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朱佩成:一个自由驰骋的“数学骑士”

作者:本刊记者 肖贞林  来源:科学中国人  发布时间:2017-7-28

导读:  朱佩成坚定地认为,数学的学科性质决定了只有在与别的科学领域紧密结合时才会得到更有意义的重大成果,所以他一直坚持交叉学科多领域的合作与研究。他坚持交叉学科将是创造性成果的生长点和成长的沃土,这一主张也造就了他虽然长期从事在应用数学范畴的教学与科研,但是在材料科学领域里也取得一系列的重要成就。

   
  坐在记者面前的朱佩成给人感觉文雅而干练,或许是多年海外留学与工作经历的浸染让他具有了几分西方式的直率和坦诚,而少了些许国人身上那种传统儒家的中庸和世故。
  他坦言:数学对于推动整个社会发展和经济发展的直接作用貌似并不很大。紧接着话锋一转,他又强调:但是从另一个角度看,作为其他科学发展中不可或缺的工具,数学有着无可替代的重要价值。
  他热衷于开展以数学理论为支撑的跨专业交叉学科的研究,他认为这是“科学新分支、科学大发现、创造性成果的生长点和成长的沃土。”但同时他也在感叹“当下中国的交叉学科研究的土壤并不算最合适”
  他对于国内的教育方式和科研环境多有腹诽,但是当国家需要他时,面对着上海市“千人计划”的回国邀请,他却没有丝毫的犹豫,毅然决然地选择了放弃国外的优厚待遇回国发展,他说,这是由我国成功的爱国主义教育所铸就的、割舍不去的“中国情结”。
  这就是朱佩成,一个直言快语的数学家。在他身上,记者能读到那种纯粹的科学家的科研精神,一种为了理想而不避风雨勇往直前的热枕。
  
