百年清华

挥舞着应用数学的“魔棒”，他横跨流体力学、天体物理学、理论生物学三大领域，永远追求着“第一等的题目”

　　2013年1月13日凌晨4时50分，97岁的林家翘停止了呼吸。

　　巨星陨落，学界震恸。

　　在所有介绍林家翘的文字里，人们都能看到这样的表述：他在流体力学、天体物理学领域取得了巨大的成就。他在86岁高龄，主导建立清华大学周培源应用数学研究中心，并亲自选定将理论生物学中的“蛋白质折叠”作为研究领域。

　　绝大多数人都会觉得奇怪：林家翘的研究生涯，怎么能横跨流体力学、天体物理学、理论生物学三大领域？隔行如隔山，林家翘到底拥有怎样的能力，可以在不同的学科之间纵横驰骋？

　　周培源应用数学研究中心副研究员洪柳是林家翘回国后带的直博生。他说：“老师最重要的头衔是应用数学大师。可以说，是应用数学串起了他的学术生涯，让他在不同的学科游刃自如。”

　　要创作出自己心中的艺术品，作家离不开手中的笔，雕塑家离不开手中的刀，而林家翘，离不开应用数学。因为有了应用数学，他眼中的世界变得和别人不一样。

　　天地玄黄，宇宙洪荒。在林家翘眼里，这无限时间无限空间里的无限万物，从巨大的星系，到躁动的细胞，再到飘忽不定的粒子，都可以用数学符号表达出它们的基本规律。林家翘的使命，就是要用简洁、优雅的数学语言，描绘出宇宙万物的运行原理。

　　哪怕为此穷尽一生，哪怕只能迈出一小步，也要追寻这极致的科学之美。

　　因为，这是他的信仰。

　　自然界的事物基本上都很简单，所有的基础原理及主要问题都可以用数学方式表达。这是应用数学家的信仰。——林家翘

林家翘在清华住所的书房里，背后是导师冯·卡门的肖像

　　捕风捉水

　　1933年，林家翘以第一名的成绩，考入清华大学，并在大二时选择了物理系。1940年，经物理系教授周培源引荐，林家翘来到加拿大多伦多大学，师从著名应用数学家辛吉（J.L.Synge），学习数学物理。1941年，林家翘拿到硕士学位后，来到美国加州理工学院攻读博士学位。

　　这一次，他的导师是冯·卡门。

　　当代科学史上的传奇人物冯·卡门，是航空航天领域的一位奇才，在流体力学上有极高的造诣。同时，冯·卡门也是一位应用数学的实践者和倡导者，一生未婚的他，毕生都在那些光凭经验无法澄清的混沌领域里寻求数学解答。

　　林家翘投入冯·卡门门下不久，导师就为他指定了博士论文题目。那是物理学巨擘海森堡一篇关于湍流的论文留下的“尾巴”。

　　湍流就是乱流，是流体（水、空气等）的一种流动状态。在经典物理中，给定一个物体的运动参数，你可以清楚地知道它将在何时出现在何地。科学家们一直试图在湍流的混乱和互相扰动中建立精确的数学模型，使湍流的世界犹如高速路上汽车的运动一样清晰明了、简洁有序。

　　海森堡的论文，即是对湍流运动中的Orr-Sommerfeld方程的求解，但是他却有一步没有算出来——没有解决平行流的不稳定性问题。这导致他的论算一直存在争议。

　　冯·卡门给林家翘的，就是这样一个题目：彻底解决海森堡遗留的问题，结束争议！

　　湍流之难，犹如捕风捉水，直到今天，湍流仍然是经典物理学“最后的疑团”。物理大师索末菲曾说：“我只指望在我去世前，能有人告诉我量子力学的秘密。”学生们问他：“那湍流呢？”索末菲回答：“那只有到天堂去问圣彼得（耶稣十二门徒之一）了。”对只有二十五六岁的林家翘来说，这是巨大的挑战。

　　要想比巨人看得更远，唯一的选择就是超越巨人。林家翘接受了这个挑战。到1944年，林家翘博士毕业时，已经完成了3篇论文，彻底解决了海森堡遗留的问题。海森堡兴奋异常，他说：“不是有人批评我的论文吗？现在一个中国人给我解决了！”

