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追求“无穷”

    发布时间:2020-01-03

□ 徐芳芳

  
  
  “通常大家以为数学家都是陈景润式的,好几次有人问我撞没撞过电线杆,那是由于对数学家不了解。其实数学家没有标准像,有人喜欢登山,有人喜欢潜水,有人喜欢写诗,与其他职业的人并没什么不同。我呢,愿意与不同专业背景的人交流,吸收各种知识。虽爱好有别,但我们却有一个共同点就是对数学的执着与热爱。”清华大学数学科学系教授周坚这样介绍自己。
  在美国求学、工作11年,2001年回国后,周坚加入清华大学。执教至今,他身上有很多光环:国家杰出青年基金获得者、长江学者、入选国家“百千万人才工程”。在黎曼面的模空间与霍奇积分、拓扑场论、微分几何、弦理论等基础数学方向,周坚更是做过大量工作。虽如此,比起谈成绩周坚却更乐意聊经历。他说:“只是做了一些喜欢做的事,并不是自己有多聪明,周围的环境很重要,也会得到很多人的帮助,我可以说出几十甚至几百个对我有过帮助的人,这是很重要的经历,也是我想要分享的东西。”
  
书中的别样世界
  2018年,清华大学校长邱勇在开学典礼上送给新生一本书——《从一到无穷大》,借此勉励新入学的“千禧一代”努力追寻科学真理。这本书40年前也曾启迪过少年时期的周坚。
  1967年周坚生于北京,此后随父亲单位搬迁到了四川的一个山沟里,在水泥厂的子弟学校读到高一。那里的教学条件有限,很少有人能考上大学。20世纪70年代末,在数学家陈景润励志故事的影响下,社会上兴起了一阵学习数理化勇攀科学高峰的风潮,周坚有幸得到一套《数理化自学丛书》,并开始自学。
  改革开放,一些国外的科普书被引进中国,并传到偏远的山沟里。周坚印象深刻的两本书,一本叫《物理世界奇遇记》,当时有人把它当侦探小说买回家,周坚家也有一本,从这本书里他第一次知道了还有相对论和量子力学这样的学问。另一本就是《从一到无穷大》,周坚在母亲工作的资料室看到这本书后就被书中的内容深深吸引。此书以生动的语言将数学、物理乃至天文、地质、生物学等内容巧妙融合,将科学精神和科学魅力展现在少年周坚面前,为他打开了一个全新的世界。以至于多年后,当回顾自己的学习和科研经历时,周坚总会用“从一到无穷大的物理世界奇遇记”来描述。
  1982年,周坚迎来了生命中的一个转折,随父亲单位搬迁全家迁到安徽省合肥市。世界著名物理学家杨振宁院士是安徽人,周坚经常能从师长们那里听到一些关于他的故事,也知道了杨振宁是一个伟大的科学家。
  高中毕业后,周坚就读于离家很近的中国科学技术大学(以下简称“中科大”),谈到选择它的原因,周坚笑着告诉记者,当时所在高中流传一句话 “穷北大、富清华、不要命的上中科大”,喜欢冒险的周坚当然要上中科大。选专业时,一位高中同学曾劝他报考物理系,但他认为学好数学再去研究物理更合适。
  中科大当时的安排很特别,数学系跟力学系在一起上数学课,跟物理系一起上物理课。虽然从读科普书开始就对物理产生了好奇,但大学时周坚主要的兴趣却在数学上,加上物理实验从未做成功过,他觉得自己没有物理方面的天分,便没有在物理学习上多下功夫。出人意料,周坚后来所走的科研之路却与理论物理特别是超弦理论紧密相关,回想起来,在中科大的耳濡目染无疑对他产生了潜移默化的影响。
  
