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“準(zhǔn)備好迎接美妙的公式了嗎？”
這是理學(xué)樓里的一間小教室，差不多20平米，除了一面門一面窗，剩下的兩面墻全是黑板。
相較屋子里其他人的眉頭深鎖，湯雷翰用粉筆在黑板上敲擊出輕快的節(jié)奏，不知從哪里召喚出一連串?dāng)?shù)學(xué)公式。
黑板、講臺，思考、運算，是他的舒適區(qū)。
近日，統(tǒng)計物理學(xué)家湯雷翰全職加入西湖大學(xué)，任理學(xué)院及交叉科學(xué)中心講席教授，并建立統(tǒng)計物理與復(fù)雜系統(tǒng)實驗室。
湯雷翰是美國物理學(xué)會會士，主要從事平衡和非平衡系統(tǒng)統(tǒng)計物理學(xué)研究。他巧妙地運用重整化群的思想和方法，解決了多類含雜質(zhì)系統(tǒng)序的奇異標(biāo)度特性。
網(wǎng)上搜索“湯雷翰”，往往是上面這段內(nèi)容，普通人能看懂的寥寥，似乎這個名字只跟學(xué)術(shù)文章里的模型、定理和公式“長”在一起。
站在寫滿公式的黑板前，湯老師解釋：
“我的研究工作，就是將對真實世界的好奇，轉(zhuǎn)換為公式推導(dǎo)。”
{奔跑中的水分子}
湯雷翰感興趣的不是一般的系統(tǒng)，而是“復(fù)雜系統(tǒng)”。
什么是復(fù)雜系統(tǒng)？
盡管字面意思就不簡單，但試著簡單理解的話：
復(fù)雜系統(tǒng)代表著一類集體行為，特別是有長時間傳承和演化的行為。
湯雷翰從冰箱里取出一瓶礦泉水：“比如水，它既可以是氣體形式，也可以是液體或者固體，為什么當(dāng)溫度發(fā)生變化時，水的結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生如此大的變化？這個過程中發(fā)生了什么？”
這種情況下，研究單個水分子的意義就不大了，他需要關(guān)注的是一群水分子——當(dāng)溫度升高或降低時，水分子之間會有什么互動嗎？這就是“集體行為”。
在真實世界里，集體行為常常是復(fù)雜且難以預(yù)測的。
那瓶水仍然在湯雷翰手里，房間里的熱空氣在瓶身上凝起一層細(xì)密的水珠。此時的瓶子里，水分子正在上竄下跳，它們的運動軌跡并不像我們想象的那么規(guī)規(guī)矩矩。
事實上，100多年前，奧地利物理學(xué)家玻爾茲曼就發(fā)現(xiàn)，熱量的傳遞竟不是絕對單向的，只是熱分子跑得比冷分子快，有更大可能“撞”上冷分子，因此物量從熱物體傳向冷物體的概率要大得多罷了。
把概率引入物理學(xué)，便出現(xiàn)了“統(tǒng)計物理學(xué)”。也就是說，科學(xué)家不再盯著具體的每一個原子分子，而是用統(tǒng)計的方法去把握它們的集體行為。
這便是湯雷翰的專業(yè)領(lǐng)域。
湯雷翰本科畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)空間物理專業(yè)?；謴?fù)高考的那一年，他才16歲，剛讀高二，對大學(xué)是什么完全沒有概念。突擊備考三個月，是聽老師的；填報中科大，是聽老師的；報物理專業(yè)，也是聽老師的……
入學(xué)時，他是班上最小的幾個，“什么事都插不上話”。只有在公布考試成績時，他的名字才變得顯眼，“尤其是量子力學(xué)，曾得期末最高分”。但他覺得當(dāng)年自己的物理知識是淺薄的。
“物理與數(shù)學(xué)很不一樣，物理需要更多的沉淀，需要對自然現(xiàn)象有深入的理解和認(rèn)識，數(shù)學(xué)則更依賴邏輯思維?！睖缀不仡櫿f，在物理這條路上，如果不做實驗，不與真實的系統(tǒng)接觸，就無法開始深刻的思考，無法提出好的問題。
1981年，湯雷翰考上了李政道教授組織的CUSPEA項目，被美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)錄取，這種機會在那個年代彌足珍貴。
在美國，他開始學(xué)習(xí)統(tǒng)計物理學(xué)，導(dǎo)師Bob Griffiths是領(lǐng)域內(nèi)的大佬，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。這是一個需要扎實數(shù)學(xué)功底的物理學(xué)分支。充滿對理論物理的崇仰，湯雷翰開始仔細(xì)閱讀組里在相變及臨界現(xiàn)象領(lǐng)域的文章，誰知導(dǎo)師卻建議他關(guān)注那幾年起步的蒙卡計算模擬，費了很多周折才又回到了與非線性動力學(xué)系統(tǒng)相關(guān)的純理論研究。這個數(shù)值與解析方法并用的經(jīng)歷，對他后面的發(fā)展產(chǎn)生了深刻的影響。