　　大师自己无法解决的问题，一个小伙子却解决了！林家翘自此响彻学林，他不再是一个无名小卒，而是科学界无人不知的C.C.Lin（林家翘的英文名字是Chia-Chiao Lin）。

　　然而，对林家翘来说，这次研究最大的收获，不是获得了赫赫声名，而是深刻感受到了他在清华读书时就接受的熏陶：“永远追求第一等的题目”。“做科学研究，就一定要在最前沿的领域找题目，只有这样，才能获得最有意义的突破。”林家翘说。

　　这一理念，林家翘坚守终身。1965年，林家翘和清华校友、历史学家何炳棣相聚。林家翘对他说：“咱们又有几年没见啦，要紧的是不管搞哪一行，千万不要做第二等的题目。”

　　回到清华创办应用数学研究中心以后，林家翘亲自为中心确立了研究方向：理论生物学中的蛋白质折叠。周围的人都倍感惊讶，林家翘却告诉大家，如同20世纪的物理学革命推动了人类社会大发展一样，“21世纪是生物学的世纪，所以我最近这几年的努力，都是在这个方向”。

　　当然，他也没忘了把自己最宝贵的经验告诉年轻的清华学子。在给他们做讲演的时候，林家翘说：“做科研始终要关注那些热点的前沿问题，你们要‘赶时髦’啊！”

　　年轻的学生们笑了，然后，掌声一片。

青年时期的林家翘

　　追星撩尘

　　“除了逻辑本身，世上不会再有比数学更对的东西。因为数学就是逻辑最严格的表述。”洪柳说。

　　这是数学家的自信。科学界也公认，依靠严密的逻辑推理所进行的数学证明，一经证明就永远正确。

　　正因如此，在数学家眼里，物理学、化学、生物学、天文学等自然科学都是经验科学。应用数学的任务，就是利用数学，帮助经验科学建立最严密的逻辑结构。

　　说起来容易，但是要真的建立起严密的数学模型，使之在任何条件下都与实际观测相符，又谈何容易？

　　上世纪60年代，林家翘就面临着这样的挑战。

　　那时，林家翘正在全力研究天体物理学界的“缠卷疑难”问题。每个旋涡星系都有旋臂。传统上，人们一直认为旋臂是星系的物质组成部分，里面的天体是固定不变的。但如果是这样，由于旋涡星系内部的自转角速度大于外部的角速度，因此，旋臂应当越缠越紧，最终将使星系中的所有天体如同纺锤上的线一样，完全“缠绕”在一起。而实际上，这个现象并不存在，这就是“缠卷疑难”。天文学界数十年来无法为其提供合理的解释。

　　林家翘则认为，旋臂不是物质而是密度波。经过艰苦的计算，他建立了螺旋密度波理论。按照该理论，旋臂是恒星、尘埃等天体绕星系中心运动时空间分布较密集的区域，两个旋臂之间较暗的部分，则只有较少的天体。组成旋臂的天体并非始终处于旋臂中，而是有进有出。换句话说，人们看到的旋臂，是密布其中的恒星发出的光，而非星系长出的“肢体”。

　　密度波理论模型搭起来了，但是到底对不对，还要靠实际来验证。台湾天文学家袁旗当时是林家翘的学生，跟着林家翘搞观测。老师的大家风范给袁旗留下了深刻的印象。

　　有一次，袁旗算出了一个数值，然而将这个数值代入理论模型后，银河系的猎户臂始终无法与理论模型吻合。如果不能合理解释这个问题，就意味着模型是错的。林家翘大胆提出，猎户臂不是银河系的主旋臂，而是一个枝节，因此不完全适用于模型。如今，这一论断已被天文学界广泛接受。对此，袁旗始终“不知道他怎样能得出这样一个大胆的结论”。

　　密度波理论正式公布后，立刻震动国际天文学界。大量的观测支持了林家翘的理论。曾有人对密度波提出反对意见，林家翘立刻用相关概念反驳，并和几个学生一起建立了相关概念的完整理论模型，使密度波成了颠扑不破的理论。这令袁旗感慨：“他的成功绝非偶然。在温文尔雅的外貌下，他是如此强韧，如此有竞争力！”

　　从1940年到1970年，30年间，林家翘连续攻克两大科学难关。如果说湍流研究是捕风捉水，那么建立密度波理论就是追星撩尘。在人类探寻自然奥秘的征程中，林家翘一鸣惊人、再鸣惊天，奠定了自己在科学史上的地位。

