“数学皇帝”丘成桐:在数学中追寻人生的至真至美

27岁,他一举破解顶级数学难题卡拉比猜想,震动世界;

30岁,他成为普林斯顿高等研究院终身教授;

33岁,他成为“数学界诺贝尔奖”菲尔兹奖首位华人得主;

38岁,他成为哈佛大学教授;

他先后获得了菲尔兹奖、麦克阿瑟奖、克拉福德奖、沃尔夫奖、马塞尔·格罗斯曼奖,是迄今囊括这五项世界科学大奖的唯一一位数学家;

国际数学大师、阿贝尔奖获得者辛格曾说,“在哈佛,他一个人就是一个数学系”;

菲尔兹奖获得者唐纳森称他是“近四分之一世纪里最有影响的数学家”;

《纽约时报》称他为“当之无愧的数学皇帝”;

73岁,他回到中国全职工作,成为清华大学讲席教授,为把中国建设成为数学强国而孜孜以求;

他,就是丘成桐。

丘成桐,美国国家科学院院士、美国艺术与科学院院士、中国科学院外籍院士、俄罗斯科学院外籍院士、台湾中研院院士。现任清华大学讲席教授、丘成桐数学科学中心主任、求真书院院长,北京雁栖湖应用数学研究院院长。他先后获得菲尔兹奖、麦克阿瑟奖、克劳福德奖、沃尔夫数学奖、马塞尔·格罗斯曼奖,成为唯一包揽这五项世界顶级科学大奖的数学家。他积极关心中国数学的教育和研究,为推动中国数学事业作出了巨大贡献。

知识来自探索,学问来自学“问”。发现有价值的问题,是创造性思维的关键。

9月22日晚7点,“人文清华”讲坛,著名数学家、菲尔兹奖首位华人得主、清华大学丘成桐数学科学中心主任、清华大学求真书院院长丘成桐教授演讲《学“问”》,带领大家追溯他精彩的几何人生,思考一流的学问应该怎么做,一流的人才应该如何教、如何学。

丘先生直播前,提前三小时开启数学讲堂,丘先生的六位弟子,清华大学求真书院数学科学领军人才培养计划的六位数学少年,带来六堂数学史课,讲述传奇数学家的故事和成就,以及不一样的数学思维。

童年颠沛

少时尚义气,原野任戏嬉。

登高怀书剑,携手笑扬眉。

——《忆瑶姊》选句,2007年

1949年,丘成桐出生于广东汕头的一个书香世家,同年随父母移居香港。

父亲丘镇英毕业于厦门大学经济系,曾赴日本早稻田大学深造,后在香港崇基书院担任哲学教授。母亲梁若琳是梅城最后一位秀才梁伯聪之女,是一位温婉而坚毅的传统中国女性。在香港,一家十口人住在30平方米的房子里,日子虽然贫穷,却书香满溢。

父亲以培育英才为抱负,常与前来请教的学生们在院子里热烈地讨论哲学、历史、文学和经济,丘成桐自幼便对西方哲学思想耳濡目染,也随父亲遍读中国古典文史典籍,一开始,父亲给丘成桐讲授书法诗词,后来,要求他背诵长篇诗作,再后来,父亲还让他读鲁迅、王国维、冯友兰等人的著作,还有西方的书籍,比如歌德的《浮士德》等。

丘家全家福,1955年摄于香港沙田。前排左起:成桐、成煜、母亲梁若琳(抱着成珂)、父亲丘镇英(抱着成栋)、成琪、成瑶。后排左起:成珊、成瑚。

丘成桐表示,他之所以能够达到今天的成就,与父亲的言传身教息息相关:“从学问而非财富上说,他自身便是一个成功的例子。他是受人尊敬的学者,著书立说。直到今天,父亲仍然是我各方面的榜样。”常有人说丘成桐在解决数学难题时会展示出惊人的坚毅,他始终认为这部分继承自母亲,“就算在最艰难的岁月之中,她仍然激励我努力读书。”

14岁那年,父亲病故,整个家庭陷入困顿,大舅提议丘家姐弟辍学到其农场打工养鸭,所幸母亲如父亲一样“相信求知和修身比赚钱重要”,多方筹措维持家用,坚持让孩子们继续上学。对少年丘成桐而言,父亲的离世意味着精神支柱轰然倒塌,他开始背诵父亲教过的诗词,阅读父亲书架上的哲学书,以缓解悲痛、缅怀父亲。少年一夜之间长大,他意识到以后的人生都要由自己来做决定,对待学业也一改懒散态度,决心做出点成绩好不至于令父母失望。

