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发布日期：2024-10-13 作者：开云
“预备好迎接美好的公式了吗？”
这是理学楼里的一间小教室，差不多20平米，除一面门一面窗，剩下的两面墙满是黑板。
相较房子里其他人的眉头深锁，汤雷翰用粉笔在黑板上敲击出轻盈的节拍，不知从哪里呼唤出连续串数学公式。
黑板、讲台，思虑、运算，是他的舒适区。
近日，统计物理学家汤雷翰全职插手西湖年夜学，任理学院和交叉科学中间讲席传授，并成立统计物理与复杂系统尝试室。
汤雷翰是美国物理学会会士，首要从事均衡和非均衡系十足计物理学研究。他奇妙地应用重整化群的思惟和方式，解决了多类含杂质系统序的奇特标度特征。
网上搜刮“汤雷翰”，常常是上面这段内容，通俗人能看懂的寥寥，仿佛这个名字只跟学术文章里的模子、定理和公式“长”在一路。
站在写满公式的黑板前，汤教员注释：
“我的研究工作，就是将对真实世界的好奇，转换为公式推导。”
{奔驰中的水份子}
汤雷翰感爱好的不是一般的系统，而是“复杂系统”。
甚么是复杂系统？
虽然字面意思就不简单，但试着简单理解的话：
复杂系统代表着一类集体行动，特殊是有长时候传承和演变的行动。
汤雷翰从冰箱里掏出一瓶矿泉水：“好比水，它既可所以气体情势，也能够是液体或固体，为何当温度产生转变时，水的布局会发生如斯年夜的转变？这个进程中产生了甚么？”
这类环境下，研究单个水份子的意义就不年夜了，他需要存眷的是一群水份子——当温度升高或下降时，水份子之间会有甚么互动吗？这就是“集体行动”。
在真实世界里，集体行动经常是复杂且难以猜测的。
那瓶水依然在汤雷翰手里，房间里的热空气在瓶身上凝起一层精密的水珠。此时的瓶子里，水份子正在上窜下跳，它们的活动轨迹其实不像我们想象的那末规端方矩。
事实上，100多年前，奥地利物理学家玻尔兹曼就发现，热量的传递竟不是绝对单向的，只是热份子跑得比冷份子快，有更年夜可能“撞”上冷份子，是以物量从热物体传向冷物体的几率要年夜很多而已。
把几率引入物理学，便呈现了“统计物理学”。也就是说，科学家不再盯着具体的每个原子份子，而是用统计的方式去掌控它们的集体行动。
这即是汤雷翰的专业范畴。
汤雷翰本科卒业在中国科学手艺年夜学空间物理专业。恢复高考的那一年，他才16岁，刚读高二，对年夜学是甚么完全没有概念。突击备考三个月，是听教员的；填报中科年夜，是听教员的；报物理专业，也是听教员的……
入学时，他是班上最小的几个，“甚么事都插不上话”。只有在发布测验成就时，他的名字才变得显眼，“特别是量子力学，曾得期末最高分”。但他感觉昔时本身的物理常识是陋劣的。
“物理与数学很纷歧样，物理需要更多的沉淀，需要对天然现象有深切的理解和熟悉，数学则更依靠逻辑思惟。”汤雷翰回首说，在物理这条路上，假如不做尝试，不与真实的系统接触，就没法最先深入的思虑，没法提出好的问题。
1981年，汤雷翰考上了李政道传授组织的CUSPEA项目，被美国卡内基梅隆年夜学登科，这类机遇在阿谁年月弥足珍贵。
在美国，他最先进修统计物理学，导师Bob Griffiths是范畴内的年夜佬，治学严谨。这是一个需要扎实数学功底的物理学分支。布满对理论物理的崇仰，汤雷翰最先细心浏览组里在相变和临界现象范畴的文章，谁知导师却建议他存眷那几年起步的蒙卡计较摹拟，费了良多周折才又回到了与非线性动力学系统相干的纯理论研究。这个数值与解析方式并用的履历，对他后面的成长发生了深入的影响。