　　凭借这两项研究成果，林家翘成为公认的应用数学大师。1962年，林家翘当选美国国家科学院院士；1972年，林家翘当选美国工业和应用数学学会主席；1975年，为表彰林家翘对应用数学和力学的巨大贡献，美国机械工程学会为他颁发了国际力学界的最高成就奖——铁木辛哥奖。

　　然而，与密度波理论创建过程中的一项发现相比，这些荣誉，就变得无足轻重。

　　因为这项发现，关系着林家翘、以及所有科学家毕生追求的一个梦。

　　一个终极之梦。

林家翘在讲解星系螺旋密度波理论

终极之梦

　　在密度波理论的创建过程中，林家翘发现，密度波与湍流存在某种规律相似性。这意味着，长达几万、十几万光年的旋臂，可能与地球上随处可见的水、空气有着相同的运动规律。

　　既然如此，在这千变万化的物质世界里，有没有一种理论，包含着“造物主”所有的奥秘，描述着自然界一切现象的最本质规律？

　　找到自然界不同现象背后的大一统规律——这就是所有科学家们的终极之梦。

　　怀着这样的梦想，林家翘在科学的道路上砥砺前行。他曾说：“物理学所有的定理都可以用数学公式在一张纸上表示出来。人类的智慧坚持用简单的概念阐明科学的基本问题，所有的科学问题在本质上都是简单而有序的。”

　　当他回归清华后，在为数不多的几次媒体采访中，他很简单地表示，21世纪是生物学的世纪，如果可以取得成果，将有力推动清华大学应用数学的研究。

　　研究中心副研究员孙卫涛起初也这样理解。但是在和林家翘几次深谈之后，孙卫涛发现，这背后，有着更深层次的科学原因。

　　原来，林家翘已经洞悉了蛋白质结构折叠问题背后自然规律的端倪。他认为，能量在蛋白质不同尺度之间传递分布的规律，与湍流的某种规律有异曲同工之妙。“从湍流理论到密度波理论，林先生已经成功实现了一次不同领域间相同数学规律的探寻。经历了近70年的科学探索，凭借深厚的学术功底和卓越的科学眼光，他又一次信心十足地选定了最具科学前景的方向。”孙卫涛说。

　　林家翘依然做着他的终极之梦。

　　他以耄耋高龄，再次激扬于科学潮头。林家翘先后阅读了蛋白质折叠的几本名著。他在书中的每一章节都做了详细的标注，几年下来，书里贴满了大大小小、层层叠叠的便签。这成就了他引以为豪的一个绝活：不用翻书，就能准确指出某一结论出自哪本书的哪一章节哪一段落。这一点，让研究中心里的年轻人都自愧不如。

　　也是在这段时间，他发现国内的“应用数学”与真正的应用数学有很大的偏差。这让他忧心如焚。曾有一些数学教授来拜访，结果林家翘因为国内数学学科的混乱，冲着他们说了一堆难听话，搞得别人再也不敢前来。

　　在他眼里，应用数学的薄弱“对整个科学的发展非常不利，非常不利”。他在回国两年后，才第一次接受电视媒体的专访，原因无它，正是因为他觉得不得不站出来说话。

　　他不厌其烦地向人们阐述着“应用数学”和“纯数学”的区别，讲着“应用数学”和“实用数学”的区别：“导弹上天、火箭发射需要的计算，是实用数学。而应用数学是要主动提出研究对象中的科学问题，通过问题的解决加深对研究对象的认识。”

　　他不能不为此担忧。周培源应用数学研究中心刚成立之时，没招来几个学生：大家一看挂着“应用数学”的招牌，以为只是帮助其他学科搞计算，全躲开了。

　　而跟他熟识的人，正潜移默化地受着他的感染。中国科学院院士李大潜是国内的应用数学专家，每次到北京必来拜访林家翘，深受林家翘影响。孙卫涛曾大量阅读林家翘的论文，在林家翘严谨的数学推导和缜密的理论分析下，一个个自然难题迎刃而解，令孙卫涛不禁想起了庄子笔下的“庖丁”。

