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  • 發布時間:2024-11-28 21:07 原文鏈接: 世界知名數學家汪徐家全職加盟西湖大學

    闊別29年之后,汪徐家再次回到了杭州——他的出生地。

    6歲以前,汪徐家生活在淳安——后來的千島湖所在地。因為新安江工程,他隨著父母和鄉親一路從淳安移民到江西。老家整個村子不到10戶人家,世界小到可以打包帶走。

    過去29年來,汪徐家一直在澳大利亞國立大學工作,研究偏微分方程。期間,他拿到了晨興數學金獎,當選了澳大利亞科學院院士,并獲得澳大利亞桂冠學者(Laureate Fellowship)稱號。然后在2024年9月,他全職加盟西湖大學,任數學講席教授。

    數學專業之外的人,很難了解一個數學家所做的工作,也許是數學看上去很復雜。但是,經歷了數學的萬千復雜之后,汪徐家說,我就喜歡簡單,猶如他那一紙簡潔的自述。

    01 一個村莊

    6歲那時,汪徐家一家從浙江淳安遷往江西金溪。從山區到平原,汪徐家頓覺世界如此開闊。

    他們是新安江移民,當時他們整個生產隊一起搬遷,也就幾十個人,先是分散在“江西老表”家里住了一年,等新移民的房子建好后,再各自搬入進去。這些移民子弟就聚在一起上學,地點常常不固定,倉庫、牛棚、田間地頭。所謂的老師,不過也是大孩子,是中學畢業十幾歲的小姑娘。

    后來,汪徐家如此回憶:

    從小在一個小得不能再小的農村長大,村子只有幾十個人,沒有見過世面,也不了解外面的事情,父母都是農民也不識字,也沒有經歷過任何復雜的事情和人際關系。

    這種簡單而臨時搭建的學習環境,一直持續到了中學。他所就讀的中學叫橫源中學,也是一所臨時創辦的學校,是為了響應號召,讓更多的農家子弟可以讀書。在這所遠離城鎮的鄉村高中,汪徐家展現出了驚人的數學能力,他幾乎是整個金溪縣數學最好的學生。

    本來因為成績優異,有機會轉學到城里的高中,但在老師的挽留下,汪徐家留下了,他覺得在哪里讀書無所謂。

    高考后,他不知道怎么選學校,同村原來地主的兒子和他說,選浙江大學,學數學。這位兄長比他大20歲,也許是兄長到過杭州,見過世面,才給他了如此的建議。汪徐家至今依然感謝他。

    這樣的生活,給了他一種簡單的人生底色。人生選擇很簡單,人生軌跡很簡單。

    大學真正開啟了汪徐家的眼界,在此之前,他的生活里幾乎沒有一本課外書可以閱讀。本科畢業,他繼續讀研讀博,留校工作,在浙大校園一待就是15年。

    1994年,他前往奧地利做訪問學者,多次去音樂廳聽音樂。有一次,當地一位華人高音歌唱家為他們清唱了一曲,那個聲場讓人感覺整個樓都在震動,他感受到了極大的震撼,聲波里就蘊含了他所研究的內容——偏微分方程。

    嚴格講,他只換過兩次工作。第一次就是結束歐洲訪學后,前往澳洲。第二次是2024年,他從澳洲飛回西湖,來到他曾經最熟悉的城市。

    “他從小過著簡單和自然的生活,對人生也沒有什么追求。一路走過來,基本上每一步都是順其自然。做研究,也是憑自己的感覺和喜好選問題去做。發表了幾篇文章,受到同行的認可,就是這么回事。”汪徐家說。

    汪徐家年輕的時候,一直在思考什么是好的數學。后來,他尊重的老師,也是他的合作者,香港中文大學的曹啟昇教授說,簡單的數學才是好數學。這話正合他的心意。“條件要最少,結果要干凈明了。如果一個結果不能用簡單的話語描述,那一般就不是好數學。”他說。