读万卷书行万里路的数学家
  
  上世纪70年代是一个社会变革和人生变化巨大的历史时期,成长于70年代的孩子们不像后来的年轻人那样以众多的娱乐明星作为崇拜的对象,那个时代的国民偶像更多的是“向科学进军”“实现四化”的先进人物们。
  同样成长于20世纪70年代的朱佩成自然也不例外。他少年时的偶像便是被誉为“中国现代数学之父”的华罗庚。华罗庚是在国际上享有盛誉的数学大师,他开创了中国数学学派并引领若干领域达到世界一流水平。这一切在朱佩成幼小的心灵里留下了深刻的印象。
  由于对华罗庚的崇拜,朱佩成开始对数学产生了浓厚的兴趣。兴趣是最好的老师,是钻研的最大动力,凭借过人的天赋,他在数学学习的道路上一发不可收,从中学到大学再到博士,朱佩成再也没有离开这个领域。
  “刚开始感觉数学这门学科挺神圣的,那个时候不是宣传‘学好数理化,走遍天下都不怕’嘛,但是学着学着,困惑就来了”随着钻研的程度越来越深入,朱佩成渐渐发现自己的所学——数学,对于整个科学的推动、社会的前进以及经济的发展的直接作用貌似并不是很大,但同时再换一个角度看,数学是一门基础学科,其他学科甚至是语言学科(如语音分析等),都会或多或少地运用到数学,作为其他学科发展必不可少的一门工具,诚如马克思所言“任何学科只有当它充分地应用了数学时才能成为真正的科学”,可见数学专业的价值又是不可低估的!一门由人类纯思维创造出来的学科却能够那么精确地描述着客观世界、对科学的发展起到这么巨大的作用,从微观到宏观,从自然科学到工程技术到社会科学,很多规律是数学方程式来写的,这是多么的神奇!这一认识,让他一度陷入纠结中,继续钻研下去的意义到底大不大?数学专业要如何研究和运用才能使其成为一门“接地气”的学科,才能够真正去解决和人民日常生活工作息息相关的问题?
  这个心结,一直到朱佩成在国内完成博士后研究也没有完全打开。他想到自己的偶像华罗庚先生曾经远赴欧美深造,对他的科研起到了关键性的作用,也想到了中国的那句古训“读万卷书,行万里路”,这让朱佩成下决心要走出去寻找答案,换一个角度看世界,换一个角度看自己。于是,他开启了这之后长达15年的海外留学和工作生涯,第一站是日本的九州大学。回想起当年战战兢兢地迈出第一步时,朱佩成笑谈自己很幸运,遇到了很多好的老师,就像“鲁迅当初遇到了藤野先生一样”,他们给了自己很多关怀和信心,使自己每一步都走得很扎实。
  在这十几年里,朱佩成先后在国际知名的日本九州大学、德国Darmstadt工业大学、西班牙巴斯克应用数学中学和巴斯克祖国大学从事教学和科研,还访问了诸如德国柏林洪堡大学数学所、波恩大学数学所、日本京都大学数理研究所、波兰Banach数学研究中心等世界著名的数学研究所,有机会面对面向国际数学大师们(如J. Ball、P. L. Lions 等)学习,使得朱佩成逐渐具备了极高的国际视野,与国际著名的研究中心保持着密切的合作关系,从而对国际主流发展方向有了更为准确的把握。
  这些经历也让朱佩成亲身体会到了不同的科研文化,让他大开眼界,呼吸到了很多和国内截然不同的新鲜空气。比如他发现这里并不靠论文的数量来证明你的水平,论文的质量比数量更为重要;这里宽松的科研环境更容易激发出一个人自由思考的潜力;而这种宽松并不等同于无秩序的松懈,在德国,科研论文里一个标点符号到底应该是逗号还是句号、数学公式后面的空格有没有严格执行都要考虑周全,这种严谨的治学态度让朱佩成叹为观止并且受益匪浅。
  在这样的环境里,朱佩成可以更加自由地思考各类问题,如在科学发展越来越发达的今天,学科分的很细,学科之间的界限越来越模糊,更让人觉得隔行如隔山,科学向何处发展?科学工作者应该有怎样的科学修养?科学理论的价值是什么?他也逐步体会到在科学面前是人人平等的,即使是科学大师有时候也会出错,真正的大师不以错为耻,而是发现错了再修正或者是根本性的再建立新的理论,因此科学认识是螺旋形的上升;在对待错误上,东西方的差距很大;他也认识到只有有了自己的思想、形成自己的思想体系的,才称得上真正的意义上的科学家,而科学理论最终是为了人类自己,这是它存在的价值;如果理论不能解决实际问题,再复杂也一无是处。我们不妨联想《三国演义》里诸葛亮舌战群儒的精彩片段:“若夫小人之儒,惟务雕虫,专工翰墨;青春作赋,皓首穷经;笔下虽有千言,胸中实无一策。且如杨雄以文章名世,而屈身事莽,不免投阁而死,此所谓小人之儒也;虽日赋万言,也何取哉!”套用到我们关于理论的价值的讨论上来,可以体会到异曲同工之妙:一个理论如果不能解决任何实际问题,看起来再好的也是一个思维游戏而已。
  为了更好地将数学与实际联系起来,朱佩成在国外学习了很多建模技巧,这领域在国内也是几乎没有涉及到的。除了数学专业的课程外,他还掌握了建模所需的固体物理、晶体学、材料科学基础等诸多跨学科的知识。而当初一直困扰他的关于数学专业的方向问题也在海外经历中逐渐地找到了答案,对以前接触到的各类模型有了更深刻的理解,而且朱佩成建立起属于自己的科研哲学,那就是明确了应用数学只有在与别的科学领域紧密结合时,它才更为有意义、更能得出重大成果。因此他为自己设计了详细的科研路线图: 首先选择具有重大意义的物理现象,建立数学模型;然后对这些模型做理论分析和计算机模拟,再跟实验结果做对比以判别模型的优劣;最后以验证了的模型为基础进行各种数值模拟,这些数值模拟结果可以用来更好的理解该物理现象,并指导应用。比如在他看来,材料科学的数学问题研究就是大有发展前途的领域,促进了一门新学科即固体数学的滥觞。
  当认识到这些之后,朱佩成蓦然发现,自己脚下曾经不知道何去何从的路豁然开朗起来。
  
