數學和數學在科學技術中的作用

      2004年3月24日 北京

      我十分榮幸,我為促進中國和其它國家的科學交流所作的努力為中國政府所認識。

      我在中國南方出生,在香港長大,我受的是由英 國人建立的殖民制教育。但幸運的是,我的父親一直為中國文化而驕傲,并送我到一所中文中學讀書。

       

       

      我在香港中文大學接受高等教育。雖然我在香港所受的數學及科學方面的訓練不能說是最好的,但是,我有幸能夠比較全面地接受中國文化教育。

      優美的中國文學對我的思維產生的深刻的影響,我為我的祖國不斷發展的悠久文明而驕傲。在我專心作基礎科學研究的同時,我也把促進科學的發展,特別是祖國科學的發展作為終身的責任。

      1969年當我離開香港時,我沒有任何國家的護照。那時,根本看不到中國政府會和美國建立友好關系。當尼克松訪問中國時,我無比高興。1979年,我受華羅庚教授的邀請訪問科學院。高中時,我從華教授的書中學到了許多東西。我敬佩華教授,當被邀請時,我感到非常榮幸。 

      在到達北京機場,走下旋梯觸摸到北京的土地那一瞬間,我為回到祖國而無比激動。在接受菲爾茨數學獎時,我驕傲地說,我沒有任何國家的護照,我理所當然應該被看作是中國人。

      我的確為中國數學花費了許多精力。 但我依然為不能在中國安頓下來而感到遺憾。無論我為中國數學作了什么,都無法和那些在中國生長或那些永久回到中國的中國人相提并論。

      作為一個在外國的土地上擁有永久職位的人,我不敢對這個偉大國家的發展妄加評論。在這里, 我只是根據我的觀察,談一點看法。

      我們都知道,自孔夫子時代,中國就開始有了教育體系。甚至平民百姓都可以接觸到知識,這的確是一個突破。 到了漢代,政府建立制度,選拔受過教育并有良好品德的人才為國家服務。在鄉下的孩子們都有進入中央政府的機會。這是個比較公平的體系。中國在某種程度上就是靠這個體系的延伸而統一的。非常有趣的是,那些在朝廷的外國人也可以居任高職。這種制度經過完善后來成為一種考試制度。在早些朝代,比如唐朝,考試的范圍非常大。數學也被納入考試科目。然而,考試的重點主要還是集中在過去的四百年歷史。那時認為,只要掌握了孔子的思想,就可以治理好國家。因此,考試僅限于非常窄的知識范圍。那時,中國對于創造性思維的摧殘是極為嚴重的。

      大學之道,在明明德,在新民,在止於至善。

      要認識到孔子是把知識當做德行的:大學之道,在明明德,在新民,在止于至善。

      孔子是以實踐的方法育人。他的一些學生成了外交家,一些做了商人,一些當上了將軍。希臘哲學家蘇格拉底也把知識看成是德行。然而對真理和美追求,是希臘教育的精髓。在這個日新月異的新世界,知識是人類繁榮的根本所在。任何偉大的國家都必定會對學問進行長期的研究,否則,社會進步就成為空想。知識是以四方面為基礎的。這四方面是指:
      1  德行
      2  人類知識
      3  基礎科學
      4  應用科學

       十九世紀初期,鴉片戰爭失敗,使中國認識到自己在現代技術方面的落后,隨后,幾經嘗試走現代化之路。并在造船、鐵路、采礦及武器制造方面取得了很大進展。兩個世紀的經驗和教訓,我們最終看到了中國發展成為強國的機會。現在中國的經濟正以中國當代史上從未有過的勢頭增長。但我們一定要牢記,現代化的真正能量來源于知識的獲取和應用。

      然而,對于發展中國家來說,知識通常是與應用科學聯系在一起的。很容易過分強調短期效益而忽視長期發展的實力。應該注意到基礎科學是所有現代技術的基礎,中國的現代化建設,基礎科學要起到重要的作用。 

      英國皇家學會會長阿蒂亞告訴我說, 對于像中國這樣有志成為世界強國的國家,不能沒有雄心。日本人以完全照搬西方的方式開始,改變了對基礎研究的投資。美國是經濟最發達國家,對基礎研究的支持力度相當大。 我認為中國有條件在所有各方面都和日本和美國競爭。

      在本世紀, 有幾個科學技術的分支將扮演重要的角色:  信息科學、生命科學、能源科學、材料科學、環境科學、金融社會科學,這些分支之間相互交叉,同時又強烈地依賴于能夠提供基本原理的基礎科學的發展。 這些基本原理告訴我們: 萬物為什么運動,如何運動。在整個歷史的進程中,學科之間的相互依賴一直在發生。 而每一次兩個不同領域的思想成功結合,都會產生出意想不到的結果。