    世界很簡單,但展開后是迷人的復雜,這很像他所研究的數學。

    02 一張白紙

    理學院有一面巨大的仿大理石白色幕墻,如同海面冰川的崖壁。9月30日,我路過那里,白色冰川下貼著一張白色A4紙——

    完全非線性橢圓偏微分方程新進展入口←

    這也許是最簡單的學術交流海報。沒想到,半個月后,我接到了采訪汪徐家的任務。A4紙“破案”了。

    第一次見面,汪徐家戴著紅黑色鴨舌帽,上面是“長城”二字,有點90年代風格。“最近額頭有點陽光過敏。”汪徐家說話聲音輕柔,鄉音難改。

    他把手里拿著的一張卷曲的A4紙展開,說來之前準備了下,把主要的想法寫了下了,題目是“簡單和自然”,第一句話是“我就喜歡簡單”。

    巧了,我也準備了一張A4紙,里面是重新打印出來的1979年高考數學題,一共五道題。汪徐家打開后笑了,說已經完全忘記了,把紙又折回了信封。

    “里面有一題你當時沒有做對。”我說。這是看十多年前的一篇訪談知道的。

    汪徐家眉頭一皺,馬上拆開信封,快速瀏覽起來。他對錯題十分敏感,數學家那種認真勁一下子上來了。

    他說他喜歡簡單,但其實偏微分方程很難。

    亞馬遜創始人貝索斯,在普林斯頓讀本科的時候,就是因為偏微分方程太難,果斷從物理系轉學。那道題折磨了他三個小時,隔壁寢室的斯里蘭卡小哥三年前就研究過。貝索斯很聰明,他頓悟了,自己不是這塊料。

    方程,微分方程,偏微分方程,橢圓偏微分方程,非線性橢圓偏微分方程,完全非線性橢圓偏微分方程。數學是一個黑洞,夠把你吸進去。

    讓我們從最最簡單的例子出發。

    當你把一個蘋果拋向天空,它會做拋物線運動。這個運動是復雜的,軌跡在變化,速度也在變化。但是,關于速度變化的變化量,卻是不變的,就是重力加速度。每一秒,重力加速度會讓蘋果的速度垂直向下改變9.8米每秒。

    不管你如何扔出這個蘋果,這個數學描述在地球上都適用。反過來,你知道了重力加速度,也知道了初速度,就可以求出蘋果的運動軌跡,或者說,關于運動軌跡的時間函數。這就是微分方程的基本思路,類似于一種逆運算,微分方程是你知道了函數變化的規律,反過來去尋找那個函數。

    換言之,如果描述事物的變化,比描述事物本身更簡單,那你就可以考慮使用微分方程。在蘋果飛向天空的故事中,只有時間這個單一變量,這屬于常微分方程。可是,世間哪有單一變量,都是多重變量相互影響。所以,歡迎來到偏微分方程的世界。

    如果毫不謙虛地說,偏微分方程就是世界。電磁學的基石麥克斯韋方程組,是偏微分方程;量子力學里的薛定諤方程,是偏微分方程;流體、熱傳導、光波、聲波,研究這些現象,都需要用偏微分方程。

    “大部分偏微分方程很難求解,甚至無法求解。”汪徐家說,“好在,其實我們只研究了很小一部分偏微分方程,我們研究的問題,常常在現實世界中能找到對應。”

    汪徐家說,自然的本質是簡單的,底層邏輯其實是相通的。就像牛頓的三大定律,還有初等數學的幾條公理。但常常,簡單的邏輯在演繹之后會變得很復雜,不同學科交際在一起,事情就復雜到難以理解。

    “研究就是一個撥云見日的過程。”他說。

    03 一個方程

    汪徐家從抽屜里拿出一塊鏡片。他一只手握住鏡片,一只手打開手機手電筒,在白色墻壁上尋找焦點。

    “看到了嗎?”他說。

    “是高斯。”在腦海里搜尋了幾秒之后,我終于辨認出。

    鏡片里并沒有一個預設好的高斯形象,它只是看上去有著不均勻的曲率。也就是說,僅僅通過改變鏡片的彎曲,進一步控制光線的折射和匯聚,讓高斯浮現。

    這塊鏡片,就是利用了汪徐家的理論工作而制作的。同一原理,也可以逆向思考,推廣到星空探測,通過優化反射鏡片的曲率,讓特定的星空更好地匯聚到一點。再推而廣之,雷達探測也可以基于這一原理優化,因為雷達也是一種波。

    鏡片折射著數學之光,但曲面也曾讓高斯深感焦慮。高斯一直在思考,如果二維曲面上生活著一種螞蟻,它如何知道自己賴以生存的世界是彎曲的?

