“数”味无穷

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  2010年1月11日,复旦大学教授、中国科学院院士谷超豪先生荣获2009年度国家最高科技奖。委员会的评审意见这样描述他的贡献:
  谷超豪院士是在国内外享有盛誉的数学家、教育家。他在多元混合型和双曲型偏微分方程、规范场的数学理论、可积系统理论和无限维变换群理论等多个重要领域都获得了富有开创性的、国际领先的重要成就,获得国内外高度评价……
  在这段评价中,包含了大量普通人难以读懂的学术词汇。然而,谷先生的学术精神与人格品质,却是每一个人都可以读懂、都可以从中得到启发的。
  
  数学家洪家兴院士是谷超豪上世纪60年代的博士研究生,他与谷超豪在复旦大学共事多年,对谷先生的学术与为人都有着深入的了解。他这样描述谷超豪的科研驱动力:一个是责任,一个是对数学的兴趣。
  而谷超豪本人则对记者感叹道:我们国家强大了,但科学还不够强大,我们应该把科学也搞强大来跟它相适应。
  为国家需要改变研究方向
  
  1957年,谷超豪开始在国际数学界崭露头角。当时谷超豪正在莫斯科大学数学力学系进修,他在微分几何领域取得的突破性成果,让国际数学界开始关注这个20出头的中国年轻人。当时,莫斯科大学在国际上已经是非常重要的数学中心,而谷超豪是惟一一名在这里得到博士学位的中国留学生。
  谷超豪在莫斯科大学的研究方向得益于恩师苏步青的指引。1926年出生于浙江温州的谷超豪,1943年考入浙江大学。大学四年级时,他深受陈建功、苏步青两位数学大师器重。这两位老师分别从微分几何和函数论方面给予了谷超豪多视角高强度的数学训练。此外,在大学三四年级时,偏爱物理的他还选修了物理系的很多课程。正是这种跨学科的知识构建,为他日后的学术成就奠定了基础。
  上世纪50年代,谷超豪跟随导师苏步青来到复旦大学任教,研究方向也追随导师的微分几何领域。但在上世纪60年代,谷超豪却开始转向偏微分方程的研究,原因只有一个:国家的需要。
  谷超豪的学生洪家兴院士回忆说,在五六十年代冷战时期,导弹、卫星等高速飞行器是苏美等国发展的重点项目。出于我国国防需求,要有人围绕高速飞行器设计的数学理论进行研究。于是,谷先生就把他在微分几何的研究方向毅然转向了对偏微分方程的研究。
  飞行器在超音速飞行时,周围气流比较复杂,因此必须对周围气流的流动状况进行研究了解。上世纪60年代,谷超豪从事的第一项重要研究,就是对超音速飞机平面超音速扰流带激波作解。他首次给出的一个解,成为这一领域的先驱性研究成果,比国外同行的工作提前了十余年。与此同时,谷超豪还参与了钝头物体超音速扰流问题的计算,为我国的航天工程也作出了重要贡献。
  洪家兴院士谈道,当时我国基本处于闭塞状态,中国学者的工作不为国际学术界所注意,论文多刊登在国内学术杂志上,用中文发表。当时,谷先生的这些工作也是用中文发表的,所以国际学术界对此一无所知。直到改革开放之后,到国外进行交流时,国外数学界才恍然大悟,原来你们十多年前就已经解决了这个问题。
  谷超豪回忆说,当时,这些学以致用的研究工作给了我很大的信心,把数学运用到物理上,是我一直想做的事。
  在超音速扰流的研究中,谷超豪不但解决了超音速状态下的科学难题,还继续研究从低速到高速的飞行过程中产生的科学问题,这也是国际学术界多年来悬而未决的难题。
  飞行器在速度接近声速时产生的“音障”现象已经广为人知,不过很少有人知道,“音障”现象所对应的数学问题是混合型方程。谷超豪在上世纪六十年代所从事的另一项工作便与此有关。
  谷超豪不仅解决了相当大的一类混合型方程,同时还发现了重要的新现象。这个新现象对混合型方程理论起到了奠基性作用。这些发现,均发表于上世纪60年代。10年后,一个美国数学家代表团访问中国,为了解中国数学界的现状,他们到全国各地的大学和研究机构进行访问。当时,谷超豪介绍的就是他的这项工作,这令美国代表团感到非常惊讶。后来,在这个美国数学家访华团的报告当中,对谷超豪的研究做出了以下评述:这是一项非常新颖、非常重要的工作。
  
