統計物理學家加入西湖大學

　　“準備好迎接美妙的公式了嗎？”

　　這是理學樓里的一間小教室，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奏，不知從哪里召喚出一連串數學公式。

　　黑板、講臺，思考、運算，是他的舒適區。

　　近日，統計物理學家湯雷翰全職加入西湖大學，任理學院及交叉科學中心講席教授，并建立統計物理與復雜系統實驗室。

　　湯雷翰是美國物理學會會士，主要從事平衡和非平衡系統統計物理學研究。他巧妙地運用重整化群的思想和方法，解決了多類含雜質系統序的奇異標度特性。

　　網上搜索“湯雷翰”，往往是上面這段內容，普通人能看懂的寥寥，似乎這個名字只跟學術文章里的模型、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，轉換為公式推導。”

　　奔跑中的水分子

　　湯雷翰感興趣的不是一般的系統，而是“復雜系統”。

　　什么是復雜系統？

　　盡管字面意思就不簡單，但試著簡單理解的話：

　　復雜系統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，為什么當溫度發生變化時，水的結構會產生如此大的變化？這個過程中發生了什么？”

　　這種情況下，研究單個水分子的意義就不大了，他需要關注的是一群水分子——當溫度升高或降低時，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，集體行為常常是復雜且難以預測的。

　　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規矩矩。

　　事實上，100多年前，奧地利物理學家玻爾茲曼就發現，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，便出現了“統計物理學”。也就是說，科學家不再盯著具體的每一個原子分子，而是用統計的方法去把握它們的集體行為。

　　這便是湯雷翰的專業領域。

　　湯雷翰本科畢業于中國科學技術大學空間物理專業。恢復高考的那一年，他才16歲，剛讀高二，對大學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，也是聽老師的……

　　入學時，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，曾得期末最高分”。但他覺得當年自己的物理知識是淺薄的。

　　“物理與數學很不一樣，物理需要更多的沉淀，需要對自然現象有深入的理解和認識，數學則更依賴邏輯思維。”湯雷翰回顧說，在物理這條路上，如果不做實驗，不與真實的系統接觸，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，被美國卡內基梅隆大學錄取，這種機會在那個年代彌足珍貴。

　　在美國，他開始學習統計物理學，導師Bob Griffiths是領域內的大佬，治學嚴謹。這是一個需要扎實數學功底的物理學分支。充滿對理論物理的崇仰，湯雷翰開始仔細閱讀組里在相變及臨界現象領域的文章，誰知導師卻建議他關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系統相關的純理論研究。這個數值與解析方法并用的經歷，對他后面的發展產生了深刻的影響。

　　“從那時起，我開始通過特定模型的深入分析來研究復雜系統，考慮怎么樣把數學理論與真正關心的實際物理系統結合起來。”他說。

　　更令人興奮的是，這個世界上，復雜系統與人類活動息息相關——從細胞到宇宙，從鳥群到臺風，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雜系統中。甚至人類自己的身體，以及物競天擇的進化過程，都是復雜系統。

　　而數學與復雜系統的組合，也注定了湯雷翰的研究不會聚焦在某一個固定的方向，他需要不斷學習新知，需要和不同學科的人合作。

　　這是一個天然的交叉學科。

　　劇場里響起掌聲

　　湯雷翰1987年從卡內基梅隆畢業，直至1996年接受第一份教職前，有一段長達8年的博后經歷——

　　先是在美國加州大學圣巴巴拉分和德克薩斯農工大學，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、科隆大學理論物理研究所工作。

　　“那段時間對我的學術成長很有幫助。”他說，幾乎每個月都有不錯的學術活動，“歐洲不大，我經常坐火車去巴黎和附近其他城市訪問，也去劍橋待過半年，認識了很多同樣做統計物理的朋友。”

　　再后來，短暫地在英國帝國理工學院Blackett實驗室擔任一段時間講師后，湯雷翰于1997年加入香港浸會大學物理系，歷任副教授、教授。

　　前面講到復雜系統包羅萬相，但湯雷翰的興趣逐漸聚焦到“生命”上。他帶領團隊與生命科學領域的實驗科學家合作，開發出一系列統計物理學的定量工具和模型，通過研究大量微觀個體的集體行為，揭開復雜系統的面紗，為生命科學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年諾貝爾物理學獎獲得者喬治·帕里西，曾用風靡全球的桌游《大富翁》，來類比研究復雜系統的模型工具。