初履北美

大哉大哉,宇宙之谜。美哉美哉,真理之源。

时空量化,智者无何。管测大块,学也洋洋。

——《时空统一颂》选句,2003年

1966年,17岁的丘成桐考入香港中文大学崇基书院数学系,很快脱颖而出,仅用三年就修完本科课程,并在数学学者斯蒂夫·萨拉芬的推荐下,被加州大学伯克利分校破格录取为研究生。

1969年,20岁的丘成桐进入伯克利数学系。在这一世界顶级的数学殿堂,丘成桐意识到自己在香港的所学实在有限,更加如饥似渴地吸收知识,除了选修的代数柘扑学、微分几何学、微分方程学三门课程,他还旁听了代数、数论、群论等六门课程,并见缝插针地去参加广义相对论、偏微分方程、数论、调和分析等方向的讲座和研讨班。他远涉重洋而来,社交的需求不多,也没有教学任务,更没有消遣爱好,数学几乎占据了他的全部生活。他通常每天七点起床梳洗,匆匆吃完早餐后,步行到学校上八点钟的讨论班,中间不停,午餐就在班级后排吃三明治,整天待在课室、图书馆或者讲堂,一直到下午五点课程结束才回家。

当时,丘成桐每月能领到300美元奖学金,一半要寄给母亲贴补家用,为了省钱,选择自己在家做饭,又为了节省时间,他立下规定,从打开冰箱到洗完碗,不得超过半个小时。回家路上经过书店,用省下的钱买几本好书,成为看似单调的生活中一件乐事。

丘成桐(前排右一)与其他学者在一起

1970年的暑期,丘成桐终于在伯克利见到了他少年时代的学术偶像、世界几何学大师陈省身先生,并如愿拜入陈先生门下。陈先生给予丘成桐充分的自由,让他得以沉浸在拓扑学、组合学、微分方程等学科的研究中,又允许他自由出入办公室以阅览几何和拓扑学最前沿的研究文章,在陈先生的指导下,丘成桐用两年时间即完成了博士学业。

也是在伯克利,丘成桐逐步确立起对几何学的研究志趣。写作博士论文期间,丘成桐已经开始将注意力集中在几何分析和复几何理论的研究之上,并对卡拉比猜想、调和函数、调和映射及极小子流形等问题进行过集中研究,这些都成为几何分析的一个重要部分。

七十年代轰轰烈烈的保钓运动,在丘成桐被数学填满的平静生活里制造出一些波澜,他曾和朋友一起驱车到旧金山的广场上游行示威,到日本的领事馆抗议,也帮助文科同学发行报纸、排演话剧,甚至为了和亲日学生争夺中国同学会的领导权,在选举前到处拉票。保钓运动改变了中国学者在海外独善其身,不问政治的局面,也使丘成桐无比深刻地认识到国家的兴衰,无论是在国内还是在国外的知识分子都有责任。

在伯克利攻读博士学位的时光,虽然只有短短两年,却是丘成桐一生学术生涯的起点,他在这里,结识了一生的良师益友,确立了学术研究的方向,也点燃了血脉中的爱国热情,他已决意要做一流的学问,要去探寻心目中宇宙的奥秘。

丘成桐在伯克利

高峰挺进

记得好事新谐,笙调心印人依。

弦琴天籁得相窥,太初玄秘现,物数竟同归。

——《临江仙·记七六年事》选句,2014年

意大利著名几何学家卡拉比在1954年国际数学家大会上提出著名的卡拉比猜想,提供了一种在广义相对论的真空状态下,寻找时空的几何结构路径,但包括他本人在内,各国科学家尝试多年都未能证明这一猜想。

丘成桐在伯克利读博士期间,已经被这一超越时代的完美设想深深吸引,此后辗转普林斯顿、石溪、斯坦福多地仍没有放弃。起初丘成桐和当时的许多年轻学者一样,难以置信存在如此简洁、完美的理论,于是试图通过寻找反例来证明这一猜想的错误。他甚至一度以为自己成功找到了反例,并在世界最大的几何会议中进行了公开宣讲,却在几个月后收到卡拉比本人的来信,指出证明中存在的疏漏。他难以接受自己竟在顶级学术会议中做出了错误证明的“丢脸”事实,在两个星期的时间里不眠不休,试图弥补证明上的疏漏,但在一次次失败后,他不得不承认自己错了,于是他开始掉转思路为证明卡拉比猜想的正确性倾注心力,这一投入便又是整整四年。

1976年,27岁的丘成桐证明了卡拉比猜想,他引用一句古诗“落花人独立,微雨燕双飞”来形容解决问题后的心境。他解决的卡拉比猜想中的数学对象后来在数学界和物理学界被称为卡拉比-丘流形,它不仅成为代数几何和数论的主要工具,也成为高能物理中宇宙的主要模型。围绕卡拉比-丘流形进行的研究,至今仍延绵不绝、蓬勃发展。

