“数学皇帝”丘成桐和央视揭秘的“国之重器”——引力波探测计划

“数学皇帝”丘成桐和央视揭秘的“国之重器”——引力波探测计划

近日央视揭秘,又一“国之重器”——引力波探测装置正在研发。根据爱因斯坦的相对论,宇宙中巨大的天体运动会让时空发生扭曲并像波浪一样传播,这就是引力波。2016年年初,美国的引力波探测器LIGO声称探测到了来自黑洞双星碰撞并合的GW150914事件,在学术界与新闻界都引起了巨大反响,随后公布的中国空间引力波探测计划“太极计划”与“天琴计划”也引起了大众的好奇。客名君在当时写过相关知识背景(点击此处:与引力波相关的两位客家人)。

“数学皇帝”丘成桐和央视揭秘的“国之重器”——引力波探测计划

中国引力波探测项目已经开展数十年,凝聚了许多科学家的心血,其中有一位世界级科学家,一直支持并积极推动这种战略性、高精尖的研究项目,他就是著名华裔数学家、菲尔兹奖得主、哈佛大学数学系和物理系教授丘成桐先生。

“丘成桐是中国与世界交流一个缩影,他有着丰富的内涵。

他的身上凝练着传统与现代,东方与西方,科学与人文等等诸多元素。中国传统文化精神与现代科学在他身上和谐地统一起来。”

除了为世界奉献顶尖的数学理论研究成果,

丘先生为中国数学发展和教育无私奉献了许多年。

4月4日,是丘成桐先生的生日。

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丘成桐先生与中国引力波研究

中国科学院院士罗俊表示,天琴装置是在距离地球约10万公里高的轨道上放三颗卫星,中间用激光联系起来。引力波过来,一边空间会拉伸,一边空间会收缩,这个拉伸距离只有皮米级(一个原子的大小)。这个装置立体看像一个竖琴,而引力波是拨动琴弦的上帝之手,所以这个项目取名字叫“天琴”。

中国人为了聆听这种宇宙中最神秘的琴声,已经准备了三十多年。丘成桐除了贡献理论之外,还一直为中国的科研人员提供各种支持。

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1979年,国际的相对论学术圈内发生了一件大事——丘成桐与孙理查证明了广义相对论的正质量定理。正质量定理一开始被称为正质量猜想,就是说,在一个时空中,总的能量一定是正的(此处省去无数字……)。

中科院把丘成桐先生请来报告这一重要发现,应用数学家陆启铿听了丘成桐的相对论的报告后,恢复了对爱因斯坦的广义相对论的兴趣。他用旋量分析的方法处理了引力波的数学结构。在旋量分析的角度来看,引力波可以看成是时空中的外尔曲率的波动。陆启铿用复变函数论中的“黎曼——希尔伯特”方法研究了爱因斯坦场方程的解。这个方程描述物质引起的时空弯曲,它的精确解非常少,但他们终于找到了一个精确解。

1996年,由中国科学院及香港晨兴集团共同出资兴办的中国科学院晨兴数学中心成立。该中心的成立,主要是因为丘成桐先生的支持。在丘成桐与杨乐等著名数学家的主持下,晨兴中心迅速成为国内最新潮的数学研究中心之一。在该中心的支持下,应用数学家刘润球“坚持到现在还一直在从事引力波的研究工作”。

刘润球研究组所做的工作,简而言之,就是一直在画探测引力波的“收音机”,据说现在这个“收音机”已经快画完了,接下来就要真的去制造这台“收音机”了——这就是“太极”计划。

丘成桐先生说,“我自己从事引力波研究35年多了(注:2016年说的)。虽然LIGO探测到了引力波,但其理论只是属于现有理论(广义相对论)的框架……目前中国做引力波研究的理论和实验基础还相当薄弱,要与国际水平接轨还需要相当长时间的积累。……”

“但是我很佩服美国人,LIGO第一期没有找到引力波,美国的自然科学基金(NSF)很有眼力,还继续投钱,升级设备,建设Advanced LIGO,一共花了10多亿美金,终于找到了引力波。”

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外公是林风眠的恩师,父亲是哲学教授

丘成桐(Shing-Tung Yau),客家人,美籍华人,哈佛大学终身教授。原籍广东省梅州市蕉岭县文福镇,1949年出生于广东汕头,同年随父母移居香港 。

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梁伯聪先生

丘成桐的母亲梁若琳,是梅城最后一位秀才、梅州教育界一代宗师梁伯聪之女。梁伯聪(1871—1945)是林风眠和李金发在梅州中学的老师,是一位诗书画文的全才,也是一位卓越的教育家(客名君注:好羡慕当时的省立梅州中学学生啊,全是很牛的老师!)。著名画家林风眠,著名雕刻艺术大师、中国现代象征派诗歌开山鼻祖李金发,教育学家钟皎光、孙亢曾等为其学生。梁先生书画造诣深,为当时粤东有名书法家。他学识渊博,家中藏书丰富,著有《梅县风土两百咏》。

