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《華爾街數學》書摘 -- 暗示的力量
送交者: 零加一中 2013年09月08日14:27:30 於 [五 味 齋] 發送悄悄話
 

催眠術是通過某種暗示來進行的,它儘管帶有某種神秘的色彩,但並不完全是裝神弄鬼。在科研中,暗示也會給人們帶來成功的信念。

――題記――

在黑龍江農村的那幾年可謂是我最為絕望的時期。好不容易73年說大學可以考了,又給張鐵生給攪沒了。事實上,即使沒有張鐵生,也絕輪不到我,考試資格是要貧下中農推薦的。某天下雨,大家沒工可出。淅淅的雨聲伴着無所事事的人,在原先煩悶的心情上更增添了愁緒……

所幸,那天一位學識淵博的兄長給我講了這樣一個意味深長的故事。

有姐妹兩人,貧困潦倒,無依無靠,住在一間廉價出租公寓。這個公寓的房客都是和她們類似的窮人。她們的隔壁鄰居是個不得志的畫家。姐姐得了病,但是沒錢去看醫生,病一天天重下去。她們房間窗口望出去是一堵牆,牆上有一朵薔薇,正在開花。姐姐對妹妹說,等到這薔薇的花謝了,我就不行了。可是一天天過去,這朵薔薇非但沒有凋零的跡象,而且越開越鮮艷,姐姐的病也終於慢慢好轉。有一天下雨,大概是屋子漏雨,他們去敲畫家的門,請他幫個忙。過了好久,畫家才來開門。畫家病得很厲害,地上都是泥水,還有一雙沾滿了泥漿的靴子。幾天之後,畫家離開了人世。兄長告訴我,這就是美國作家O Henry  的著名短篇《薔薇》中一個片段。幾年之後,我和這位兄長都離開了農村。我後來來了美國。這位兄長後來回上海了,他就是上海第一測量事務所副總經濟師林才和先生,上海浦東機場的招標就是他們負責的。

這個故事深深打動了我,幾十年過去,我對這個故事的深刻內涵,又有了更深刻的理解。為寫這篇短文,我對這個40年前聽到的故事做了一些查證,原來小說名為《最後的葉子》(The Last Leave)。或許是兄長記錯了,也可能是當時的中文譯者覺得《薔薇》更能吸引眼球。我記憶中的故事情節和原著也有些出入,但不管是葉子還是薔薇,這個故事所折射出的哲理和由此而得的啟迪,我永遠不會忘記。

學術研究是一件很嚴肅的事,應該和這多少有些唯心的“暗示”沒什麼關係。但是經常有這種情況,一個研究課題,好多年沒人能做出來,不管沿什麼途徑,用什麼方法,有時感覺只是一步之遙了,最後還是敗下陣來。然而,當某人用一個方法解出來後,那些原來鎩羽而歸的途徑和方法,卻似柳暗花明,個個豁然開朗都有解了。就我所知,這方面最著名的例子是用來描述鐵磁體的Ising模型。此模型由Ising1925年提出,一維很容易解,但沒有相變,故只是個數學工藝品而已。二維嚴格解直到1944年才由Onsager給出,成了人類歷史上第一個觀察到的相變模型(水變成水蒸氣就是液相轉換為氣相)。在他解出後,沒有幾年,那些原來死路一條的方法猶如枯木逢春,一個個殊途同歸的嚴格解象雨後春筍似地冒了出來。我知道的就有四種: Kaufmann的矩陣代數,Fisher的(量子力學)產生湮滅算符,Percus的排列組合方法,還有一種是Dimer(在晶格上覆蓋兩個最近鄰格點的條狀物),其作者就記不得了。上述四種嚴格解,看上去都比原始解要簡潔明了。但是不得不承認 ,沒有Onsager前輩的解答壯膽,人們可能就不會去啃這塊毫無希望的硬骨頭,因為有可能會就此虛度一生,一事無成。只有在他解出後,大家才確信,這“題目”對於高手來說,是屬於“回家作業”級的。所以大家每當說起Ising模型,還是言必稱Onsager解。

另一個例子是我的親身經歷,關於集體振動模式(Collective Modes)。這玩藝由Bohm Pines(曾任《Review of Modern Physics》總編輯)於1955年提出,看上去似乎極其有用,所以大家寫論文都喜歡引用。一為方便,二為時髦,其中以蘇聯超級大師Landau最為積極起勁。然而,因為這些模式的內在數學關係實在是深奧莫測,大家也就引用而已,從來沒有解決過具體問題。一直到1991年,即使在最簡單的一維情況,也是毫無進展。Landau大師在引用過程中,還錯了好幾次。