“從那時起，我開始通過特定模型的深入分析來研究復(fù)雜系統(tǒng)，考慮怎么樣把數(shù)學(xué)理論與真正關(guān)心的實際物理系統(tǒng)結(jié)合起來?！彼f。
更令人興奮的是，這個世界上，復(fù)雜系統(tǒng)與人類活動息息相關(guān)——從細(xì)胞到宇宙，從鳥群到臺風(fēng)，從房價升降到政黨選舉，不論是自然界還是人類社會，我們無時無刻不身處在一個又一個復(fù)雜系統(tǒng)中。甚至人類自己的身體，以及物競天擇的進(jìn)化過程，都是復(fù)雜系統(tǒng)。
而數(shù)學(xué)與復(fù)雜系統(tǒng)的組合，也注定了湯雷翰的研究不會聚焦在某一個固定的方向，他需要不斷學(xué)習(xí)新知，需要和不同學(xué)科的人合作。
這是一個天然的交叉學(xué)科。
{劇場里響起掌聲}
湯雷翰1987年從卡內(nèi)基梅隆畢業(yè)，直至1996年接受第一份教職前，有一段長達(dá)8年的博后經(jīng)歷——
先是在美國加州大學(xué)圣巴巴拉分和德克薩斯農(nóng)工大學(xué)，然后來到歐洲，在德國待了7年，先后在于利希研究中心固體物理所、科隆大學(xué)理論物理研究所工作。
“那段時間對我的學(xué)術(shù)成長很有幫助。”他說，幾乎每個月都有不錯的學(xué)術(shù)活動，“歐洲不大，我經(jīng)常坐火車去巴黎和附近其他城市訪問，也去劍橋待過半年，認(rèn)識了很多同樣做統(tǒng)計物理的朋友?！?span style="display:none">WTk即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
再后來，短暫地在英國帝國理工學(xué)院Blackett實驗室擔(dān)任一段時間講師后，湯雷翰于1997年加入香港浸會大學(xué)物理系，歷任副教授、教授。
前面講到復(fù)雜系統(tǒng)包羅萬相，但湯雷翰的興趣逐漸聚焦到“生命”上。他帶領(lǐng)團(tuán)隊與生命科學(xué)領(lǐng)域的實驗科學(xué)家合作，開發(fā)出一系列統(tǒng)計物理學(xué)的定量工具和模型，通過研究大量微觀個體的集體行為，揭開復(fù)雜系統(tǒng)的面紗，為生命科學(xué)研究提供了獨特的視角。
怎么理解這里所說的“工具”和“模型”呢？
2021年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者喬治·帕里西，曾用風(fēng)靡全球的桌游《大富翁》，來類比研究復(fù)雜系統(tǒng)的模型工具。
《大富翁》是一種社會模型，它要比真實的商業(yè)世界簡單，但保留了買賣土地、開發(fā)房產(chǎn)、賺取租金、拍賣抵押等現(xiàn)實中的規(guī)則，同時通過擲骰子和抽卡牌的方式，將入獄、破產(chǎn)等少量“意外”納入模型中。
這款游戲的英文名叫Monopoly，“壟斷”的意思。也就是說，當(dāng)我們玩這個游戲的時候，會發(fā)現(xiàn)富人越來越有錢，直至壟斷市場，其他競爭對手破產(chǎn)。這個局面，是在每一輪游戲最后，必然會出現(xiàn)的。
湯雷翰所研究的，就是設(shè)計和分析能重現(xiàn)生命過程核心運行規(guī)則的“大富翁”模型。
目前，他已經(jīng)在微生物代謝、蛋白質(zhì)凝聚體的形成和潤濕、細(xì)胞群體運動及與發(fā)育相關(guān)的生理過程等方面，取得了若干原創(chuàng)性成果。
你一定有過這樣經(jīng)歷：當(dāng)走進(jìn)一個不透光的房間，一開始伸手不見五指，但只要在里面待上一會兒，眼睛會逐漸適應(yīng)環(huán)境，慢慢地竟能看見一些了。
2019年，湯雷翰與學(xué)生王壽文共同發(fā)表了一篇文章，他們建立了一種模型，描述的就是這類現(xiàn)象背后的機制：一群具有感知適應(yīng)性的細(xì)胞，是如何通過適應(yīng)不同的信號頻率，最終產(chǎn)生集體振蕩。
可以想象在一個劇場里，每一個細(xì)胞都是一個觀眾，劇場里座無虛席。一場演出結(jié)束，觀眾開始鼓掌，一開始掌聲并不太齊，每個人有每個人的節(jié)奏；但只需一會兒，全場的鼓掌節(jié)奏會趨近一致。在一些更加特別的場合，比如喊“安可”的時候，節(jié)奏感尤甚。
