张翼成 | 我与诺贝尔物理学奖获得者Parisi教授的故事
作者 | 张翼成 瑞士弗里堡大学终身教授,1984年获罗马大学物理学博士(导师Parisi教授),与Kardar、Parisi提出KPZ(Kardar-Parisi-Zhang)方程
编者按:2021年10月8日,苇草智酷NO.116期沙龙,邀请瑞士弗里堡大学终身教授张翼成教授,以“从诺奖看复杂科学“为主题发表了演讲。
以下内容根据现场速记整理:
Parisi近十年来每年都会获得诺奖提名,我和同事们都深信他迟早会获奖,只是有些惊讶诺奖来得如此之快。
从诺贝尔奖的历史上来看,这次获奖是破天荒的。首先诺贝尔奖并不是给最聪明的人,也不是给影响力最大的人,而是颁给那些做出重大意义且又能被实验证实工作的人。比如李杨宇称破缺的预言得到实验验证立马获奖,又比如爱因斯坦的相对论改变了人们时空观,但其获奖的理由却是一个当时可验证的具体工作,光电效应。
Parisi获奖理由说白了就是他开创了复杂科学的研究。瑞典皇家科学院与以往不同的是并不纠结Parisi的有无实验成果,而是其对这个领域的深远影响!国内外复杂科学领域的同仁们深感振奋备受鼓舞,这不就是对复杂科学最好的正名吗?!
复杂科学也称之为跨界科学,其实最初大多数人起源于物理学,所以领军人物获奖物理界的复杂圈也随之而振。如今的复杂科学跨度之大令人晕眩——除了数理化之外,信息、金融、经济、社会、生物,大脑、区块链等领域。不过同仁会有这样的感觉,有时炒的非常火爆,但落实到资源分配就变得寥寥无几,因为传统的分科机构配置还远远不适合新科学。
张翼成和Parisi在他乡间驻地近影
到底什么是复杂性?从物理来讲,微观上像李政道、杨振宁基本粒子夸克、相互作用,宏观上像宇宙观察,都可以分离逐个理解,这才是正宗(传统)的物理研究范式。复杂性就是把各种东西切分开以后,尽管懂得每一个具体的成分,但是不一定能够理解它的合成效应。
所以复杂科学不可能将研究对象分成一小块一小块的研究,所以我们的工作范式要更新。我们对自己提的要求也要变,不一定能研究那么细微。复杂科学里面的论题可能既没有起点,也没有终点。复杂科学在人类尺度上的研究尤其重要。这次,瑞典皇家科学院特别赞誉Parisi在原子与星际尺度之间的开创性进展。
1981春我在奥地利留学时读他粒子物理的文章就感觉很神奇。结识了一位在罗马大学访问学者高建功(现新疆大学天体物理学家)说“Parisi那个小伙子(32岁)我很熟,我带你去见他!”这样我就南下罗马拜师,见面半小时后就爽快地被接纳,兴奋之情难以言表。
就这样我前往罗马一去就是4年。第一关就要学习意大利语,第二关要明白怎么当他学生——也就是自生自灭!因为发觉他把学生当同事看待,不安排任务也不教什么,更不给读物,仅仅告诉你他现在对什么感兴趣。也许是受他影响,我自己的学生们如今可能也会纳闷,张老师怎么不指导呢?我觉得老师的作用仅限于启发!