“从那时起，我最先经由过程特定模子的深切阐发来研究复杂系统，斟酌怎样样把数学理论与真正关心的现实物理系统连系起来。”他说。
更使人兴奋的是，这个世界上，复杂系统与人类勾当互相关注——从细胞到宇宙，从鸟群到台风，从房价起落到政党选举，非论是天然界仍是人类社会，我们无时无刻不身处在一个又一个复杂系统中。乃至人类本身的身体，和物竞天择的进化进程，都是开云体育app复杂系统。
而数学与复杂系统的组合，也注定了汤雷翰的研究不集聚焦在某一个固定的标的目的，他需要不竭进修新知，需要和分歧学科的人合作。
这是一个自然的交叉学科。
{剧院里响起掌声}
汤雷翰1987年从卡内基梅隆卒业，直至1996年接管第一份教职前，有一段长达8年的博后履历——
先是在美国加州年夜学圣巴巴拉分和德克萨斯农工年夜学，然后来到欧洲，在德国待了7年，前后在在利希研究中间固体物理所、科隆年夜学理论物理研究所工作。
“那段时候对我的学术成长很有帮忙。”他说，几近每一个月都有不错的学术勾当，“欧洲不年夜，我常常坐火车去巴黎和四周其他城市拜候，也去剑桥待过半年，熟悉了良多一样做统计物理的伴侣。”
再后来，短暂地在英国帝国理工学院Blackett尝试室担负一段时候讲师后，汤雷翰在1997年插手中国香港浸会年夜学物理系，历任副传授、传授。
前面讲到复杂系统包含万相，但汤雷翰的爱好逐步聚焦到“生命”上。他率领团队与生命科学范畴的尝试科学家合作，开辟出一系列统计物理学的定量东西和模子，经由过程研究年夜量微不雅个别的集体行动，揭开复杂系统的面纱，为生命科学研究供给了怪异的视角。
怎样理解这里所说的“东西”和“模子”呢？
2021年诺贝尔物理学奖取得者乔治 帕里西，曾用风行全球的桌游《豪富翁》，来类比研究复杂系统的模子东西。
《豪富翁》是一种社会模子，它要比真实的贸易世界简单，但保存了生意地盘、开辟房产、赚取房钱、拍卖典质等实际中的法则，同时经由过程掷骰子和抽卡牌的体例，将入狱、破产等少许“不测”纳入模子中。
这款游戏的英文名叫Monopoly，“垄断”的意思。也就是说，当我们玩这个游戏的时辰，会发现富人愈来愈有钱，直至垄断市场，其他竞争敌手破产。这个场合排场，是在每轮游戏最后，必定会呈现的。
汤雷翰所研究的，就是设计和阐发能重现生命进程焦点运行法则的“豪富翁”模子。
今朝，他已在微生物代谢、卵白质凝集体的构成和润湿、细胞群体活动和与发育相干的心理进程等方面，获得了若干原创性功效。
你必然有过如许履历：当走进一个不透光的房间，一最先伸手不见五指，但只要在里面待上一会儿，眼睛会逐步顺应情况，渐渐地竟能看见一些了。
2019年，汤雷翰与学生王寿文配合颁发了一篇文章，他们成立了一种模子，描写的就是这类现象背后的机制：一群具有感知顺应性的细胞，是若何经由过程顺应分歧的旌旗灯号频率，终究发生集体振荡。
可以想象在一个剧院里，每个细胞都是一个不雅众，剧院里济济一堂。一场表演竣事，不雅众最先拍手，一最先掌声其实不太齐，每一个人有每一个人的节拍；但只需一会儿，全场的拍手节拍会趋近一致。在一些加倍特殊的场所，好比喊“安可”的时辰，节拍感尤甚。
从细胞的集体行动动身，到复杂一点的器官，再到更复杂的全部生物体……逾越微不雅与宏不雅的研究，让我们不竭接近生命的素质。