神奇的材料——形状记忆合金
  
  材料出现于我们日常生活中衣食住行的各个方面,文明的发达程度同我们应用材料的水平息息相关。与古人基本上只能应用天然的材料不同,我们当下的时代比历史上任何一个时代都更多地制造和使用着人造材料,而这些新材料的发明极大地改变了现代人的生活与工作方式。所以,材料科学作为一门新科学成为了21世纪国际上最热门的前沿研究领域。
  如何设计新材料以满足我们的所需是材料科学中的中心任务。除了数学之外,还涉及到了力学、物理学、计算机科学等学科,是一门成果倍出的交叉学科,数学模型在其中扮演着极其重要的角色。
  朱佩成向记者介绍,1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效应,即合金的形状被改变之后,一旦加热到一定的临界温度时,它又可以魔术般地变回到原来的形状,人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。记忆合金的开发迄今不过80余年,但由于其在各领域的特效应用,正广为世人所瞩目,被誉为“神奇的功能材料”。
  朱佩成早在攻读博士期间就开始研究形状记忆合金,因为它的作用实在太广泛太强大了。记忆合金在航空航天领域内的应用有很多成功的范例。人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制作。发射人造卫星之前,将抛物面天线折叠起来装进卫星体内,火箭升空把人造卫星送到预定轨道后,只需加温,折叠的卫星天线因具有“记忆”功能而自然展开,恢复抛物面形状;记忆合金在临床医疗领域内也有着广泛的应用,例如人造骨骼、伤骨固定加压器、各类腔内支架、栓塞器、心脏修补器、血栓过滤器和手术缝合线等等,记忆合金在现代医疗中正扮演着不可替代的角色;而记忆合金同我们的日常生活也同样休戚相关。仅以记忆合金制成的弹簧为例,把这种弹簧放在热水中,弹簧的长度立即伸长,再放到冷水中,它会立即恢复原状。利用这种材料的弹簧可以控制浴室水管的水温,在热水温度过高时通过“记忆”功能,调节或关闭供水管道,避免烫伤。也可以制作成消防报警装置及电器设备的保安装置。当发生火灾时,记忆合金制成的弹簧发生形变,启动消防报警装置,达到报警的目的。还可以把用记忆合金制成的弹簧放在暖气的阀门内,用以保持暖房的温度,当温度过低或过高时,自动开启或关闭暖气的阀门。
  作为一类新兴的功能材料,记忆合金的很多新用途正在不断被开发,甚至超出了很多人的想象。“例如汽车的外壳也可以用记忆合金制作,那么如果发生了事故,碰撞剐蹭出现了变形,只要用电吹风加加热就可恢复原状,既省钱又省力。”朱佩成憧憬道。这听起来好似有些天方夜谭,但是他很严肃地告诉记者,这可不算是个笑话,或许用不了多少年就真的会实现的。
  通过数学建模来认识形状记忆合金的更多性质,甚至设计出成本更低的金属组成的形状记忆合金使得这类合金有更为广泛的应用,有着重要经济社会意义,这也是朱佩成长期以来坚持的科研目标之一。
  朱佩成与他的合作者Alber教授率先提出了基于构形力的固固相变的相场模型。他们的模型是与牛顿力驱动的相变模型完全不同的。这类模型的推导是全新的: 一般的模型推导是基于某个物理守恒律, 而他们的模型的推导是从一个构形力的公式、一个零界面厚度的模型和热力学第二定律出发。推导了序参数守恒和不守恒的二种情形下的模型,分别对应于材料科学界广泛地接受了的Cahn-Hilliard和Allen-Cahn模型。通过对Alber-朱佩成模型的理论分析及一些数值模拟就会发现这些模型更适合描述无原子扩散的相变,如钢铁、形状记忆合金中的马氏体相变,以及界面扩散引起的界面运动,如烧结过程。从Alber-朱佩成模型中的梯度项可以判断:当材料的某一部分变为一种稳定的相后,该部分就不再随时间而变化,而这与实验中观察到结果完全符合。
  此前,国际上也有不少的科学家在研究这一领域,但是朱佩成和他的合作者是全世界范围内第一个提出这种相场模型的。Alber和朱佩成的新模型已逐渐地吸引了越来越多知名专家的兴趣与认可,比如奥地利的Fisher教授、德国慕尼黑工业大学的Friesecke教授、美国卡耐基—梅陇大学的Acharya教授、英国Bath大学Zimmer教授、日本的川岛秀一教授以及国内华南农业大学的房少梅教授等。其中,德国斯图加特大学的Markert博士甚至建议给此新模型定名为Alber-Zhu模型。
  对此,朱佩成谦逊地表示,目前他还在不断地完善理论上的分析,要被更为广泛的验证与认可才行,这需要一段漫长的时间。
  