走自己的路
  20世纪80年代初,国际数学界发生了一个变化,即基础数学与理论物理再次进入了一个深度交流期。这要从杨振宁院士邀请纽约州立大学石溪分校数学系的赛蒙斯(Jim Simons)教授在午餐会上介绍数学家在微分几何学方面的工作谈起。杨先生意识到,他自己提出的杨—米尔斯理论跟数学家搞的纤维丛理论在基础上是同一个东西。虽然其他科学家也认识到了这一点,但是由于杨先生的国际影响力,这个观点迅速传播到一些国际顶级的数学家那里。菲尔兹奖获得者阿蒂亚(Atiyah))门下一个年轻的博士生唐纳森(Donaldson)受到了启发,他用规范场论解决了一些微分拓扑学中的数学问题。当时的周坚正在中科院数学所实习,在戴新生研究员指导下学习现代数学,那已是他在中科大学习的第5年,了解到这些后他受到了很大的震动,觉得那是自己喜欢的方向,想从事受理论物理启发数学研究的周坚,萌生了出国留学的想法。
  学校推荐,他幸运地通过了王宽诚公派留学项目的选拔,由冯克勤老师引见第一次见到了当时为该项目入选者写推荐信的陈省身先生,周坚由他推荐赴美国纽约州立大学石溪分校开启了自己的博士生涯。“选择石溪分校,是因为杨振宁院士在那里。”周坚说。
  博士期间,周坚跟随导师开展了广义相对论方面的研究工作。周坚说,有时候学什么并不由自己决定,环境的影响很大。出国时,本想学规范场论的周坚,到了美国后竟学起了相对论,本想学物理方法的周坚,却并未脱离数学的方法。“因为我的导师的导师的导师,也就是我们的祖师爷实际上是个数学家。相对论一般用分析方法解决问题,但我们用的是代数几何的办法来解决问题。这很特别,虽然我学的是广义相对论,但却并没有真的跑到物理的轨道上去。”周坚笑着说。
  想用物理方法解决数学问题的周坚,却用数学方法处理起了物理问题,虽与初衷有些背离,但却也打下了一些基础。在国内戴新生老师曾给他介绍过复几何和奇点理论,在博士论文中周坚提出了处理轨形(orbifold)奇点的形变理论,并在自对偶度量的粘接问题上做出了一些成果,这些在博士阶段做的工作为他后来的研究做了良好的铺垫。
  从石溪大学博士毕业,周坚先后在加州大学圣巴巴拉分校、德克萨斯农业与机械大学、麻省理工学院数学系做过访问助理教授。在那期间,周坚发现自己对受物理启发的数学兴趣越来越浓,也逐渐形成了自己的风格。在中国科学院实习时,他接触过一个叫“超对称”的物理思想,并对此产生了兴趣,博士毕业以后就尝试深入研究。这是物理上目前仍然没有得到实验验证的大胆假设,从数学上看却是极为优美的思想。周坚从陈省身—韦依理论的角度入手研究,博士阶段的导师LeBrun教授并不支持他研究超对称,因为他觉得这个方向前途渺茫。尽管如此,周坚却坚持了自己的选择。他说:“我喜欢走自己的路。”
  在德克萨斯农业与机械大学的研究是周坚科研工作的重要阶段。在那里他遇到了曹怀东教授,周坚的合作导师,他们亦师亦友。曹怀东是Ricci flow方面的专家,也希望周坚能做这个方向的研究。但曹教授是一个开放、包容的人,对周坚的选择给予了支持。1998年,两人合作的第一篇使用超对称思想的文章发表了,他们用等变上同调和局部化的思想证明了Seiberg-Witten理论中的穿墙公式。
  “从有了想法到取得小小的成果要花很久很久的时间。”每当谈起所获成果,周坚总会这样感慨。周坚的感慨不无道理,从他知道规范场论,知道能用物理学家的思想解决数学问题开始,到他自己写出一篇这样的文章经历了大约10年的时间。
  陈省身先生有一个想法,即所有的东西都用微分形式来表达,而这正是超对称的思想得以应用的原因。当时有一个很流行的理论——“量子上同调理论”刚被提出,周坚跟曹怀东就想能不能把量子上同调理论用陈先生的微分形式来表达呢?于是他们开始尝试做这件事,由此接触到辛几何和泊松几何。
  在一个著名数学家的生日会上,周坚得知有一个叫康切维奇的数学家在做泊松几何中的量子化的工作,取得了很大的成果。“我就去请教他,问他所做的工作在哪里能看到,他说在网上可以查到,1997年我们对互联网还不太熟悉。回到德克萨斯后我和曹教授就开始在网上找,不仅找到了他做的相关工作,我俩对他其他的工作也产生了兴趣,并做了一些其他的事情。更有意思的是这次与康切维奇的交谈在某种意义上还促成了我回国。”周坚笑着回忆。
  曹怀东和周坚开始把他们对于微分形式和超对称的想法扩展到与超弦理论中的镜像对称相关的研究中。周坚认识到超对称与无穷代数结构和无穷维空间上的几何结构有密切联系。与康切维奇的交谈,让周坚知道了互联网,并在查找相关信息时见识了互联网的便捷,他发现通过互联网很多研究工作已不需要依赖与人面对面的交流就能开展。同时,他也觉得已经到了可以取得令自己满意的学术成果的阶段,并希望这些成果可以在中国取得,回国的念头越来越强烈。
  回国前,周坚曾在麻省理工学院田刚教授那里访问1年。田刚建议他利用在超对称中局部化方面的专长研究Gromov-Witten不变量的计算。他认真研究了相关的文献,用了近一个学期的时间检验了连文豪、刘克峰、丘成桐的一篇著名文章的全部细节。做足充分的准备,周坚踏上了回国的旅程。
  