{伟人们的肩膀}
汤雷翰的研究，对数百年前的伽利略来讲，是底子没法想象的。
伽利略的物理世界极尽简化，连磨擦力都没有，与复杂的真实世界判然不同。但现代物理学的成长，没有躲避真实世界的浑沌无序，而是将这些看似无序的活动一点一点地梳理清晰，饱满着我们对这个世界的理解。
这是站在伟人的肩膀上进步。
汤雷翰也是到了美国读博以后，才真正感悟到甚么是“伟人的肩膀”。“我才知道物理是这么学的，不是会做题便可以了，而是需要把道理和问题真正弄清晰，去领会背后的故事，去领会成长的脉络，去领会昔时发现道理的物理学家们是怎样想的……”
只有如许，才是真正站到了伟人的肩膀上，才能真正看得更远。
此刻我们回到文章的题目，走进包抄我们糊口的复杂系统——城市化、天气变暖、可延续成长、人工智能、转化医学——是哪一项界说了21世纪，众口纷纭。可以必定的是，生物学、复杂系统、人工智能，让21世纪的科学家，踩到了跨学科研究的爆发点。
AlphaFold横空出生避世，为人们理解这类“爆发”供给了一个直不雅案例。
人类科学家在曩昔堆集的海量且规范的卵白质布局数据，为AlphaFold供给了“肩膀”。而基因组学、卵白质组学、代谢组学等范畴的成长，堆集了海量尝试数据，再加上人工智能猜测数据的插手，为物理学、生物学、人工智能的交叉学科研究供给了“肩膀”。
这也是西湖年夜学感动汤雷翰的处所。
汤雷翰画过一张草图，试图在西湖年夜学找到复杂系统研究的爆发点。图上有三个圈——
第一个圈是生命科学学院，这里的人善于研究生物体的各个方面；
第二个圈是理学院，这里的人善于应用数理化东西构建模子；
第三个圈是工学院，这里的人善于冲破人工智能的极限。
三个圈相互交叉，堆叠的处所可以做甚么，又会爆发出甚么，让汤雷翰有没有期限待。
事实上，从客岁炎天最先，汤雷翰的耳边就不竭传来有关西湖年夜学的动静。
好比本身带过的博士生王寿文，在拒失落几所年青人神驰的年夜学以后，全职插手西湖年夜学，主聘在生命科学学院。他记得，学生是如许说的：这里很好，每一个人都很兴奋。
而他本身，也从本年年头就提早入驻西湖“考查”，并得出初步结论：
“这里有一群伶俐、揣着胡想的人。甚么是好的学术情况？这就是。我不敢说本身天天都学到了新的工具，但这个机遇就摆在那边。”
那是如何一群人呢？
一群学术程度出色的人，一群彼此自力又开放合作的人，一群布满好奇心与摸索欲的人。
“是甚么改变了，使得对生命系统的研究有可能成为物理学的一部门，而不但仅被看做是物理学在生物学中的利用，或是若干跨学科的夹杂体？”
深图远虑以后，汤雷翰在毛遂自荐的开篇援用了如许一句话，它将被放在西湖年夜学官网上。
是甚么界说了21世纪，这个问题的谜底是甚么，到这里已不太主要了。
非论此处填入甚么辞汇，时候长河中亘古不变的，是一代又一代人试图解读真实世界的接续尽力，是人类关在“从何处而来”这一哲学之问的叩响——
收起豪富翁的地图，玩家即刻回归真实的贸易世界。
当舞台的帷幕落下，不雅众走出剧院，终将回归糊口。
无处不在的复杂性，没法预知的不肯定性，如许的真实世界是末路人的，也是迷人的。
（原题目：走进复杂系统 | 统计物理学家汤雷翰全职插手西湖年夜学）
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