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数学的国

yangguangbaodao 2017-01-05 15:11:38 程曼祺 总第234期 放大 缩小

今年读大二的莫亚金,常在校园里听到一种特殊的“争吵”。这“争吵”不涉及利益冲突或情感纠葛,内容抽象而高深,发生的场合又十分随性,像一个身着隆重礼服的人,忽然闯到了市井街头。

那还是大一开学没多久的时候,莫亚金正在大澡堂的隔间里冲澡,忽然听到左边的两三个同学在讨论“一个小区域内流体各处速度分布的欧拉表述”。本来在右边隔间里哼小曲的同学也加入了战局……雾气和水声中,谁也分不清谁,但不妨碍大家说得热烈。

在莫亚金所在的中国科学院大学(以下简称“国科大”),这样的情景不时出现。这所大学被同学们戏称为“中国数学物理大学”,不论本科生学什么专业,在大一、大二都被安排了高难度的数学课程。他们的授课老师,是中国资深的数学家,其中不乏中国科学院院士。

9月20日晚上,国科大可容纳800多人的礼堂里坐满了年轻的学生。主讲者是国科大主管教学的副校长、中科院院士席南华,他给大一新生开设了“线性代数”,2016级是他带的第三届。演讲结束后,席南华又遇到了那个常被问及的问题:研究纯数学是怎样的体验?

    “这是一个可爱的学科,很有乐趣,也不用实验设备,在世界上有很多朋友,我转了很多国家,免费旅行,做完之后成果也是你的。”席南华笑了笑,“这么可爱的事情,想别的干嘛,只管往下做就行了。”

“数学家天天都是星期天”

53岁的席南华,瘦高,挺拔,看上去比实际年龄年轻。他声音平稳,语速适中,演讲的时候偶尔抖一些数学段子。也正因为他讲笑话自己不笑,所以在同学眼里,显得分外好笑。

他常说的一个笑话是这样:“如果你明白一个命题,又知道它的证明,那么你可以写论文发表在数学杂志上;如果你明白一个命题,但不知道它的证明,那可以把论文发在物理杂志上;如果你既不明白它的命题,当然,你也不可能知道它的证明,那可以把论文发表在工程学杂志上。”礼堂里瞬时爆发出一阵爽朗的欢笑。这一句玩笑也道出了纯数学研究的特点,它追求真理,并要求得到真理的逻辑过程无懈可击。

得益于这种特点,当代数学家依然保持了古典学者的风范,他们可以像数百年前的前辈一样,凭着一副好头脑深入思维领域。他们无需把自己拴在实验室里,或使用什么特殊器材。他们穿梭在世界各地,和全世界的同行交流,这也是研究必不可少的一部分。

今年大二的阚成章,在上线性代数的时候,多次听席南华讲数学家是一个特别好的职业,相对自由,做什么事情都可以想问题,吃饭、走路都可以想。

席南华的同事、中科院院士周向宇,引述他研究生同学张伟平院士的话,“数学家天天都是星期天”。周向宇解释,这不是指数学家天天都在休息,而是说星期天也在工作,什么时候都可以工作。有时候即使躺床上了,问题也会潜入清醒和睡眠的间隙。1993年,在德国访学的席南华正在研究“单位根处的量子群的表示”,有一次正睡得迷迷糊糊时,突然被一个相关的想法击中,这种时刻,人会蓦然清醒。

在自己的办公室里,冯琦描述了“思考数学”时的具体感受。他是中科院数学院的研究员,和席南华、周向宇一样,也给国科大的本科生授课,研究领域为数理逻辑。思考数学问题,对冯琦来说“很舒服”。沉浸在问题中时,没有什么东西可以打扰他。“很纯,不会开小差。自己对自己笑眯眯。大脑特别兴奋,不是我让它兴奋,是自然地兴奋起来。”冯琦说。

数学专业二年级的学生李鑫泽发现,有些问题非常迷人,迷人到吃饭、走路都在想。想不出来的时候,他会在校园里乱走。去年初夏,李鑫泽在习题里碰到了一个和“若尔当标准型”非常相似的矩阵结构。夜里10点,他还在操场上走,思索矩阵怎么排得更规整、更完美。走着走着,他突然得到了一个思路。李鑫泽回忆,他当时特别高兴,感觉走路可以飘起来。

“最最美好的是数学的思想,它美得要命”

“漂亮”、“美”、“优雅”,这是多位数学家描述数学时的共同词汇。阚成章记得,他的学业导师袁亚湘院士常对年轻人说:“数学是有趣的。”“最最美好的是数学的思想,它美得要命。”