但是,說毫無進展,也並不確切,只是大家不知道而已  。當年的貝爾實驗室(Bell Lab)有一位數值模擬(Simulation)大師,幾十年前他就設計過水分子相變實驗,在當時堪稱世界之最。所以說他大師,絕無吹捧之嫌。他自己不會寫任何語言的程序,太太就是他的程序員。所以貝爾實驗室給他的編制多少年來也就是三個人:他,他太太和一個博士後。他於80年代後期設計了一個極為精巧的實驗,他發現這些模式在一維的某些特定條件下,會形成一個個恆等式。後來,他曾把這些計算機紙傳真過來給我。雙精度的數字,幾十行幾百行全是160,沒有半點雜音。這些恆等式,自然不是解析形式的,只是說,在這些函數上任意取點,函數值都是0,小數點後面乾乾淨淨的跟着160

可以說,看到這個結果,任何一個物理學家都不可能不興奮。如果說這些恆等式不存在,你運氣好,所取的點正好都在函數的零點,而且這幾百個點都準確到16位小數,那這幾率比世界上最難中的彩票還要小無數倍。但是,他經過幾年悄悄的努力,在理論方面沒有取得任何進展。1991年春天,他向我導師求助。我導師沒有透露半點風聲,利用一個鮮為人知的牛頓名下的定理,跨出了萬里長征的第一步。卻不,他馬上就遇到了問題。兩個月後,他決定叫我參加。第二天,我告訴導師,這些恆等式在某種特定情況是存在的,白紙黑字,不容置疑。兩人當時的激動心情實在是難以用言辭形容。兩星期左右,我們將一般情況下的(一維)解析表達式全部解出。文章在《Physical Review》發表後,我收到了好幾十份索取複印件的明信片。其中,包括了當時的美國陸軍研究所主任。

            在實際工作中,我們經常需要消除各種各樣的振動。然而不同模式的振動,將其消除的難度在工程上是不一樣的。一般來說,低頻振動比較容易消除,消除高頻震動難度就大一些。現在我們的工作發現,高頻振動是某些特定的低頻振動的非線性函數。假定XY代表兩種低頻振動,Z是一種高頻振動。我們發現ZXY建存在着解析關係,Z = XY + sqrt(XX+YY) 。現在假定XY很容易用工程手段消除,而消除Z則勞民傷財。我們的工作指出,只要消除了XY,即迫使它們為零,Z就會自動為零。模式之間的實際數學關係比這要複雜得多,但是通過這個簡單的例子,我們可以看到這項工作的重大意義。消除或產生某一頻率的振動向來是工程師的專利,現在數學家靠一支筆,一張紙(或許不止一張),居然可以達到同樣的目的,“紙上談兵”將不再是個純粹的貶義詞。

這篇文章當然有自己抬轎子的嫌疑。其實,在離開學校這麼多年後,抬轎子已經沒有任何意義,但是這故事所包含的道理對有志搞研究的同仁還是很有啟發性的。沒有該大師開創性的計算機實驗,我想即便花兩個星期,天天去閒聊喝咖啡,我和我導師也絕對不會去幹這號“傻事”的。在看到他的結果以前,這就是一個超難的研究課題,前途渺茫。誰知道是兩個星期,兩個月,還是兩年,甚至是20年仰或一輩子。待到看了數值模擬大師的結果,我們和他都知道這是一個高級回家作業,即使我們做不出,肯定另有高手能夠做出。

該大師在做一維實驗的同時,還一如既往嚴謹巧妙地設計了用三角形晶格做的二維實驗。其中,他發現了無序的液態和結晶狀態的固態;發現了性質很象液晶的狀態;甚至還發現在接近某參數條件時,計算機速度明顯變慢!這應該就是傳說中的相變。這裡提供的線索儘管很鼓舞人心,但其中的暗示畢竟沒有一維實驗那麼明確。可以想象,其中各種(二維)模式間的數學關係,也一定比一維複雜得多。我離開學校後的這十幾年,至少有那麼四五次,想根據大師提供的暗示,在二維情況邁出萬里長征第一步,但都如上所說,好幾次一個意想不到的陷阱,就出現在離成功僅一步之遙的地方。

那篇文章發表十年後,我去查了一下引用文獻(Citation),居然是零。這說明,當初寄明信片向我索要Reprint的人群,連最小的突破都沒取得,至少可以說他們的“成果”還無法發表。我在電話中嚮導師匯報了此事。老人家說:下一次突破,恐怕就不止40年了。值得慶幸的是,由於這位大師的工作,薔薇花繼續盛開,葉子還是高懸在牆上,有志於此的同仁至少能看到漫長隧道盡頭的一絲曙光。

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