多领域交叉学科背后的精彩
  
  朱佩成坚定地认为,数学的学科性质决定了只有在与别的科学领域紧密结合时才会得到更有意义的重大成果,所以他一直坚持交叉学科多领域的合作与研究。他坚持交叉学科将是创造性成果的生长点和成长的沃土,这一主张也造就了他虽然长期从事在应用数学范畴的教学与科研,但是在材料科学领域里也取得一系列的重要成就。
  上海市的“085”计划中,材料科学作为很重要的一块,对于人才十分重视,求贤若渴。在2014年,上海市“千人计划”向身在海外的朱佩成伸出了橄榄枝。同一年,由上海大学联合复旦大学、上海交通大学等多家高校和研究机构建立起全国第一家材料基因组工程研究院,这是一家专业性交叉学科的研究机构,在集成计算与材料设计、结构材料、能源材料、智能与功能材料等领域形成了有特色的研究方向。
  面对国内发出的邀请,已在国外任职多年并且取得终身教授职位的朱佩成没有丝毫的犹豫便选择回到上海大学任教。朱佩成向记者坦言是两个因素促使他很快就做出这个重大的决定。一个是他一生都挥之不去的“中国情结”,虽然在海外生活了十几年,整个人从思维到行为都深受西方文化的影响,但是“越出国,越爱国”,朱佩成时刻没有忘记祖国的发展,如果有这么一个机会,自然是选择把一身所学回报祖国。另一个因素是考虑到上海及上海大学的科研环境,很适合自己的发展志向,尤其是可以跨学科地和物理、化学、计算机、材料科学等很多专业的人才交流合作,如果能将彼此的资源和优势有效结合起来,就可以使得效益最大化,做出很好的科研成果。
  朱佩成回到上海大学之后,马不停蹄地开始着手开展各项科研工作。材料科学在做,其他领域也在做,只要能够利用自己的所学创造出价值,朱佩成都愿意尝试。就如他所讲的,数学在很多领域都可以用到,不仅仅是已经开展研究的材料科学,就是经济学和社会学也需要数学作为工具。朱佩成希望能把数学学科不断拓展到更多的领域里,例如针对日益严重的机动车尾气污染,他参与了基于微流体数值模拟的高压共轨燃油喷油器的设计;而针对极端天气出现的越来越频繁,如何提高天气预报的准确性这一迫切需求,他利用大气科学背后的数学理论,开展了“数值天气预报中资料同化的数学方法研究”。朱佩成表示:理论都是为了解决实际问题而存在的,换言之,不能解决实际问题的理论就是一钱不值的。
  朱佩成回到上海大学之后迅速组建了自己的科研团队。他从国外带回来很多新思维,希望能够形成一支具有国际水准的团队。朱佩成说,我国是一个人才资源大国,有充足的优秀生源,但如何培养他们是一个关键问题。我希望能激发出团队成员们兴趣,培养他们的独立创新精神,鼓励他们发现新现象、新规律、使他们能建立起正确的科研态度,而不仅仅是以发表论文做为最终科研目标。
  关于科学原始创新的价值,朱佩成有一个精彩的“造桥”理论:当还没有桥梁出现的时候,面对一条大河,第一个想到利用造桥过河的人,哪怕只是一根简陋的独木桥或者树桩搭在河的两岸,这也是一种伟大的原始创新。而在此基础上的第二个人,哪怕是造出一座雄伟的石桥或者技艺精湛的钢筋桥来,也只能说是工程技术上的伟大,但在科学创新上已经没有了价值。朱佩成经常用这个典故讲给团队的成员和学生,来强调科学原始创新思想的重要性。
  朱佩成是一个充满了理想主义色彩的数学家,为了实现自己的目标勇往直前。朱佩成说,他在西班牙任职期间曾经熟读了西班牙国宝级的小说《唐吉诃德》,很多人把里面的主角唐吉诃德看成了一个漫画式的可笑人物,然而他却不这么认为。朱佩成觉得小说里的唐吉诃德是一个理想主义的化身,他有着百折不屈的无畏精神,为了坚持自己的理想奋不顾身。而这恰恰应该是当代科学家们所具备的一种态度。
  朱佩成说,我愿意做这样一位骑士,以数学为矛,以理想为马,在科研领域里自由驰骋,风雨兼程,开辟出一条宽阔的道路。
  
  
专家简介:
  朱佩成,上海“千人计划”特聘教授,上海大学理学院、材料基因组工程研究院教授。曾在多个国家任职,并在欧洲取得终身教授职位。成功建立了描述形状记忆合金等智能材料中结构相变的两类相场模型。对流体动力学中的可压缩纳维—斯道克斯方程外流问题,率先进行非线性波的分类, 并证明其中若干类波的渐近稳定性。建立精细先验估计,解决了形状记忆合金、类固体等材料的热粘弹性方程组等悬而未决几十年的问题。
  

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