席南华在新生演讲中,这样说数学的美:“数学的美,显然是内在美,需要你细细体会,体现在思维方式上。比如市长给欧拉提出的‘七桥问题’,欧拉就把这个问题抽象了‘图论’也由此诞生了。欧几里得对素数无穷性的证明,逻辑的力量是一种美。勾股定理,不同东西联系在一起,美。简单的东西揭示复杂的东西,也是一种美。”

数学的美与乐趣,像“兄弟会”的接头暗语,把讲不同语言,但使用同一套数学符号的人连结到一起。和一些人想象中埋首斗室、伏案冥思的数学家形象不同,数学家其实有很多旅行的机会,因为高质量的同行交流是数学研究的重要部分。席南华不觉得数学带来孤独,自己研究的东西,和身边的人说不清楚没关系,世界上有人可以说清楚。

一场饭桌上的小讨论,数学家和数学家“碰对头”了,也能划出一连串的思考涟漪。有一年,数学家丘成栋来中科院数学所作报告。结束后,席南华请他吃饭,丘成栋在一张餐巾纸上写了一个他研究多年的问题。这后来促使席南华研究“代数群的无限维表示”,相关论文被审稿人认为开辟了一个新的研究方向。

2013年的一天,席南华得知张益唐证明了“弱版的孪生素数猜想”:“我一下就明白了这个意义,周一去数学研究院开会,我说我们要引进这个人。”其他机构也很快参与了竞争。席南华说:“北大校长请他吃饭,这是他的母校。清华校长请他吃饭,还请了杨振宁作陪。数学院也请他吃饭,但不找领导,而是找了些年轻的学子,和他谈数学、数学界。他很喜欢文学,包括古典文学、俄罗斯文学等,我们也谈。最后可能他发现,数学院是个做学问的地方。”

在国科大2016级的新生演讲中,席南华分享了这个故事,话一说完,会场中又响起一阵掌声和笑声。席南华对自己的听众有足够的把握,对这些梦想当科学家的年轻人来说,“做学问的地方”是一个必须鼓掌的小高潮。这些台下的年轻人,也在组织自己的“数学讨论班”。

   

研究数学需要热恋

在席南华、周向宇、袁亚湘成长的上世纪70年代末到80年代,中国人对包括数学在内的基础科学有极大的热情。15岁那年,读到描写陈景润数学研究的报告文学《哥德巴赫猜想》,席南华很着迷,虽然没懂其中的数学内容,但他兴奋地读了好几遍。在万里之外的北京,中科院数学所接到了全国寄来的雪片般的信件,门口排起了长龙,人们聚到这里想求教数学问题,或声称自己完成了某项证明,有人甚至带来了铺盖,不确认结果就不回家。

而多年后,当数学所所在的中关村冒出越来越多、越来越贵的高楼大厦,人们对基础科学及其研究者的热情却渐渐衰退,还生出了许多担忧。在2014年国科大第一次招生时,来自云南的新生刘翼豪就曾面临许多告诫:“当你同学本科、硕士毕业有车有房时,你还做着实验,读着博士,一无所有。”“科研是贵族的游戏,如果你家里有钱当然无所谓在哪儿上学了。”

席南华在读博士的时候,室友劝他转行做经济。“这对我们学数学的人来说太平常了,收入何止翻几番!但我从没想过转行,因为纯数学是我兴趣所在。”冯琦直言,研究纯数学,注定是一个不会特别赚钱的行业:“额外收入和数学统一不起来。研究数学需要对自己领域的热恋。不能分心,不会分心,也不愿意分心。”但现在的环境对年轻人有很多诱惑,到处都在呼叫去赚钱、去成名。

在数学世界内部,这项要求不断创新的工作,也可能使研究者遇到思维的挫折或陷入自我怀疑。实际上,席南华一开始并没有考上本科,而是被一所专科学校的数学专业录取。在工作一年后,他考上了华东师范大学的数学系研究生。席南华回忆,到了这一步,自己依然很吃力:“我的论文写得很辛苦。我很多同学第一年就有论文发表,我读到第三年,论文也写不出来。”在勉强完成硕士答辩后,席南华已经起了回湖南工作的念头。他的导师曹锡华却问他还想继续读书吗?“想啊!”“那就考试,读博士。”直到现在,成为院士后的席南华依然觉得自己很平庸:“和伟大的数学家比起来,我取得的成果什么都不算。”