“卡拉比-丘”六维空间示意图

1982年,33岁的丘成桐获得有“数学界诺贝尔奖”之称的菲尔兹奖,该奖项旨在表彰他在微分方程、代数几何中的卡拉比猜想,广义相对论中的正质量猜想、以及实和复的蒙日(Mon ge)-安培(Ampere)方程等领域里所作出的杰出贡献。此后,他又相继获得麦克阿瑟奖(1985)、克拉福德奖(1994)、沃尔夫奖(2010)、马塞尔·格罗斯曼奖(2018),成为迄今囊括这五项世界科学大奖的唯一一位数学家。他还开创了数学中极为重要的分支“几何分析”,这一学术方向已影响世界学术界四十多年,沿着他开创的方向,包括他自己在内,共有5位数学家获得了菲尔兹奖,他本人也被《纽约时报》称为“当之无愧的数学皇帝”。

丘成桐一再表示深厚的人文素养是一个优秀数学家的必备条件。他爱读《红楼梦》,《红楼梦》的情节千丝万缕,角色层出不穷,却交织成一个结构完整的故事。丘成桐由此受到启发,他认为当研究者站得足够远时,就会发现数学中很多乍一看毫无关系的分支,其实都是一棵大树的各部分,他希望能够在专注于几何分析这颗刚刚发芽的新枝的同时,也对整棵数学大树有整体的认识。除了对宏观结构的把握,丘成桐还提出《红楼梦》能够扣人心弦,是因为这部悲剧描述了家族的腐败、社会的不平、青春的无奈,反映的是一个普罗众生的问题。而好的数学也应该能接触到大自然中的芸芸现象,这样才能够深入,才能够传世。所以在研究和奋斗的过程中,他始终避免陷入过于抽象的数学问题,而愿意尽力保留大自然的真和美。

丘成桐曾说:“数学家盼望的不是万两黄金,也不是千秋霸业,毕竟这些都会成为灰烬。我们追求的是永恒的真理,我们热爱的是理论和方程。它比黄金还要珍贵和真实,因为它是大自然表达自己的唯一方法;它比诗章还要华美动人,因为当真理赤裸裸呈现时,所有颂词都变得渺小;它可以富国强兵,因为它是所有应用科学的源泉;它可以安邦定国,因为它可以规划现代社会的经络。”

而数学赋予他的,是 “一本在世界各处随意走动的护照”,也是“探索这世界强有力的工具。”徜徉在数学国度半个多世纪,丘成桐早已将那里视作自己的第三个家,他说:“我有压力的日子,每以工作为寄托,数学从来没有令我失望。”

斯年堪纪

偃仰左右寻,始得月皎洁。

皓月映冰心,冰心不可夺。

——《剑桥中秋佳节感怀》选句,2016年

丘成桐曾在美国多所名校工作。他在博士毕业时收到哈佛、普林斯顿等六所一流大学的聘约。陈省身先生建议他到普林斯顿高等研究所攻读博士后。普林斯顿的年薪只有哈佛的一半,尽管丘成桐一直经济困难,但还是毫不犹豫地选择了普林斯顿,因为这里是爱因斯坦曾经工作过的地方,每年接待来自世界各国的60多位一流学者。“还记得先生对我说:‘做学问一定要跟有学问的人在一起。’这句话使我一生受用。”丘成桐这样回忆陈省身先生的教诲,也正是这一选择,使他认识了一大批一流数学家,提升了对拓扑尤其是对空间对称理论的鉴赏力,他将几何与非线性偏微分方程结合的新研究方法在这里得到重要突破。

此后丘成桐又相继在纽约州立大学石溪分校、斯坦福、加州大学伯克利分校等名校工作,1987年,他来到了哈佛,并一直工作到今年退休。他曾经担任哈佛数学系主任。2013年,哈佛大学成立了“数学科学及应用中心”,他是第一届主任。丘成桐对应用数学的发展也做出了杰出贡献,他与学生们和合作者们创立了计算共形几何、计算最优传输等交叉领域,将现代数学与计算机科学相结合,广泛应用于计算机图形学、计算机视觉、数字几何处理、计算机辅助设计、医学图像、大数据、可解释人工智能等领域。在哈佛,丘成桐被誉为皇牌教授,国际数学大师、阿贝尔奖获得者辛格曾说,“在哈佛,丘成桐一个人就是一个数学系”。

虽然辗转多所名校,但不论在哪里,丘成桐都积极与其他学者展开合作研究。他始终认为,“社交很多就是为了合作”,没有离群索居、不食人间烟火的数学家,唯有交流、合作,才可以在科学的道路上不断向前。

