關品方

    《三棲》數學大師林家翹

     今年高考,據報浙江省物理類滿分(100分)狀元為周凌宇(總分723分,其中數學考得148分);數學滿分(150分)考生徐可是數學狀元,總分686分。新高考Ⅰ卷(11省)只有徐可考得數學150分滿分。周凌宇來自浙江省寧波市的鎮海中學。徐可來自浙江省樂清市的知臨中學(樂清市是由溫州市代管的縣級市)。以上是媒體報道;因為程序問題,考試院尚未蓋章確認官宣。全國還有新高考Ⅱ卷、全國甲卷、全國乙卷、多省自主命題試卷,還有多少考生在其餘考捲取得數學滿分?細節不在本文多說。

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    高考的物理和數學有密切關聯。本文著重介紹林家翹喜歡數學的中學生。林家翹是著名的三棲大師,今天的中學生「曾祖」輩分的人物。

    林家翹(1916至2013,享97歲)是世界級應用數學、流體力學、天體物理三棲大師,美國國家科學院院士、中國科學院外籍院士;被譽為現代應用數學奠基人之一,研究橫跨宏觀流體、星系宇宙、生命數學三大領域。

    流體力學是研究流動穩定性與湍流理論(上世紀40年代)。林家翹的平行流動穩定性理論用漸近分析,完整解出Orr-Sommerfeld方程,釐清層流失穩演化規律,證明流動不穩是湍流產生的根源。理論結果被大量流體實驗驗證,奠定現代轉折點理論基礎,學界稱他為「不穩定性先生」。他的“各向同性湍流譜理論”,與導師馮·卡門合作,完善了湍流相似性理論,建立早期湍流統計理論的主流框架,長期指導航空、氣象、海洋流體計算。飛機在空中“亂流飛渡仍從容”,得力於他的理論。他又徹底解決海森堡遺留的流動穩定性數學爭議,證明關鍵微分方程式的定理。

    林家翹提出天文物理的星系密度波理論(1960年代,是里程碑成果)。他攻克困擾了天文學界數十年的星系旋臂纏卷疑難,創立螺旋星系密度波理論,證明銀河係等盤狀星系旋臂不是固定物質臂,而是恆星、氣體形成的密度波動圖案。他建立了完整的動力學方程,解釋旋臂長期穩定存在、恆星軌道分佈、星際塵埃帶的成因。該理論至今是星系動力學的標準架構。他的學生徐遐生進一步完善這理論,現已成為天文經典。

    林家翹提出的應用數學方法論體系,貫穿他全部學術生涯。他系統發展了WKBJ漸近方法、解析特徵線法,打通純數學與工程、物理、天文學的障礙。他在麻省理工學院(MIT)搭建完整現代應用數學學科體系,曾擔任美國工業與應用數學學會(SIAM)主席。他著有經典教材《自然科學中確定性問題的應用數學》今天在全球大學通用。他更提出核心治學思想,應為應用數學是用數學語言解釋自然法則、同時催生新數學的工具。

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    林家翹晚年(從2002年起、他86歲回國之後)開拓交叉前沿研究,率先提出“21世紀應用數學主戰場是生命科學”,主攻理論生物/蛋白質折疊、細胞凋亡數學建模,開闢國內“計算系統生物學”的新方向。

    林家翹的國際學術榮譽包括1951(35歲)美國藝術與科學院院士,1962美國國家科學院院士,1975國際力學最高獎鐵木辛哥獎,1994(78歲)中國科學院外籍院士。

    林家翹2001年受聘為清華大學教授,翌年全職回國,直至2013年逝世,全部精力投入中國應用數學學科建設。他創辦國內頂尖應用數學平台「週培源應用數學研究中心」並擔任榮譽主任,仿照MIT經驗搭建國內首個對標世界一流的應用數學交叉平台。他親自引薦國際知名學者謝定裕擔任中心首任主任,搭建海內外人才互通通道。他打通數學、物理、力學、生物、資訊五大學科的壁壘,確立了中心的三大方向:流體與力學、星系天文、理論生物(蛋白質摺疊)。