從細(xì)胞的集體行為出發(fā)，到復(fù)雜一點的器官，再到更復(fù)雜的整個生物體……跨越微觀與宏觀的研究，讓我們不斷接近生命的本質(zhì)。
{巨人們的肩膀}
湯雷翰的研究，對數(shù)百年前的伽利略來說，是根本無法想象的。
伽利略的物理世界極盡簡化，連摩擦力都沒有，與復(fù)雜的真實世界截然不同。但現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展，沒有回避真實世界的混沌無序，而是將這些看似無序的運動一點一點地梳理清楚，豐滿著我們對這個世界的理解。
這是站在巨人的肩膀上前進(jìn)。
湯雷翰也是到了美國讀博之后，才真正感悟到什么是“巨人的肩膀”?！拔也胖牢锢硎沁@么學(xué)的，不是會做題就可以了，而是需要把原理和問題真正搞清楚，去了解背后的故事，去了解發(fā)展的脈絡(luò)，去了解當(dāng)年發(fā)現(xiàn)原理的物理學(xué)家們是怎么想的……”
只有這樣，才是真正站到了巨人的肩膀上，才能真正看得更遠(yuǎn)。
現(xiàn)在我們回到文章的標(biāo)題，走進(jìn)包圍我們生活的復(fù)雜系統(tǒng)——城市化、氣候變暖、可持續(xù)發(fā)展、人工智能、轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)——是哪一項定義了21世紀(jì)，眾說紛紜?？梢钥隙ǖ氖?，生物學(xué)、復(fù)雜系統(tǒng)、人工智能，讓21世紀(jì)的科學(xué)家，踩到了跨學(xué)科研究的爆發(fā)點。
AlphaFold橫空出世，為人們理解這種“爆發(fā)”提供了一個直觀案例。
人類科學(xué)家在過去積累的海量且規(guī)范的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，為AlphaFold提供了“肩膀”。而基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，積累了海量實驗數(shù)據(jù)，再加上人工智能預(yù)測數(shù)據(jù)的加入，為物理學(xué)、生物學(xué)、人工智能的交叉學(xué)科研究提供了“肩膀”。
這也是西湖大學(xué)打動湯雷翰的地方。
湯雷翰畫過一張草圖，試圖在西湖大學(xué)找到復(fù)雜系統(tǒng)研究的爆發(fā)點。圖上有三個圈——
第一個圈是生命科學(xué)學(xué)院，這里的人擅長研究生物體的方方面面；
第二個圈是理學(xué)院，這里的人擅長運用數(shù)理化工具構(gòu)建模型；
第三個圈是工學(xué)院，這里的人擅長突破人工智能的極限。
三個圈互相交叉，重疊的地方可以做什么，又會爆發(fā)出什么，讓湯雷翰有無限期待。
事實上，從去年夏天開始，湯雷翰的耳邊就不斷傳來有關(guān)西湖大學(xué)的消息。
比如自己帶過的博士生王壽文，在拒掉幾所年輕人向往的大學(xué)之后，全職加入西湖大學(xué)，主聘在生命科學(xué)學(xué)院。他記得，學(xué)生是這樣說的：這里很好，每個人都很興奮。
而他自己，也從今年年初就提前入駐西湖“考察”，并得出初步結(jié)論：
“這里有一群聰明、揣著夢想的人。什么是好的學(xué)術(shù)環(huán)境？這就是。我不敢說自己每天都學(xué)到了新的東西，但這個機會就擺在那里。”
那是怎樣一群人呢？
一群學(xué)術(shù)水平卓越的人，一群彼此獨立又開放合作的人，一群充滿好奇心與探索欲的人。
“是什么改變了，使得對生命系統(tǒng)的研究有可能成為物理學(xué)的一部分，而不僅僅被看作是物理學(xué)在生物學(xué)中的應(yīng)用，或是若干跨學(xué)科的混合體？”
深思熟慮之后，湯雷翰在自我介紹的開篇引用了這樣一句話，它將被放在西湖大學(xué)官網(wǎng)上。
是什么定義了21世紀(jì)，這個問題的答案是什么，到這里已經(jīng)不太重要了。
不論此處填入什么詞匯，時間長河中亙古不變的，是一代又一代人試圖解讀真實世界的接續(xù)努力，是人類關(guān)于“從何處而來”這一哲學(xué)之問的叩響——
收起大富翁的地圖，玩家即刻回歸真實的商業(yè)世界。
當(dāng)舞臺的帷幕落下，觀眾走出劇場，終將回歸生活。
無處不在的復(fù)雜性，無法預(yù)知的不確定性，這樣的真實世界是惱人的，也是迷人的。
（原標(biāo)題：走進(jìn)復(fù)雜系統(tǒng) | 統(tǒng)計物理學(xué)家湯雷翰全職加入西湖大學(xué)）
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