　　《大富翁》是一種社會模型，它要比真實的商業世界簡單，但保留了買賣土地、開發房產、賺取租金、拍賣抵押等現實中的規則，同時通過擲骰子和抽卡牌的方式，將入獄、破產等少量“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，當我們玩這個游戲的時候，會發現富人越來越有錢，直至壟斷市場，其他競爭對手破產。這個局面，是在每一輪游戲最后，必然會出現的。

　　湯雷翰所研究的，就是設計和分析能重現生命過程核心運行規則的“大富翁”模型。

　　目前，他已經在微生物代謝、蛋白質凝聚體的形成和潤濕、細胞群體運動及與發育相關的生理過程等方面，取得了若干原創性成果。

　　你一定有過這樣經歷：當走進一個不透光的房間，一開始伸手不見五指，但只要在里面待上一會兒，眼睛會逐漸適應環境，慢慢地竟能看見一些了。

　　2019年，湯雷翰與學生王壽文共同發表了一篇文章，他們建立了一種模型，描述的就是這類現象背后的機制：一群具有感知適應性的細胞，是如何通過適應不同的信號頻率，最終產生集體振蕩。

　　可以想象在一個劇場里，每一個細胞都是一個觀眾，劇場里座無虛席。一場演出結束，觀眾開始鼓掌，一開始掌聲并不太齊，每個人有每個人的節奏；但只需一會兒，全場的鼓掌節奏會趨近一致。在一些更加特別的場合，比如喊“安可”的時候，節奏感尤甚。

　　從細胞的集體行為出發，到復雜一點的器官，再到更復雜的整個生物體……跨越微觀與宏觀的研究，讓我們不斷接近生命的本質。

　　巨人們的肩膀

　　湯雷翰的研究，對數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，與復雜的真實世界截然不同。但現代物理學的發展，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。

　　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”。“我才知道物理是這么學的，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，去了解發展的脈絡，去了解當年發現原理的物理學家們是怎么想的……”

　　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。

　　現在我們回到文章的標題，走進包圍我們生活的復雜系統——城市化、氣候變暖、可持續發展、人工智能、轉化醫學——是哪一項定義了21世紀，眾說紛紜。可以肯定的是，生物學、復雜系統、人工智能，讓21世紀的科學家，踩到了跨學科研究的爆發點。

　　AlphaFold橫空出世，為人們理解這種“爆發”提供了一個直觀案例。

　　人類科學家在過去積累的海量且規范的蛋白質結構數據，為AlphaFold提供了“肩膀”。而基因組學、蛋白質組學、代謝組學等領域的發展，積累了海量實驗數據，再加上人工智能預測數據的加入，為物理學、生物學、人工智能的交叉學科研究提供了“肩膀”。

　　這也是西湖大學打動湯雷翰的地方。

　　湯雷翰畫過一張草圖，試圖在西湖大學找到復雜系統研究的爆發點。圖上有三個圈——

　　第一個圈是生命科學學院，這里的人擅長研究生物體的方方面面；

　　第二個圈是理學院，這里的人擅長運用數理化工具構建模型；

　　第三個圈是工學院，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西湖大學的消息。

　　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之后，全職加入西湖大學，主聘在生命科學學院。他記得，學生是這樣說的：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”，并得出初步結論：

　　“這里有一群聰明、揣著夢想的人。什么是好的學術環境？這就是。我不敢說自己每天都學到了新的東西，但這個機會就擺在那里。”

　　那是怎樣一群人呢？

　　一群學術水平卓越的人，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，使得對生命系統的研究有可能成為物理學的一部分，而不僅僅被看作是物理學在生物學中的應用，或是若干跨學科的混合體？”

　　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官網上。

　　是什么定義了21世紀，這個問題的答案是什么，到這里已經不太重要了。

　　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努力，是人類關于“從何處而來”這一哲學之問的叩響——

　　收起大富翁的地圖，玩家即刻回歸真實的商業世界。

　　當舞臺的帷幕落下，觀眾走出劇場，終將回歸生活。

　　無處不在的復雜性，無法預知的不確定性，這樣的真實世界是惱人的，也是迷人的。