不喜被框架束缚
  2001年回到清华时,正值学校90周年校庆,这对原本并不了解清华的周坚来说,是个了解它的绝佳机会。他从了解校史和系史做起,发现很多对中国有影响的人都与清华有渊源。大科学家杨振宁毕业于清华,李政道曾就读于西南联大;文学家曹禺曾在清华西洋文学系就读,朱自清曾做过清华中国文学系主任;以前是中科大数学系主任的华罗庚曾是清华数学系教授,为了解他,周坚专门买了一本《华罗庚传》。
  还有一个在清华学习和工作过的泰斗级人物,就是当时还健在的陈省身先生,晚年回国在南开大学工作生活。“陈先生对青年人非常友好,我还去他家吃过饭,跟他有过面对面的交流。虽然他已90岁高龄,但从没让我觉得他是一个老人。我第一次去他的‘几何之家’,正在看他书架上的书,这时一个声音响起:‘周坚来了吗?’有人推着轮椅上神采奕奕的他来到书房。”周坚回忆。
  阅读了陈省身先生和华罗庚先生的传记,周坚特别关注了他们培养学生的部分,希望对自己能有启发。他也曾问过陈省身先生是怎样训练学生的。陈先生回答:“我什么也不做,把好的年轻人聚集起来,他们就像草一样,自己就长起来了。”“我当时用一种疑惑和不相信的眼神看着他。很久以后,我才体会到,他的方法比那些自以为‘诲人不倦’实际上是‘毁人不倦’的人要高明不知多少,应该说是到了无为而治的境界。”周坚感慨。
  清华校史上的人和事,让周坚深受感染,他觉得科学家不光要做学问更要讲情怀。“杨振宁院士说:‘我最大的贡献是帮助中国人克服了自己不如别人的心理。’他不认为自己做的研究多么重要,他认为提升中国人的自信心很重要。华罗庚先生接到邀请去美国访问,不愿意落下话柄让别人说研究是在他们的指点下做成的,在中国完成后才去美国。他们非常看重国家和民族的荣誉感。我们讲科学没有国界,但科学家有,我刚回国时接触的就是这些东西,跟我当时的心境很契合。”周坚说。
  回国想做一些事情的周坚,很幸运地遇到了很好的机遇,遇到了很棒的合作者。他的很多师长和友人都是国际知名数学家丘成桐先生的学生,在美国合作过的曹怀东、田刚都是他的弟子。在清华工作的头几年,周坚与丘先生的弟子们刘秋菊、刘克峰、李骏合作,用精巧而漂亮的数学方法解决了理论物理中提出的一些国际著名猜想,其中包括超弦理论中的世界著名难题马里诺—瓦发猜想。
  周坚告诉记者,杨—米尔斯理论和杨—巴克斯特方程是杨振宁院士为世界物理做出的两个贡献;陈省身先生也有两个很著名的工作,一个是高斯—博内—陈定理,另一个是示性类理论;丘成桐先生的两个贡献则是卡拉比猜想和正质量猜想。周坚说,这6项工作都是相互联系的,其根本原因是内在的对称性和超对称性。除正质量猜想外,其他5项成果,他可以通过跟合作者证明的那些猜想去建立起来。
  关于第6项成果与其他5项的联系,周坚想从霍金的黑洞熵的超弦理论解释来建立,经过十几年的尝试,周坚对怎样用统计物理的想法去理解引力和镜像对称提出了一个理论框架,他称为“涌现几何”。在尝试的过程,他受到清华大学高等研究中心同事们的启发,也因为经常去听物理系的学术报告而获益。他花了大量时间精力去学习统计学、统计物理和凝聚态物理的新进展,努力把它们整合到自己的理论框架中去。
  关于自己的“涌现几何”,周坚说:“走自己的路有两个结果,一是别人不知道你干什么,对此我还好,我不太在乎别人对我的看法。二是你需要花费更多的时间,做更多的工作去走好你的路,当你的想法容纳更多东西取得更多成功时,它的影响会扩大。我不怕耗费十年甚至二十年的时间,但我想要最终有一个标签是属于中国人的,有一个框架是中国人的,哪怕失败也得有。”
  谈到未来,周坚充满信心,他说中国的科研环境很宽松,国家自然科学基金委非常支持探索性研究,这为他工作的开展提供了保障。
  回顾自己的学习和科研历程,周坚说成绩的取得,离不开前辈的提携,更离不开同行、同事甚至学生们的助力。
  目前,因为将精力放在“无穷多个自由度时候的几何结构”问题研究上,所以周坚常常笑称,自己是一个追求“无穷”的人。科
  
  

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