      19世紀,電和磁的統一獲得了巨大的成功。20世紀,量子動力學在化學上的取得了成功的應用。數學和物理被用來制造現代計算機,而計算機又成為所有科學技術的基本工具。我們正在目睹物理科學在生命科學中的應用壯景。每一次的統一都是由基礎科學開始。而每一次的成功統一都帶來了技術上的重大突破。 并為進行這一統一的國家帶來巨大的經濟增長。

      在過去的兩個世紀,歐洲各國通過發展科技積累了財富。一戰和二戰導致了一大批各國的科學家和工程師涌向美國。目前,美國正主宰著世界。美國的經濟空前繁榮,得益于過去50年間對基礎科學的投資。由美國公司和大學所擁有的相當比例的專利權都得益于基礎科學的實力。

      一個世界強國的實力,依賴于對大眾基礎科學教育的能力,以及在世界范圍內吸引最優秀的人才的能力。以美國為例,相當多的外國精英都可能說不了流利的英文。我以為,中國應該吸引大量非中國籍的人才,即使在開始他們不懂中國。理由是,科學,特別是純粹科學是沒有國界的。我們可以跟那些沒有偏見的外國人學到許多東西。

      在21世紀,數學將是最基本的學科。數學為所有其它科學提供基礎結構。這不僅是指數學是所有科學的語言,而數學本身就是有生命的。

      1   數學是基礎語言

      幾何是描述時空的語言,微積分是天文學的語言,算子理論是量子力學的語言,傅立葉分析是波動理論的語言。數學家認為所有這些學科都是極其美妙的。它們都是按照自己的規律發展起來的。但共同的特征是數學家深悟了他們的基本特性。于是數學家就給出了為什么看起來不相關的學科之間應該交叉的基本理由。

      讓我們看一看共同語言。語言可能是一種標記。它傳達我們對所描述物體的情感。中國詩歌和西方詩歌不同,因為總的來說,在中國詩歌中每個字都代表不同的意義。甚至在中國的詩歌中,對不同的字數的要求都表達了不同的意義。漢朝每個句子是五個字,唐朝每個句子七個字,宋詞對每句都要求有不同的字數。詩歌不同的風格反映的是不同朝代學者的情感。

      數學研究改變了科學的發展。例如, 對傅立葉分析和小波和深入研究,給出了對波動及圖圖像技術的不同解釋。 反過來, 現實世界又影響著數學的發展。波動和波譜的美妙是對它深入研究的主要源動力。它們在現代技術上和理論科學上的應用的重要性不論怎么評價都不會夸大的。

      很難想象沒有微積分,牛頓能夠發現經典力學。微積分的發現要追溯到阿基米德。毫無疑問,法拉第精通電和磁。但電磁的完整理論要歸功于麥克斯韋爾方程。這說明對光,無線電波和現代科學的認識是極為重要的。

      2   數學是有序的科學

      數學不僅是一種語言,不僅本身美妙無比,它還是一種有序的科學。哈佛大學教授Andrew Gleason說過: “數學作為有序的科學,其目的是要尋找、描述并解釋事物在復雜的條件下的秩序。數學最基本的工具是描述這些秩序的概念。準確地說,數學家已經花了幾個世紀在尋找最有效的概念,財以描述那些不清晰的現象。這些工具適用于所有的外部世界。而現實世界,正是大量秩序復雜交錯的縮影!

      因此,數學能在經濟領域找到很強的應用。而經濟正是這樣一門學科,好幾位諾貝爾獎獲得者都是由于他們和數學有關的工作而獲獎的。我們期待通過數據挖掘和統計,數學能應用在社會科學和歷史上。

      3  數學是工具
      許多重要的數學問題都是由研究工程問題中的單一動機演變出來的。例如, Wiener 和他的學生最先研究了信息科學。然而, 隨機微分方程,Wiener度量理論以及熵理論都遠遠超過了他們研究的最初目的。Bucy-Kalman 濾波器是現代控制理論的絕對基礎, S波動理論在飛機設計上是非常重要的。

      4  數學是美妙的科學

      最純粹的數學分支是數論。它可以追溯到古巴比倫,古西臘及其它國家。它是一門無比美妙的學科。所有偉大的數學家都不得不欣賞它。

      在過去的20年間,我們見證了它在安全上的應用。密碼學主要依賴于整數到素數的分解。自修正密碼的研究依賴于代數幾何。幾何來自于土地測量和航海的要求。在幾何還實現著同樣目的同時,它的作用已遠遠超過了最初的動機。它已成為研究時空中物理現象的基石。它的應用包括計算機作圖,晶體學和照相技術。

      事實上所有追求美的數學分支, 都在現實中發揮了巨大的作用。

      5  工業中的數學

      1995年,美國工業及應用數學學會發表了一篇報告。他們通過電話調查了75位工業部門的經理人。 約一半(49%)的人認為數學是基本工具, 這些經理人的教育背景為

      數學
      工程
      物理
      統計/生物統計
      商務/管理
      計算機科學
      化學/生物

       報告發現: 