我自觉底子差,虽然在中科大期间恶补了好多物理内容,还在1979年春旁听了李政道的粒子物理课,但当时听Parisi聊物理故事(会面总是他喃喃的说些他今早的兴趣及困惑,跟讲故事似的)的我还是一头雾水,似懂非懂。他基本不看文献,需要时临时从头推导而无需记忆。
我在罗马期间Parisi仍然在发表粒子方面的文章,往往和多个同事一起工作,粒子组已经十来个人,他建议我不必参合。虽然我奔他是为了粒子梦的,不过他跟我单独海阔天空地聊也是非常惬意的,不像今天年轻人发表文章有压力。深谙多年后才知道这才是复杂科学的启蒙——今天宇宙、明天大脑、后天鸟群,再接下来焊接计算机集成电路(他与他的导师Cabibbo等人耗时五年造了一台超级计算机Ape,庆幸我没有入造机的坑!)。后来又试图引起我对自旋玻璃感兴趣而无果(遗憾没有抓住机会误了他的第二大工作!)。
1985年毕业了的我在美国Brookhaven做博士后期间暑期回罗马看他,午餐时他突然谈到石油采集要注入高压水打到岩石里面将油挤出来。岩石是无规无序的,推动的界面问题既涉及杂质,还有非线性,虽然我们对采油没什么兴趣,但这可能代表一大类现象。
Parisi非常随意,聊物理要么黑板画画,要么饭桌上(因为他很少来办公室,见他往往是在饭厅)抓个餐巾纸就写。
这样我就养成了一个习惯,看到他要思维井喷时赶快拿纸来记录,容我日后慢慢消化。下面那张发黄的纸就是当时我看到那张餐巾纸太脏了,立马撕下笔记本一页让他誊写一遍。长话短说:一年后,经过我们的重新认知和改良,这个公式就变成在PRL上发表的KPZ方程。我博士毕业后辗转了不少地方,美国,丹麦,中国,瑞士,历史真迹手稿几乎全没有了,仅仅他的这几张发黄的手稿还被我珍藏,或许我当时就有预感这问题日后会备受瞩目了?
跟Parisi学习,我慢慢琢磨到了诀窍,要在朦朦胧胧里边扒真金白银。现在有点后悔,他当时的思维井喷时往往令人难以理解,甚至让人感到窒息,但是如果当时有更多关注的话现在会不会有更多的发现?我当学生3年半,毕业多年与Parisi仍有很多交集,我与同事们到现在也不怎么理解他的深层的思维方式,觉得他有点不食人间烟火似的。比如有一个非常具体的文章,目的是算一个格点理论的常数,精确到小数点后好几位。那篇文章共有12个公式,但是只有一个正确的,那就是最后那个数字。我的理解是,他自己有一套方法,但根本不可能与我等“凡人”说清楚,然而写文章又要按共识叙事,所以有些地方只能一笔带过。趁他还健康在世,若谁能把他的研究,思维方法论学到,定会给世人带来更大贡献的!
我自己得到的小结论:他的研究成果里面肯定深藏宝贝,但必须用心琢磨,才能让宝藏放光。肯定有无数漏网的,因为他在追逐自己某个目标时会带来意想不到的的“副产品”。记得郝柏林90年代问我,Giorgio的讲演我听过很多,从来没听说他讲过一次KPZ。我就把那几张当时还没有发黄的纸给他看看,把俺利用他相关议题的启发用到简单场景了。这故事并不是说他KPZ贡献不重要,而是非常重要。他不出这么个怪题我无论如何也不会做这方面的,可以说他的指路我回美国按自己的理解做了。
KPZ对他来说就是无意插的柳!那个手迹上提及的问题其实至今未解,也可能无解,但我当时仍然带着那几片纸张回到了美国长岛。有段时间,我对该方程近乎要放弃了,但它那个平方项对我吸引力极大,想着是不是可以不纠结什么油水界面,找个最简单的系统能把那平方项用上?很快意识到其实自然增长界面正好可以用下面那个方程表述。当时我还想,先解个简单问题,Parisi原先设想的问题待日后再说。
加个花絮吧。Brookhaven国立实验室主攻粒子物理,李政道、吴健雄当年协助打造的,李杨获奖后规模扩大到几千人。(Parisi唯一的美国经历就是1974年当了李政道博士后,他时常提到李的影响)后来在粒子物理的大旗下聚集了一帮现在称之为复杂科学的物理人,领军人物就是丹麦物理学家PerBak。(我中科大校友汤超的博士后导师,后来他们那个BTW理论划时代的自组织工作也是在那咖啡室产生的)。他的风格与Parisi相似,不坐办公室,上班就泡咖啡室。拉人无边际的聊科学趣事。慢慢他奇葩的咖啡店吸引了各路人马,大牛们云集,区区十来平方米,当年声誉堪比SantaFe(Bak也是SantaFe创始人之一)!郝柏林访问一年期间也是那咖啡室的常客。我虽是粒子组的博士后,基本时间就在这咖啡室打发。
在之后的半年左右我逢人就在Brookhaven咖啡室的黑板上探讨这个“简单”方程, 因为有了后边的涨落项,在数学上很难处理。大家虽然觉得很有趣,但也都爱莫能助。恰逢Kardar当时从哈佛来访,我俩一拍即合。他数学功底极强,我们之后有了多个合作。他带来当时哈佛开发的无序重整化群的方法,特别适合这类带有涨落的系统。
他接手后几天就算出了定标指数等结果,接着我们写了一篇文章,然后发了一封邮件请Parisi过目,致歉那个原始问题虽然没什么进展,但简单问题也挺有趣。他几个月也不回答,我和Kardar就投稿到PRL,KPZ文章发表一年以后他才知道这件事情,并没有特别在意,或许期待我继续做原来那个难题?