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梁伯聪故居——鹤和楼

丘成桐的母亲出身书香门第,未出闺门就受到传统中华文化的熏陶,希望他们将来名留史册。这样的激励,伴随了丘成桐的成长,丘成桐后来的刻苦自励与其父母良好而深刻的影响不无关系。

丘成桐的父亲丘镇英,1935年从厦门大学经济系毕业,翌年进入日本早稻田大学深造。抗战爆发后回国。1954年秋到香港沙田崇基书院(香港中文大学前身之一)担任哲学教授。

那段日子,丘镇英每星期都会在家里举办“讲论会”,与学生们畅谈中外文史,时而孔孟、时而禅宗、时而西方哲学。丘成桐常坐在一边默默地听。这是一种哲学思维训练的启蒙。丘成桐后来说:“事实上,我觉得我在学习了几何以后更深刻地理解了我父亲所研究的哲学。”

父亲的影响,丘成桐念念不忘,他在2011年7月岳麓书社重新整理出版丘镇英《西洋哲学史》的后记中写道:“在艰难的生活中,父亲还是极度关心儿女和学生的教育,时常教导我们:做人立志必须以国家为前提。父亲的教导和榜样始终使我不能忘怀。”

2005年,丘成桐在香港中文大学以父亲的名字设立“丘镇英基金”,以示对父亲的纪念。

1963年,丘镇英因不满当时从教的香江学院埋没青年学生前途的做法,毅然辞职赋闲在家。直到今天,丘成桐依然认为父亲这种不畏强权的决定是完全正确的。

在《丘成桐诗文集》的序言中,丘成桐写道:“余生也贫,父母师友,待我之深恩,不可忘。余无父亲,无以知古今德业,无以思来者。余无母亲,无以得哺育,无以至刚强。余无良师,无以知当世之学,无以知所处。余无贤妻,无以安家业,无以固良知。至于兄弟姊妹亲子,手足深情,骨肉连心,一生所宝也。”

在丘成桐14岁那年,父亲突然辞世,一家人(8个孩子)顿时失去经济来源。43岁、体弱多病的母亲克服种种困难供其上学(很多人都劝她让孩子辍学)。尽管丘成桐不得不一边打工一边学习,在香港培正中学就读时勤奋钻研数学,成绩优异。1966年他以优异成绩考入香港中文大学数学系。

“数学皇帝”丘成桐和央视揭秘的“国之重器”——引力波探测计划

青年丘成桐

1969年提前修完四年课程,为美国伯克利加州大学陈省身教授所器重,破格录取为研究生。在陈省身指导下,1971年获博士学位。后在斯托尼布鲁克的纽约州立大学﹑斯坦福大学等校任教,并为普林斯顿高级研究所终身教授,时下哈佛大学任教。

1976年,年方27岁的丘成桐解决了微分几何的一个著名难题“卡拉比猜想”,其结果被称为“卡拉比-丘流形”,不仅对多个重要的代数几何问题给出了解答,而且被广泛应用于物理学的超弦理论,成为描述宇宙中包括引力在内的所有基本作用力的理论基石。下面这个烧脑的、绕来绕去永无直线的空间就以卡拉比和丘成桐的名字命名。

“数学皇帝”丘成桐和央视揭秘的“国之重器”——引力波探测计划

1979年,他又证明了广义相对论中著名的正质量猜想。丘成桐先生的科学研究横跨数学与物理学两大领域,取得了丰硕成果。他的工作在偏微分方程、微分几何、复几何、代数几何、广义相对论与宇宙学、高能物理与超弦理论等多个数学和物理学领域都作出了影响深远的贡献。

综上,丘成桐英雄出少年,22岁博士毕业,25岁任副教授,27岁攻克世界数学难题“卡拉比猜想”,34岁获得数学界的诺贝尔奖——菲尔兹奖(Fields,是数学界的诺贝尔奖,授予40岁以下的数学家)。

丘成桐囊括了菲尔兹奖(1982)、克拉福德奖(1994)、沃尔夫奖(2010),还有他美国国家科学奖、韦布伦奖、麦克阿瑟奖、中华人民共和国科学技术合作奖等重大奖项。由于在微分方程、代数几何中的卡拉比猜想,广义相对论中的正质量猜想、以及实和复的蒙目(Mon Ge)一安培(Ampere)方程等领域里所作出的杰出贡献,荣获1982年度最高数学奖菲尔兹奖,是第一位获得这项被称为“数学界的诺贝尔奖”的华人(由于诺贝尔奖中没有数学奖,目前获次奖的华人只有两位)

,也是继陈省身后第二位获得沃尔夫数学奖的华人。

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丘成桐和霍金参加2002年北京国际弦论会议

两人1978年就认识,之后一直未间断联系

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关注中国的基础科学研究和教育

丘成桐先生十分关注中国和中国的基础理论科学教育,特别是基础数学和理论物理。除了上面所说他对中国引力波研究的支持,他还致力于推动巨型对撞机项目。早在2014年年初,他就给国家领导人写过一封信,谈到巨型对撞机的建设。