      數學的應用:

      代數和數論 密碼學
      計算流體力學 飛機和機動車設計
      微分方程 空氣動力學
      多媒體,金融
      離散數學 通訊和信息安全
      形式系統和邏輯 計算機安全
      最優化 資產分配
      建模和系統設計
      并行算法 天氣模型和預報, 
      計算機檢驗
      幾何 計算機輔助工程與設計
      空難模擬
      統計 實驗設計
      大型數據分析
      隨機過程 信號分析

      6 中國實行的數學政策

      中國政府非常重視現代技術。毫無疑問,以文章的產出來看,中國的科學技術在過去的十年間發生了巨大的增長。僅以數學為例,我們從下面列表中可以看到在十年間,中國數學方面的文章已從占全世界該方面文章總數的6%增長到10%。 (當然,我們應該注意到這個數據包括了在世界范圍內的中國人,其中有許多是在美國)。北美國數學會 數學文摘統計 中國數學家文章產出: 1990-2002年

        發表文章的質量的確能夠說明研究活動的情況。但對發表文章更細致的研究表明,只有很少一部分中國人的文章發表在一流的刊物上。 現在中國科學家主要面臨的問題是,如何提高文章的質量。 沒有多少中國人的文章能夠開辟一個重要的領域或方向。過分強調數量對研究有負面影響。事實上, 中國數學家是非常出色并具有創造性的。在50年代末60年代初,華羅庚教授和馮康教授開辟了好幾個數學領域,引導世界潮流。那些被與外界隔絕的時期,使他們看清了自己要作的方向。

      政府過分強調在國外居住的科學家的領導作用,給那些本國很有能力的科學家帶來了一種心理負擔。下面是一個例子,就在去年,數學界出了一條重大新聞,一敗涂地就是拓撲學的Poincare問題可能得到解決。這個問題產生于Hamilton方程。一位名叫Perelman的俄羅斯數學家宣稱運用Hamilton方法成功解決了問題。他用了七年的時間致力于研究。在他宣稱之前,沒有幾個人對這個問題的研究給以關注。

      Richard Hamilton和我是好朋友。1996年我認識到他的工作的重要性,所以我回到中國并且告訴所有數學方面的領導人Hamilton方程的重要性。 我督促在全國范圍內研究這個方程,并且告訴他們,對這個方程的研究會獲得巨大的回報。 我選送了兩位我在香港的學生在北京主持這方面的研討班。令我意外的是,北京的專家聽了在美國的中國數學家的話(包括), 認為Hamilton的文章太難讀, 不值得。 他們讓討論班轉而討論其它的問題去了。 

      幸運的是,在中國南方的數學家,沒有受到北方的影響。中山大學的朱教授當時正在香港中文大學訪問。他接受了這個挑戰,深入地研究了這個方程。 他有可能會成就一流的結果。 不幸的是, 他直到現在還沒能得到北方的承認。

      我相信,在這個新的世紀,許多重要的領域都等待去研究。數學將是重要的工具。在這個發展過程中,中國的數學家將扮演重要的角色。但是他們應該公正地創造性的思維。一旦認準了重要的事情 , 就要堅持下去,不要受輿論的影響。 

      中國數學面臨的最大問題是,缺乏領袖人物。唯一活著的世界級數學家是陳省身教授,現在他已經90多歲了。為了解決領袖人物的問題,許多大學設立了許多訪問教授的席位,邀請他們到中國的研究機構訪問期一兩個月。

      然而, 中國的科學領袖只能在那些全職在中國的人中間產生。許多的大學非常驕傲并滿足于把著名的名字放在教授的名單上。這些大部分是居住在海外的中國人。他們不可能把太多的精力投入到中國學術發展上。他們中間有些人的工作被中國同行過于抬高了。這種合作的結果并不象政府所說的那樣成功。當然,我堅信國際協作對中國是十分重要的。

      我相信,應該鼓勵邀請那些和中國學術界沒有各種關聯的科學家。一個真正的國際學術氣氛將把中國科學帶到一個新的層次。 也許,可以模仿普林斯頓高等研究所的模式,愛因斯坦和許多偉大的理論科學家都曾在這個研究所領導整個世界的理論研究。我相信,建立這樣一個具有高尚的目標的研究所是重要的。這個研究所的永久成員應具有國際水準并應該受到政府的重視。不應該限制于中國血統的人。我希望在短時間內中國就成就世界級的研究。 

      科學是事實的積累,就如同一座房屋是由磚塊壘起來的一樣。而科學的建筑就是數學。當然,沒有磚塊和運用磚塊的知識,就不可能有成功的設計。數學家和其它科學家的密切合作將為科學打好基礎。 應該鼓勵數學家和其它分支的相互交叉。數學的本性決定了它根據科學的需要拓寬,根據相互的分析加深。因此,在新世紀,數學必將成為所有科學的中心。

       
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