    林家翹開闢了中國「數學+生命科學」的交叉新領域,明確提出戰略判斷:「上世紀應用數學服務物理工程,本世紀核心突破口是生命科學」。他90歲後仍持續研究蛋白質折疊數學模型,撰寫系列論文,帶動一群青年學者轉向計算生物學。他又催生了清華系統生物學、計算生物學的跨領域方向,填補國內這段空白。他捐資助研、傾囊支持學科發展,將國家發放的全部生活津貼常年捐贈給中心;他又變現自己持有的全部美國股票,一次性捐贈約400萬元人民幣、全部用於中心的科研與人才培養。他不追求個人待遇,所有資源向青年學者與基礎交叉研究傾斜。

    在他回國效力的11年間,經常開設前沿講座、一對一指導青年教師與研究生,引進海外頂尖學者來華交流,致力人才培育與學術思想傳承交流。他糾正國內長期「重視純粹數學、輕視應用數學」的偏向,呼籲建立獨立應用數學學科體系。他多次向教育部、大學建言,推動國內應用數學學科佈局、學科評鑑制度改革。他搭建中美應用數學長期交流管道,持續輸送國內青年學者赴MIT等名校深造。他以學術理念引領與學科頂層設計,結合自身MIT的辦學經驗,為清華乃至全國應用數學發展制定完整路線:強調問題驅動數學,反對脫離實際的純理論推演,推動數學主動服務航空、能源、生物醫藥、天文學、宇航學等國家重大需求,深刻影響國內應用數學的發展路線。他從零做起搭建國內一流應用數學研究高地,開創數學與生命科​​學交叉賽道,捐資助學、育才傳薪,徹底改變了我國應用數學長期薄弱、交叉學科滯後的局面。中國過去25年來在上述五大領域突飛猛進,有林家翹不可磨滅的功勞。

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    林家翹1916年7月7日生於北京,原籍福建省福州市,伯父是戊戌六君子林旭,父親林凱。 1898年百日維新失敗,慈禧太后下旨斬殺六君子,親自決定問斬的先後次序,將林旭排在最後,有意放他一條生路。主斬官愛才,前面五人已死,輪到林旭,行刑前還三番四次勸他叩頭認罪可免死罪,林旭寧死不從。小說《鐵馬秋風大散關》對此有詳細論述。

    林家翹1933年(17歲)考入清華大學物理系,師從周培源等知名教授,1937年畢業,留校擔任物理系助教,抗戰爆發後遷至昆明西南聯合大學,1939年考取留英獎學金,計劃赴英深造,但歐戰爆發後受阻,滯留碩士林家翹1940年(24歲)先赴加拿大深造,翌年收穫多大碩士學位,隨即轉入美國加州理工學院(Caltwch)深造,師從航空力學大師馮·卡門。他1944年取得Caltech航空學博士學位後短暫任教,後轉布朗大學,1947年到MIT,長期從事學術研究,2002年回國,定居清華。

    林家翹英文姓各芝Chia-Chiao LIN,文獻中普遍簡寫為CCLin,筆者早前介紹週培源的羅曼史時,有提及林家翹。林家翹本科就讀清華物理系時,受周培源啟發、指引與推薦,出國研究湍流理論。名師出高徒,百年回眸,令人感慨萬千。

    林徽因的三弟林恆和林家翹同年出生(1916)因為祖籍同是福建,在清華時期互相認識。林恆1937年(21歲)投筆從戎,抗戰爆發後離開清華進入中央航校為第十期學員,隨同航校一路南遷;兩人1939年在昆明重遇。西兩聯大在沙坪壩,中央航校在巫家壩。 1940年林恆離昆明赴成都駐防,林家翹離昆明赴加拿大留學。林恆的姊姊林徽因和姊夫梁思成在西南聯大任教,因此常去聯大宿舍探望。當年林恆和林家翹兩位既是老鄉亦是清華同學更是同齡人,時有交往。正是:《恆持鐵翼護神州,翹倚講壇為國謀。相濡以沫逢亂世,同懷赤膽報金甌》。林恆1941年在抗日空戰中殉國,享年25歲。林家翹的伯父林旭1898年被慈禧太后下令斬殺時,年僅23歲。

     

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