“数学皇帝”丘成桐和央视揭秘的“国之重器”——引力波探测计划

2016年3月25日,丘成桐的著作《从万里长城到巨型对撞机》中文版上市。丘成桐说:“关于建造新对撞机,中国在高能物理实验方面已经有30多年的积累,特别是现有的北京正负电子对撞机和大亚湾中微子实验已取得了举世公认的成就。以30多年来的积累和成功经验为基础,加上近年来欧洲和美国高能界都在对此环形对撞机计划积极开展预研,我对中国进行对撞机项目很有信心”。

在丘成桐的推动和众多有识之士的努力下,中国科学院高能物理研究所(简称“高能所”)计划在2020年之前完成对巨型加速器的预研究,大概需要申请几亿元研究经费。“巨型对撞机则是要探索一个超越粒子物理标准模型的全新领域,在那里一切都是未知的”。

霍金表示支持中国建设巨能对撞机:不要错过绝佳机遇

巨型对撞机项目大概需要投资400亿元人民币,曾因造价昂贵收到一些争议。但是丘成桐不是一般的数学家,他有着卓越的商业思维。2015年丘成桐教授创立的 Geometric Informatics Tecchnology (GIT)公司成功获得了中国知名投资机构信中利7500万元人民币融资,完美地诠释了“知识就是力量”这句古老的格言。

2016年他曾说,如果在山海关区域造一个巨型对撞机,那么这个区域及其周边可以发展成为高新技术与科技创新园区,地价至少能增10倍,集中了优质教育资源与高科技企业的园区总地价估计会飚升到2.4万亿元人民币(现在看来,这个和雄安有没有关系?!)。在中国搞巨型对撞机需要花的400亿是分10年投入的,因此资金压力实际上并不大,而这个项目的科学价值无与伦比,是当下中国成为世界一流的负责任的科学大国非常值得做的事。

丘成桐先生认为,建设巨型对撞机不但会带来巨大的经济效益,而且还会产生巨大的社会效益。巨型对撞机建成后,会吸引1万名左右的顶尖科学家来中国工作。巨型对撞机全世界只会有一台,他们一定会到中国,而他们的到来相当于中国把哈佛大学等美国名校带到了中国。“这比千人计划、百人计划引进人才花的钱要少,但效果更好,更加国际化。

为了帮助发展中国数学,丘成桐想尽了各种办法,与他钻研数学问题颇为相似。他培养来自中国的留学生,建立数学研究所与研究中心,组织各种层次的会议,发起各种人才培养计划,并募集大量资金。

丘成桐建立的第一个数学研究所是1993年成立的香港中文大学数学研究所。第二个是1996年建立的北京晨兴数学中心。中心建立与运作的大部分经费都是丘成桐从香港晨兴基金会筹得的。第三个是建立于2002年的浙江大学数学科学中心。

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从1984年起,他先后招收了十几名来自中国的博士研究生,要为中国培养微分几何方面的人才。他的做法是,不仅要教给学生一些特殊的技巧,更重要的是教会他们如何领会数学的精辟之处。他的学生田刚,也于1996年获得了维布伦奖,被公认为世界最杰出的微分几何学家之一。

30年来,丘先生不仅时刻把握着数学与物理跳动的脉搏,引导着世界数学发展的潮流,还一直怀着一颗赤子之心,关心和帮助着中国数学的进步。他培养了众多的华人数学家。他的学生和博士后在国外各个重要的大学里都有。

“中国科学家要想做出重大科学发现,就需要勇于探索,抓住科学机遇,积极承担发现宇宙最深层自然规律的历史角色。”这番话,是世界级科学家的气象。

丘成桐先生博览群书,热爱中国传统文化,他说:“我本人深受中国古典文学影响。从《诗经》我看到比兴方法对找寻数学方向的重要性;吟诵《楚辞》和《史记》激励起我对数学的热情,向大自然追寻真与美的感受。”

他会写古体诗,50岁的时候,他写道,“自怜报国心犹健,但愧平生志未舒。日后河山兴大雅,闲情留待读诗书”。

美国《纽约时报》将其称为“数学王国的凯撒大帝”,其中暗含对他个性的概括:不屈不挠,勇往直前。这种个性显然是他成功的重要基石。

美国《纽约时报》曾刊登过丘成桐的人物报道,标题是《数学皇帝》。这是《纽约时报》历史上篇幅最长的科学家报道。文章这样说:“丘成桐的故事就是展示中国的一个窗口,通过他可以看到一个拥有五千年历史传统的国家,欲与现代科学结合在一起,如果这种交融获得成功,那么最后可能就会重塑世界科技的平衡”。

其实,这也是一个客家人的故事。迁徙、交融、崇文重教、家国情怀、中西调和、博古通今、继往开来……

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这里写的是客家名人,看的却是全世界


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