证明并为人所熟知——低维流形因其结构简单而较早被攻克。
五维及更高维流形（≥5维）：在该范围内，数学家发展出了强有力的理论工具，如配边理论（Cobordism Theory） 和 h-配边定理（h-Cobordism Theorem）。高维空间提供了充足的操作空间，允许我们在微分结构中进行灵活变形（例如，高维中“解结”操作比三维中容易实现）。因此，斯梅尔（Stephen Smale）等人于1960年代就证明了五维及以上的庞加莱猜想。
三维和四维流形：这两个维度处于所谓的噩梦区：
四维：具有甚至比三维更复杂的结构。例如，四维欧氏空间 ℝ⁴ 上存在怪异微分结构（exotic differentiable structures），即存在拓扑上与标准四维球面相同，却不能赋予相同微分结构的流形。迈克尔·弗里德曼（Michael Freedman）于1982年证明了拓扑范畴中的四维庞加莱猜想，但光滑范畴中的相应猜想至今未解。
三维：庞加莱猜想最初于此提出，也最终于此被解决。该维度既缺乏低维的简明性，也不具备高维的操作空间，导致许多高维拓扑方法在此失效，必须直接应对其内蕴的几何复杂性。
三维流形的独特几何结构：几何化猜想
理解三维庞加莱猜想难度的核心在于瑟斯顿几何化猜想（Thurston’s Geometrization Conjecture），由威廉·瑟斯顿（William Thurston）于1970年代提出，可视为庞加莱猜想的重大推广。
核心思想：任何紧致三维流形均可沿特定球面或环面切割成若干片段，每一片段均容许八种标准几何结构之一（包括常曲率几何：球面几何、欧氏几何、双曲几何，以及五种较为复杂的非各向同性几何，如 SL(2, ℝ) 几何等）。
庞加莱猜想是几何化猜想的推论：若一个三维流形是单连通的，则根据几何化猜想，它必具球面几何结构，从而是三维球面。
困难本质：证明几何化猜想（及其特例庞加莱猜想）要求数学家超越纯拓扑变形，必须深入理解流形的内蕴几何结构，并构造方法以识别和验证其标准几何类型。
关键突破：哈密尔顿与佩雷尔曼的里奇流方法
在四维以上，我们有更好的数学工具来分析空间的结构，比如微分拓扑的方法。而在三维，拓扑与几何紧密交织，导致数学家无法直接应用高维的成功经验。人们不得不寻找新的突破口，而这个突破口，直到1982年才由理查德·哈密尔顿提出，这个最终解决三维庞加莱猜想及几何化猜想的工具是里奇流（Ricci flow），该方法的艰难也反衬出问题本身的深度。
里奇流定义：它是一种几何演化方程，通过度量张量随时间的变化率正比于其 Ricci 曲率，使流形朝常曲率形态演化。可类比为一种“均匀化”过程：曲率如热量般扩散，最终趋于平衡。
目标：借助该流程，将任意复杂的三维流形逐渐演化成具有标准常曲率度量的球面。
主要挑战：演化过程中可能出现奇点（singularities）——曲率趋于无穷、度量退化的位置。如何分类这些奇点、并在奇点处执行手术（surgery）（即切割并补上标准拓扑帽），是证明中最核心且技术性最强的部分。
维数特异性：三维里奇流所产生的奇点类型异常丰富（恰对应瑟斯顿八几何），但又具备良好的分类可能性；高维情形奇点过于复杂难以控制，低维则无需此类工具。佩雷尔米的突破在于完全分类了三维修奇点的结构，并设计出一套系统且稳定的手术程序。
佩雷尔曼的贡献细节
格里戈里·佩雷尔曼（Grigori Perelman）于2002–2003年间在arXiv上发布三篇论文，完整证明了庞加莱猜想及几何化猜想。其工作建基于理查德·哈密顿（Richard Hamilton）开创的里奇流理论，但引入了多项革命性的思想与工具：
奇点分析：他建立了里奇流奇点结构的精细理论，证明在三维情形下奇点仅可能为特定标准类型（如“颈状区域”），从而为拓扑手术奠定基础。
手术技术：佩雷尔曼发展了一套系统且具有几何控制的手术程序，可在奇点出现时逐次切割、修补流形，并保证流程可持续进行直至整体结构标准化。
熵单调性：他引入佩雷尔曼熵（Perelman entropy） 作为关键几何不变量，并证明其在里奇流演化中单调不减，为分析流程收敛性提供全局控制工具。
非塌陷定理：他证明了一个关键结论：在尺度极限下，里奇流不会发生局部塌陷（non-collapsing），从而保障奇点邻域保持足够“厚度”，使得手术操作具有几何意义。
2006年，数学界经全面验证后确认其证明正确。佩雷尔曼因此获菲尔兹奖，但他予以拒绝。他的工作不仅解决了一个百年难题，更开创了用非线性几何分析研究拓扑问题的新纪元。
三维情形最难原因总结
维度特殊性：三维是拓扑与几何复杂性的临界维数，高维工具基本失效，低维方法又不适用。
几何本质性：三维流形的分类依赖其内蕴几何（如几何化猜想所示），非纯拓扑手段所能及。
证明工具的高度复杂性：成功证明所需的里奇流分析涉及艰难的非线性偏微分方程、奇点分类与手术构造，要求创造全新数学工具（如熵单调性、非塌陷性等）。
因此，庞加莱猜想在三维的解决远不止于证明一孤立猜想，而是彻底革新了三维拓扑与几何的研究方法，彰显了其无与伦比的深度与难度。