他对自己能走到今天也感到十分惊讶:“我读的学校也不好。有的是北大、复旦出来的人。我怎么有今天这样的地位,既不聪明,也不是名校受的教育?我感到非常奇怪。”后来他琢磨出一点道理:“当时说了我都不懂,同学说都懂了,过了好久我知道他们搞错了,其实没搞懂。”席南华说,“差别在哪里呢?我知道自己不懂,他们不知道自己不懂。我知道不懂,我就努力搞明白。”席南华谈到了潜在研究者的特质,说起来并无神奇之处:需要一定的素质、对数学的热爱,然后就是坚韧不放弃的精神。

“要让学生站在我们的肩膀上,学习数学,研究数学”

在中国科学院数学与系统科学研究院一楼的展览室里,陈列着几份华罗庚的《多复变函数论中典型域上的调和分析》的手稿。本来是带记者参观,但看到激动处,李向东也拿出手机拍了几张。

 在国科大的学生那里,李向东被称为“东神”,他是中科院应用数学所的研究员,在国科大开设“微积分”等课程。在之前的采访中,他提到自己求学和做研究时曾读过华罗庚在1958年出版的这本著作,书中美妙的推导和娴熟而精巧的计算,令李向东读来“扼腕赞叹”。

受邀到北京师范大学进行数学讲座的周向宇院士,再次提及华罗庚的这本著作:“我们这一辈做数学的,受华罗庚影响大,他在西南联大时期,做多复变数自守函数。后来回国后,完全是在国内的环境,做了典型域上的多复变函数研究。”

新中国数学科学的奠基人之一,中科院数学所的第一任所长华罗庚,也是一位桃李满天下的老师。他创造了“一条龙”教学法,把数学系所有的课程按照一条线牵起来,由他全部带完。他也挖掘培养了王元、陈景润、万哲先、陆启铿等许多数学家。现在,国科大的诸位老师接过了新的一棒。

席南华并不讳言,给本科生讲课和管理教学工作会影响自己的研究。他推辞过出任学校领导,但后来想培养人也很重要,是一种责任。就任后,他请国家科学图书馆对每个专业调研世界上排名前五的学校,前后花了几个月的时间,在有关调研报告基础上,确定了国科大的本科课程体系。在李鑫泽眼里,席南华上课不看讲义,只凭记忆完成定理的引出、证明、收语,并最后总结相互联系,一气呵成。

李向东的课程,则是另一种风格,被学生评价为“奔放的法兰西流派”。他班上的学生韦祎说,李老师的课表面上看起来很随意,但充满激情,十分注重整体性,对概念之间的联系非常明确。他并不使用指定的教材,而是给同学推荐多本参考书,课上选讲。韦上学期用的书,不下10本。在招生规模较小的国科大,留法归来的李向东,特意想打造“巴黎高师”对学生的培养模式。

“让他们跳出课本的框框,更好地了解数学发展中历史的原貌,各个阶段的特点、困惑和所研究的问题……如果不知道数学的源泉,也就不知道应该做什么问题,也就很难把握数学的过去和预测数学的未来。”李向东说,“要让学生站在我们的肩膀上,学习数学,研究数学。”

数学家的特点和轶事,也无缝衔接到了课堂的玩笑里,如果看到同学伏了一片在抄笔记,席南华会提到俄罗斯数学家庞特里亚金:庞特里亚金从来不记笔记,记笔记耽误太多。在周向宇眼里,学生很上进,学校氛围好,科学家办学,很认真。基本上全所出动,把自己的力量完全用上去了,没什么保留。周向宇说,现在学生学的东西,比他们当年学得前沿。

不过学生也面临多重挑战。平时温和的席南华在考试中很严格,“学不好,不及格就是不及格”。2014级的班上,60多个学生中到春季学期期末时有12个人不及格,补考一轮后,还有10个人不及格,只能下次再重修。

9月的最后一天,席南华坐飞机到四川的一所高中给中学生讲数学的美。离地一万米的高空中,闭目养神的席南华在思考如何编写《线性代数》第二卷。他认为,柯斯特利金的《代数学引论》很好,但翻译过来后,多少有一些错误和表达上的不通顺。所以从今年开始,他给班上的学生用了自己写的新教材《线性代数》,目前只出了第一本。

约3小时后,飞机降落,席南华的旧背包里多了半张写了零碎文字的A4纸,那是他临时记下的一些关于新教材的思路:“度量向量空间大小的概念是维数,为此需要知道向量间的联系,可以用的运算是向量加法和纯量乘,它们都是线性运算。”一同放在这个旧背包里的,还有一篇安德烈·韦伊1978年发表的数学史论文——《数学史:为什么、怎么看》和一本黑格尔的《小逻辑》。

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