讲述学术人生

　　生生不息

　　再伟大的科学家，都只能洞悉自然规律，却无法抗拒它。

林家翘老了。

尽管他不服老，尽管他曾为了表达人们为他安排保姆的抗议，拿椅子把卧室的门顶住，以至于人们不得不搬来他的侄子把门锁撬开，他还是无可避免地老去了。

　　老去的标志之一是怀旧。回归清华后，林家翘坚持用周培源的名字命名研究中心——那是影响他一生的恩师；他在自己的书房内挂着冯·卡门的肖像——是他，把自己带到最前沿的科学领域，让他从此纵横驰骋。

　　他亲自为研究中心选址。他选中的地方，是清华大学“科学馆”。这幢建于1919年的三层小楼，是著名的清华早期四大建筑之一。当年，林家翘就是在这幢楼里，和同学们、老师们一起度过了自己的清华岁月。

　　天气好的时候，他会坐着轮椅，让人推着他在清华园里四处转转。图书馆、大礼堂，这些老建筑记载着林家翘的青春岁月。他在这里，第一次喝到咖啡、红茶，第一次吃到冰激凌，他还记得食堂松软的玉米面馒头，还记得深秋时图书馆台阶旁的大盆菊花。上世纪30年代，尽管华北已听得到日寇侵略的炮声，但小小的清华园，却是林家翘心中的世外桃源。

　　他会给本科生们做讲座，他告诉这些年轻人：“研究自然科学是没有终点的，可以作为一生的目标及一生的事业。”他每周四都要来研究中心主持课题讨论，即便刮风下雨，即便秘书劝他让学生们来家里，他依然坚持前来，因为他不想耽误学生一点时间——尽管他的家就在学校，离中心并不远。

　　2012年10月26日，他在家中跌倒，随后被送入北京协和医院。那是他和清华的告别。2013年1月13日凌晨，他与世长辞。

　　林家翘的伯父林旭，曾与谭嗣同等人参与戊戌变法，是著名的戊戌六君子之一；人们耳熟能详的华裔诺贝尔奖获得者杨振宁、李政道，数学大师丘成桐、陈省身，是他的好友；与林家翘同拜冯·卡门为师的，还有钱学森、钱伟长、郭永怀，他们并称冯氏的四大中国弟子。冯·卡门曾对郭永怀的夫人李佩私下说，他的学生中，郭永怀最用功，林家翘最聪明。

　　尽管如此，对大多数人来说，他的名字依然陌生。

　　其实，知不知道他的名字，以及他的那些研究成果，对你的生活来讲，意义真的不大。

　　现代科技带给你的便利，跟他似乎没有太大关系。只是，当突然有一天，你的双眼从IPAD、电脑上玩不完的游戏、处理不完的工作里离开，开始注视你熟悉又陌生的大自然，你会看到世界向你打开一扇窗，窗外是人类自产生智慧以来，就不断思考的问题：宇宙到底是什么样子？星空有什么奥秘？生命是如何诞生的？……

是的，它无关你现世的生活。它只是人类怀有的对宇宙万物天然的好奇心。那是在宇宙的空间里，唯一已知的智慧生命——我们，发出的渺小但是坚定的呼喊：我们是谁？我们从哪里来？我们要到哪里去？

这是那扇窗带给我们最美丽的景色，这是我们永恒的探索。如果是这样，请你记住林家翘的名字。这个名字和所有那些伟大人物的名字一样，曾经带领我们，在穷究宇宙终极之理的道路上，迈出了小小的、坚实的一步。

　　在林家翘去世后，远在美国的丘成桐，用特快专递的形式，寄来自己请人书写的挽联。挽联上书：“用数如神，究星河之形，通水波之变，宏业堪为后世则；竭诚谋国，传西哲学风，荫中华学子，水木长留国士魂。”

　　他的灵堂设置在科学馆的小会议室里。旁边的墙上，贴着长长一列唁电。发来唁电的，既有国家最高领导人，也有科学界的诸位同行。年轻的学子们则自发制作了照片墙，贴上千纸鹤和心形的卡片，写满了对林家翘的悼念。他在美国工作过40年的麻省理工学院，也特意制作网页，表达对他的哀思。