  用数学方法解决物理问题
  
  谷超豪很欣赏一句话:“数学是科学的仆人”。他总是试图用自己的数学工具解决其他学科,尤其是物理学方面的根本问题。上世纪70年代中期,谷超豪与诺贝尔奖获得者物理学家杨振宁合作,在规范场的数学结构方面取得了许多突破性成果。
  上世纪70年代,杨振宁访问了复旦大学,以此为契机,谷超豪开始将研究方向转向数学物理。杨振宁和米尔斯在1954年提出了杨-米尔斯规范场理论,这是物理学界公认的一个重要成果。事实上,从杨振宁和米尔斯提出这一理论开始至今,已经有大约三项诺贝尔奖属于这一领域,其重要性可见一斑。但是从数学角度进行的研究,当时却很少有人问津。1974年杨振宁到复旦大学时,就曾经向包括谷超豪在内的一些学者提议,能否从数学角度研究杨-米尔斯方程问题。
  谷超豪回忆起当时的情景依然历历在目:“我们先请他作报告。他作报告的时候,我们也给他提出一些问题、或者想法。他很奇怪,因为我们能提出问题,我们能够了解他的事情,了解他的想法,我们有共同语言。我跟老伴胡和生,我们当天就做了两项研究成果,当天晚上做的,第二天跟他讲了,他觉得非常高兴。”
  谷超豪很快就证明了杨-米尔斯方程的初始问题的局部解的存在性,这一研究成果比国外同行的同类工作提前了5年。谷超豪与杨振宁的合作时间虽然不长,但却取得了高效而突破性的进展。之后,他们一直保持着长期的合作关系和私人友谊。
  谷超豪在规范场领域的另一项重要工作是得到了球对称规范场的一般表达式,并且,首次将微分几何当中的和乐群理论应用到了规范场领域,赋予了规范场理论优美的数学描述。
  著名国际学术刊物《physics reports》曾经特别为谷超豪出版过一个专辑,介绍他在杨-米尔斯场规范场理论方面的工作,这是大陆学者第一次获得如此殊荣。
  有关谷超豪在规范场理论的研究,杨振宁在一次接受记者提问时曾经作过这样一个评价:“他研究规范场,就像站在高山上往下看,看到了全局”。
  
  因视野开阔方能高屋建瓴
  
  “站在高山上,看到全局”,不仅在规范场的研究中,谷超豪具备这样的视野与智慧。在他所涉及的微分几何、偏微分方程、数学物理三大领域,上面的评价对他都适用。
  上世纪80年代,在规范场研究基础上,谷超豪以独特的微分几何技巧,从物理学中提炼出了“波映照”问题,开创了波映照研究方向,引发国际上许多著名科学家的后续研究。现在,谷超豪的文章已成为这一领域的经典性引文。
  据洪家兴院士介绍,波映照,最早是物理学家为了描述基本粒子运动而提出的概念,也被称为∑模型。这个模型所对应的偏微分方程非常复杂,因为里面有时间T,所以是一个动态方程,大多数数学家都不知道应该如何求解,当然更不必说物理学家。这种动态方程应该如何求解?谷超豪给出了巧妙的解答,他找到了∑模型当中一个很重要的几何特征,一下子就把它解决了,从而证明了这个动态的解也是存在的,而且是整体存在的。这一研究成果令西方学界非常惊讶。因为当时西方学界普遍认为这一问题很难求解,而且不相信是整体有解。然而谷超豪用极其明快的数学手法解决了这个问题。
  在对数学世界的探索中,谷超豪总能以独特的视角发现别人所看不到的科学问题,并且用自己巧妙的方法去解决它。之后,他又以同样四两拨千斤的方法在高维孤立子理论上取得了重要成果。这些智慧让国际上许多数学家都对他都心生敬意。
  法国数学家马达姆肖盖用这样四个形容词评价谷超豪的研究工作:独特、高雅、深入、多变。洪家兴认为这一评价非常准确:独特就是原创性;高雅就是使用明快的手法、简洁地得出答案;深入多变就是谷先生总是从一个研究方向走到另一个研究方向。
  从微分几何的研究,转向偏微分方程的研究,再转向数学物理的研究,每转变一次研究方向,就如同从一个高峰攀登到另一个高峰,谷超豪就像一位数学界的登山家,总能以轻盈的步伐游走于数学的巅峰之间,并且乐此不疲。
  谷超豪自己则这样评价自己:因为学数学的同时,对物理兴趣也很浓厚,这样一来看东西的眼界就比较开阔。
  