    高斯引入了曲率的概念,即高斯曲率,并證明曲面的曲率是一個內在屬性。他的工作被黎曼延續,后來又吸收進入愛因斯坦的相對論,人類的世界觀就此徹底顛覆了。

    以高斯曲率為研究背景的一個偏微分方程,幾乎貫穿了汪徐家的研究生涯。這就是蒙日-安培方程:

    det D^2 u = f

    “看起來是不是很簡單?”汪徐家反問。但,躲藏在簡單背后,是展開后的復雜。式子的左邊,代表一個黑塞矩陣,是一個由未知函數u所有二階偏導數組成的方陣,右邊是一個給定的函數,依賴于位置x、函數u本身及其梯度Du。

    是不是已經暈了?但不需要自責。“如果把蒙日和安培邀請回來,他們可能也不懂現在的蒙日-安培方程。”汪徐家說。

    而剛剛浮現在墻上的高斯之影,就是蒙日-安培方程在幾何光學中的應用,這個簡潔的方程,也像影子一樣,出現在各個地方。在微分幾何中,蒙日-安培方程被用于研究凸曲面的形狀和性質。在流體力學中,蒙日-安培方程被用于描述某些類型的流體流動問題。在經濟學中,蒙日-安培方程用于解決最優傳輸問題,類似于搬運問題,使得傳輸成本最小。

    搬運、流體、曲面……這些看似無關的問題,可以相互轉化,緊密相連。人工智能興起后,蒙日-安培方程又出現在深度學習領域。在查找資料過程中,我看到紐約州立大學石溪分校計算機系終身教授顧險峰的一篇帖子,他寫道:“最優傳輸理論,凸幾何,蒙日-安培方程的交匯給出了生成模型的幾何觀點。”他在帖子里感謝了丘成桐、Villani、汪徐家等數學家的工作。

    所以,數學家的工作,看似抽象,但其實和這個世界密切關聯。

    汪徐家曾證明了蒙日-安培方程自由邊界的正則性。他給我們舉了一個簡單形象的例子——一塊冰在水中,冰的邊界是動態變化的,它取決于水和冰的溫度分布,而冰的邊界本身也會影響溫度,溫度變化本身是待求解的。而所謂正則性,是要證明這種邊界變化,在數學上是光滑連續的。

    在另一項工作中——平均曲率流的奇性刻畫——他把自己想象成一只螞蟻,無限縮小,試圖探尋曲面形變的規律。在解決1781年蒙日提出的最優傳輸問題解的存在性問題時,蒙日-安培方程再次降臨,而汪徐家要把結論推廣到任意維度。

    尾聲:從復雜走向簡單

    如同李安第一次看伯格曼的電影,仿佛被奪走了處子之身,面對數學,我們何嘗不是“我看不懂,但大受震撼”。汪徐家告訴我,數學工作者在哪里都可以工作。如果你看到一個數學家坐在那里喝咖啡,他很可能在思考問題。“我有一位同行,在開車時出車禍去世了,當我聽到噩耗時,我知道,他當時一定在考慮問題。”汪徐家說。這件事后,他強迫自己開車不能思考,現在,他也強迫自己晚上睡覺不思考問題。在A4紙上的自傳里,他寫道:但也常常遇到無法克服的困難,半夜醒來數學問題又跑到腦子里面。這樣被煎熬好幾個月后,又不得不放棄。一生中這樣的情況發生了好多次。采訪時,他又補充道,半夜里想的數學,基本是錯的數學,因為,一個問題,要專心想半個小時、一個小時以上,基本上比較清楚。“做研究要專注,專注把一件事情做好。人的一生能做好一兩件事情就很好了。”汪徐家說。而讓他能投入持續的專注力的原因,大致只有一個——興趣。對于數學研究的問題,汪徐家說,他和很多數學工作者一樣,首先看這個問題有沒有趣,而不是有沒有用。有趣的是,最難的數學問題,似乎描述都不復雜,但好多已經困擾人類幾百年。極致復雜在人間的投影,竟然是純粹的簡單。也許,在沒有經歷數學之路之前,我們無法了解一個數學家頭腦中的復雜。又也許,他所說的簡單,只是經歷無盡復雜之后的釋然。

    人物簡介

    汪徐家1979年9月進入浙大數學系學習一直到1990年獲得博士學位,并繼續留校任教。1995年9月被澳大利亞國立大學聘任為研究員(Research Fellow),2005年升為教授,并于2007年獲得晨興數學金獎,2009年當選澳大利亞科學院院士,2013年獲得澳大利亞桂冠學者(Laureate Fellowship)稱號。2024年9月入職西湖大學,任數學講席教授。

    汪徐家主要從事非線性橢圓拋物方程理論及其在幾何與物理中的應用研究。主要研究成果包括(和他人合作):建立了Hessian 方程的位勢理論,證明了Monge-Ampere方程自由邊界的正則性,并把Monge-Ampere方程邊值問題的正則性推進到最優。解決了陳省身的仿射Bernstein問題猜想,并對平均曲率流的奇性刻畫做出突破性工作。解決了Monge在1781年提出的最優傳輸問題解的存在性問題,并獲得了一般成本函數的最優傳輸問題的正則性,解決了Villani提出的正則性問題。



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