　　1月14日，北京下了一场小雪。那天下午，清华大学物理系教授龙桂鲁，带领自己的6名研究生来到灵堂，恭恭敬敬地向林家翘的遗像三鞠躬。

　　研究生们并没有和林家翘打过交道。他们只是知道，自己曾有一位师兄，做过一些了不起的事。

　　吊唁完毕后，在龙桂鲁的带领下，6名学生排成一队，穿过科学馆狭长的走廊离开。

那条走廊，周培源走过，叶企孙走过，钱伟长走过，郭永怀走过，陈芳允走过，王大珩走过，年轻的林家翘走过，坐着轮椅的林家翘，也走过。

如果真的存在量子物理所说的“平行宇宙”，也许，在那个时空里，林家翘正坐着轮椅停靠在旁边，微笑着看着这些年轻人擦身而过。

在探索自然奥秘的道路上，前辈们筚路蓝缕。如今，轮到他们，沿着前辈开辟的道路，继续前行。

这就是生生不息。

（记者 高毅哲）

小传

　　1916年7月7日生于北京。

　　1937年毕业于清华大学物理系，留系任助教。

　　1939年考取了庚子赔款留英公费生。由于欧战爆发，改派赴加拿大留学。

1941年，在多伦多大学取得硕士学位。然后到美国加州理工学院，师从冯·卡门，于1944年获得博士学位。

1951年成为美国国家艺术和科学院院士。

　　1953年成为麻省理工学院教授。

　　1962年成为美国国家科学院院士。

　　1966年当选为麻省理工学院第一位华人学院教授。

　　1975年，美国机械工程学会为他颁发了国际力学界的最高成就奖——铁木辛哥奖。

1977年获得美国国家科学院应用数学和数值分析奖。

1979年获得美国物理学会的第一个流体力学奖。

　　1994年当选为中国科学院首批外籍院士。

　　2002年，回到母校清华大学定居，创办周培源应用数学研究中心并任名誉主任。

　　2007年，将其在美国的部分财产捐给母校，设立“林家翘、梁守瀛学术研究基金”。

　　2013年1月13日，在北京逝世。

　　手记

他和他代表的科学精神

　　1月14日下午，我和周培源应用数学研究中心主任雍稳安坐在科学馆林家翘简易的灵堂边。为了不影响别人办公，灵堂里的哀乐声调得很小。在隐隐约约的哀乐声中，我问雍稳安：“该怎样评价林家翘的一生？”雍稳安沉思片刻，说：“林先生是一个真正的科学家，他尽到了一个科学家的本分。对林先生这样的科学家来说，探索自然界的奥秘，是他们终生的追求。”

　　科幻作家刘慈欣有一篇短篇小说叫《乡村教师》。故事讲的是黄土高原上的一名乡村教师，痛感愚昧对人们生命的束缚，在生命的最后时刻，依然在给山里孩子讲解牛顿三大定律，希望他们能领悟到人类智慧凝结的最美之花。结果就在当晚，懵懂的孩子们用三大定律回答了外星人提出的问题，使外星人确认地球存在高级别的智慧生命，从而使地球免于星际战争的灭顶之灾。

　　这样的故事当然永远不会发生。但从本质上讲，这名乡村教师和林家翘是一样的。那就是他们都具有科学精神。

　　一个人拥有了科学精神，就意味着他对人类取得的所有知识成果存有敬畏之心，对自然界无穷无尽的奥秘存有探索之心。而我们又是多么幸运，在宇宙浩瀚的星海中，在这颗小小的蓝色星球上，生活着唯一已知的智慧生命——我们。这其实是“造物主”赋予人类的特权。

　　科学并不枯燥。在丘成桐悼念林家翘的挽联上，有这样一句话：“用数如神，究星河之形，通水波之变，宏业堪为后世则。”究星河之形、通水波之变，这在中国神话里，是只有神仙才能做的事。对林家翘来说，他从中获得了无以伦比的快乐。也正是这样，他在86岁高龄，又将目光投向理论生物学领域，试图再次挥舞应用数学的“魔棒”，探寻自然界的基本规律。从流体力学到天体物理学，再到理论生物学，无一不是当时最前沿的科学领域。这符合他的信条：“永远做第一等的题目”。他相信，只有在“第一等的题目”里，才能获得最具突破性的成果。这是科学对他的魔力。

彻底摆脱受自然界力量盲目支配的状态，成为自然界的主人，这是人类的终极之梦。有理由相信，当下的中国，正处于基础科学大爆发的前夜。我们要做的，就是像林家翘和那位乡村教师一样，怀着对人类智慧的骄傲和敬畏，点亮一个又一个孩子的灵魂，让他们清澈的眼神，投向头顶深邃的星空。

（高毅哲）

转自《中国教育报》2013年1月18日