  教学生使命是为超越老师
  
  谷超豪很像一位开疆辟土的数学统帅。他始终沿着导师苏步青先生的教学理念,把自己的学术思想毫无保留地传授给自己的学生,从而带动整个团队乃至整个学科的发展。苏步青经常和外人讲,谷超豪超过了自己。同样,谷超豪也经常表示,希望自己的学生能够超越自己。谷超豪说做某项工作的学生一定要超过先生,因为学生的工作是在先生的基础上做的,这才是带学生的意义。对谷超豪而言,学生超过老师是必然的。
  在谷超豪从教60年的生涯中,他为国家培养了一批在国际上很有影响的数学家,在他直接指导的研究生中,就有三位当选为中科院院士。
  他的学生洪家兴院士,现在是复旦大学数学研究所所长。他这样回忆在谷超豪指导下做研究的情景:谷先生自己开拓一个研究方向以后,就会马上交给他的学生继续拓展。比如说,在超音速扰流领域,他做了一些先驱性的工作以后,就让李大潜沿着这个方向走,所以李先生在这个方向上做出了非常出色的工作,紧跟着谷先生在这条路上走下去。而谷先生自己就去研究混合型方程了,他从双曲型方程领域转到了混合型方程领域。他进入混合型方程领域之后,也做出了一些成果,发现了新现象:用一个统一方法来解决混合型方程。然后,他把这个工作就交给了陈恕行和我,所以陈恕行就在超音速扰流研究领域做出了许多出色的工作,得到了国家自然科学二等奖。我就跟随谷超豪研究混合型方程,后来从事微分几何研究。而此时,谷先生自己已经转到数学物理领域进行研究,他又开始带领着年轻人去研究数学物理问题。
  洪家兴评论说,有谷超豪这样的研究气度非常不易。因为开拓一个研究方向是一件很艰难的事情。他说,就好象挖金矿,你找到了金矿,然后把这个金矿交给学生,自己又另外去找金矿,这是需要有很大气度的。
  
  做育人教授不做学界“老板”
  
  谷超豪周围的人普遍认为,创新和奉献,是对这位老者的学术人生的最好概括。他曾经担任过中国科技大学校长和温州大学校长,但在繁重的事务工作之外,他却从未放松过自己的科研追求和教书育人的责任。
  60年来,谷超豪在国内外发表论文130余篇,其中一人独立完成的有100篇。出版专著及教材6部。曾获国家自然科学奖二、三等奖各一项,国家教委科学技术进步奖一等奖两项。直到82岁的高龄,他还在亲自带研究生。
  洪家兴院士提到谷先生对研究生的指导中,有一个很特别的地方:他发表130多篇文章,其中有100篇都是他自己一个人写的文章。洪家兴进一步解释说,即使论文的问题是谷先生自己提出来的、思想方法是他讲的,甚至于论文还需要他进行修改,但是他也不会署名,而只是署上学生的名字。
  谷超豪的另一位学生、陈恕行教授也特别提及,谷先生很少和学生一起发表论文,只有在他自己真正花了很多精力的合作论文上面,他才会署上自己的名字。谷超豪总是一再鼓励他的学生,希望年轻人自己去做研究和创造。
  洪家兴还讲述了谷超豪的一件趣事:现在学生们会习惯性地把导师称为“老板”。一次开教授大会时,谷先生对这一点极为愤怒,说以后不能再叫“老板”。洪家兴当时有点纳闷,问他为什么不能叫“老板”。谷超豪严肃地回答道,老师和学生之间并不是雇佣关系,怎么能称“老板”呢?
  谷超豪的身体力行,无疑是最好的学术表率。复旦大学数学研究之所以一直保持着国际水平,显然与谷超豪自由开放的学术思想、真诚豁达的人格品质密切相关。
  洪家兴说,谷超豪几乎从不批评人,谷先生如果要批评谁,就说明这个人已经不可救药。虽然他很少批评别人,然而他的为人、形象就在每个人面前,让人不得不好好地做事情,这是一种无处不在的榜样力量。他是用身教,而不是用言教。
  陈恕行也回忆道,谷先生就是这样一种思想、这样一种精神,我一直记在脑子里,所以在对我的学生进行指导的时候,我也这样做。
  对谷超豪来说,这或许是一种使命。他说,有一个任务摆在那里,这个任务就是把我们国家的数学搞上去。导师和学生都有这个任务。希望学生尽量发挥自己的创造性,把这个任务完成得好一点。
  “把我们国家的数学搞上去”,为了这个目标,谷超豪奋斗了一生。如今,84岁的谷超豪由于身体原因不能经常来学校,但他依然时刻关注着我国数学学科的发展。
  
  自幼热爱文学的谷超豪用一首自己写的古体诗总结他的数学人生:
  人言数无味,我道味无穷,良师多启发,珍本富精蕴。
  解题岂一法,神思求百通,幸得桑梓教,终生为动容。
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