矢志兴中

风吹雨打寻常事,且把锋芒试。

长江不尽浪滔滔,后浪前波共个比天高。

校园春色何堪醉,中有兴亡泪。

敢教硕果出神州,他日士林翘首近春楼。

——《虞美人》,2014年

虽然在海外生活多年,但是几十年来,丘成桐始终殷切关心着中国的数学事业,关心着中国青年的成长。

1979年,应中科院副院长华罗庚先生邀请,30岁的丘成桐首次回国访问。飞机在北京机场着陆,年轻的数学家忍不住俯身触摸地上的泥土,感受祖国的味道。当时的祖国百业待兴,丘成桐曾在采访中表示,“从我1979年第一次回中国,就想将中国的数学研究搞好。”

上世纪八十年代开始,丘成桐相继招收了几十名留美的中国博士研究生,同时频繁回国讲学,与国内学者交流国际上最前沿的研究工作和成果,推动中国数学进步。

导师陈省身先生和丘成桐一样意识到,要想让中国数学赶上国际先进水平,举办高水平的国际学术活动非常重要。1980年,丘成桐参加了陈省身先生牵头在中国召开的微分几何和微分方程国际大会,并提出了100个几何难题,鼓励中国数学家努力攻克。1998年,丘成桐发起组织了国际华人数学家大会,大会所设奖项因其严格和权威性,被誉为“华人菲尔兹奖”。2002年,2006年他两次邀请好友著名物理学家霍金来华演讲,分享物理学最前沿的问题,给国内学界带来巨大影响。2013年,在他的倡导下,清华三亚国际数学论坛创办,为探索新的研究方向,发展新的理论,培养优秀数学人才和提高中国数学研究水平提供了一个重要的国际平台。

2018年丘成桐参加三亚会议-Machine Learning in Geometry and Physics

丘成桐深知,中国要成为数学强国,人才培养至关重要。他分别与香港中文大学、中国科学院、浙江大学、东南大学、清华大学等地合作,先后创建了8个数学研究中心,培养青年才俊。为了维持这些中心的运营,他常常帮忙四处筹款,但自己却不支取一分薪酬。

他还发起了丘成桐中学科学奖、丘成桐大学生数学竞赛等科学奖项,强调对数学的研究兴趣要从中学抓起,强调要培养大中学生的独立创新思维。

2017年丘成桐为第八届丘成桐大学生数学竞赛获奖者颁奖

近年来,丘成桐逐步将工作重心放在2009年成立的清华大学丘成桐数学科学中心上,在他的带领下,清华数学科学专业 QS 排名由 2009年初创时的第 96 名,上升到 2021 排名第 18 位,在全国高校中国际排名第一,目前中心师资队伍包括2位菲尔兹奖得主、3位院士、3位美国数学会会士,2位全球前十最具引用价值的数学家,已经成为具有重要国际影响力的科研中心。

2021年,清华大学“丘成桐数学科学领军人才培养计划”推出,面向从初三至高三具有数学天赋的学生,不拘一格选拔人才。为保障这一计划开展,2021年3月,清华大学求真书院成立,丘成桐担任院长,他为这些精挑细选的“好苗子”设计了一个为期八年的“通才”培养方案,并提倡以大师来培养未来的大师,在他的邀请下,菲尔兹奖获得者以及美国国家科学院院士、欧洲科学院院士等大师级学者走上求真书院的讲堂。

2021年,菲尔兹奖得主考切尔 · 比尔卡尔(Caucher Birkar)教授全职加入数学中心

2022年4月,从哈佛退休后,丘成桐回国,成为清华大学讲席教授,全职进入清华工作。在丘成桐看来,在恩师陈省身他们那一代,中国实现了成为世界数学大国的愿望,而他最大的愿望是让中国成为数学强国。他认为,中国要成为领先世界的国家要先成为数学强国,因为数学是许多学科的基础,只有成为数学强国,中国的基础研究才有望大规模突破,科技创新才有望改变被卡脖子的状态。他希望通过清华求真书院的探索,在8-10年内培养出一批不必出国取经,完全在中国本土成长起来的世界一流学者。在《求真书院奠基志》中他这样写到:“期以三载弦歌,五年科研,从此头角峥嵘,引领筹学风骚,拓展科学领域,毋负天下之厚望也。”

丘成桐与清华大学求真书院2022级本科生合影

本文所引用的古体诗均为丘成桐先生诗作。

本文参考:

丘成桐/史蒂夫·纳迪斯《我的几何人生:丘成桐自传》

腾讯网《“数学皇帝”丘成桐:我一生从未放弃追寻至真至美》

新浪看点《渴求智慧和成功的人,都在用心品读他的人生传记》

数理人文《丘成桐:我在柏克莱读书的岁月》

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