1985.7.15
PRL 1986三月
他的获奖公认为三大工作的组合(言外之意就是仅其一个工作不足获奖,三个工作大跨度才足以显示复杂科学):夸克渐进自由、自旋玻璃、再就是KPZ(Kardar和我互相谦让,他认为我解释了物理机制让我打头,我们就按物理界的传统姓氏笔画为序)。如果说Parisi在决赛中进三球夺冠,我算助攻了第三粒球。这三个工作按时间排序,分别是1977,1979,1985(86)。相对重要程度见仁见智。
我在美国期间也去过SantaFe,也跟一些物理界PhilAnderson、MurrayGell-Mann等泰斗聊过,他们与Parisi类似,都是在传统物理有了丰功伟绩之后跨了学科。霍金也意识到了,他在2000年预言:“下个世纪会是复杂性的世纪”。从师Parisi之后我就走上了复杂科学这条道路。
Parisi的中国情结。他早年就对中国非常向往,他曾让我看过他本科时代带着红卫兵袖章的话剧剧照,后来他也关注改革开放。而且为了去中国居然学了一年中文(看到老师为了访华居然都要学中文,学生我也必须要通意文)。1980年,他如愿访问中科院,吴泳时是他第一个中国合作人,在《中国科学》发表了一篇文章,关于规范场中“鬼”粒子的处理办法,这篇文章也是奠基性的。他初次见我时就拿出来炫耀,告诉我写什么论题无所谓,但在中国期刊发表文章无上荣光。
其实复杂性科学在欧美还是边缘化的研究领域,这次诺奖也许会改善这一现状。而在中国,复杂科学要“火爆”的多。我开始接触的国内合作是北京师范大学系统科学学院王有贵教授,当时他刚从物理所出走,2003年跟狄增如、王有贵等先行者们一拍即合,从此我跟中国复杂性领域开始了紧密的合作。
看历史主要是为了展望未来,我觉得复杂科学的黄金时刻即将到来,中国在复杂科学领域的研究肯定会走在世界前列。Parisi在这方面展示给我们一个很好的方向与舞台,在坐各位尤其是年轻的同事们,要再接再厉再创辉煌。
现在国内跨学科领域非常火爆,在世界上的影响力也蒸蒸日上,或许霍金的预言就要在中国首先实现了!
80年代有幸结识了几位开创复杂科学的泰斗,Andersen,Gell-mann,霍金,现在我导师也加入了泰斗的行列。Parisi有意无意对我的言传身教,让我深谙一个哲理:真正的研究是趣味驱动的,他的世界里没有什么KPI,从不计较外界怎么看,但皇家科学院并没有轻视他!
我及我的同行们,尤其是活跃在国内的几位前博士生,博士后,如吕琳媛、周涛、刘建国、张子柯、曾安、廖好、唐泳、尚明生、任卓明、周艳波、陈伯伦、任飞、张成军等人都倍感鼓舞。我也向我在科大四系期间,王秉宏、汪克林、尹鸿钧、张子平、陈平等老师给我提供极有启发的治学环境与精神特别致意。我们会在前辈指引的道路上继往开来,再创辉煌。