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科学家精神独立,人类才不会陷于虚妄
发表时间 2017-10-23 15:14 来源 本站原创

  ——记中科院测量与地球物理研究所研究员柳林涛

  “正是科学家的存在,人类才不会陷于虚妄。”这是中科院测量与地球物理研究所研究员柳林涛博客上的一句话。在他的博客上,有很多这样的格言警句,透露着独立思考的智慧光芒。

  比如对于高手寂寞,他如此说:绝世高手内心最深的感受是孤独。这种感受,如狼孤奔于空旷原野,如人独立于苍凉冰峰。……对于一个顶级科学家而言,当他因为好奇心而追求真理因创新心而改造世界的时候,他是一个彻底的唯物主义者。而当他追问自己的好奇心和创新心是从何处而来的时候,他只能将这种好奇心和创新心的源头归为神圣。好奇心和创新心是人类发展的动力源泉。……追求真理和改造世界是神圣而有趣的,这是很多顶级科学家共通的心境。当然,普通人也知道,滥用好奇心和创新心是会犯罪的,顶级科学家们更知道这一点。因为他们深深地懂得:追求真理和改造世界的最终目的是服务生灵。

  单看这些文字,我们会以为这是出自像卢梭、叔本华那样的哲学家之手,因为每一句都是至理名言,掷地有声。

  从某种意义上,除了科学家的身份之外,柳林涛其实还是一个哲人,同时也是一个诗人。这是因为他一直拥有“自由之思想,独立之精神”这种超脱的品质。就像一个绝世高手,只有超出人云亦云的凡俗陋见,才有可能寻觅到真理的踪迹,从而让人类避免于虚妄。

  钟情数学,始于迷恋

  柳林涛,博士,中科院测量与地球物理研究所博士生导师,研究员。美国加州大学洛杉矶分校UCLA高级访问学者,德国洪堡基金获得者,中科院“百人计划”入选者,新世纪百千万人才工程国家级人选。现任中国测绘学会大地测量专业委员会副主任, 曾任IAG地球动力学和大地测量学小波特别研究组成员。

  柳林涛多年来一直致力于数据分析理论与地学信号提取研究,主要学术贡献有:(1)发现了新的逆小波变换公式,该发现突破了传统小波容许条件的限制,可以给出更为一般的小波概念;(2)发现了时频分析中的无为原理,在此基础上提出了标准时频变换概念NTFT,为时频分析提供了标准工具;(3)指明了海洋总是抑制大气对于地球周年极移的激发。曾获中科院自然科学二等奖 (参加者)、中科院武汉分院院长奖学金奖、中科院武汉分院十大杰出青年、湖北省自然科学优秀论文特等奖 (在共计6224篇参赛论文中排名第一)、洪堡研究奖学金,全国百篇优秀博士论文指导教师奖(宝洁奖)。主持和参与了国家多项科研项目,在国内外学术期刊发表SCI/EI论文40多篇。

  柳林涛的成功历程或者说成长经历,对每一位青年科技工作者在价值观评判、治学态度、得失取舍方面,都有非常重要的参考价值。

  柳林涛自己说他迷恋数学,这份迷恋是从十几岁就开始了。当时,身为高中数学教师的父亲给他买了一套堆起来足有一尺高的数理化自学丛书。柳林涛对其中的物理,化学部分兴趣不大,却深深地被数学吸引了。尤其是平面几何,在少年柳林涛看来简直是乐趣无穷的游戏,尤其严密的逻辑推理让他无比惊奇。从那时起,柳林涛开始认为抽象的逻辑(而不是实践)是证明真理的一种途径,而且至今他依然这样认为。他对自己的这个认识进一步概括为:真理与真理之间若存在逻辑关系,那么,可以依据这些逻辑关系推理出新的真理而不必用实践去检验或再发现之。例如,勾股定理显然是真理,它是通过也只有通过逻辑推理被证明是真理的,任何测量勾股弦的实践都不能上升为一种对勾股定理的证明。基于这样的认识,他不认为“实践是检验真理的唯一标准”,因为对于那些基于真理和逻辑推理而得到的新真理而言,实践的检验是多余的或仅仅是有趣的。数学启迪了柳林涛关于理论与实践的辩证思考,一个十几岁的少年能有这样的独立思辨,足见其思想的大胆和思考的深度。柳林涛并非轻视实践,他认为实践是发现(而不是证明)真理的重要(而不是唯一)的途径。

  自学完平面几何之后,柳林涛又自学了解析几何,并对其中的三角函数非常着迷,感觉三角函数间的转换关系像变魔术一样好玩。一切都出于兴趣,他根本没有想到自己成年后的学术重心——和谐分析(即调和分析)实质上就是建立在三角函数的基础之上。因兴趣而打下扎实的基本功,柳林涛“无心插柳柳成行”。

  对数学的迷恋使柳林涛少年时就渴望成为一个有作为的科学家,他风趣地宣称自己“分不出这种渴望与渴望见到想见到的女孩在强烈程度上有什么区别。”

  迷恋数学的同时柳林涛开始了他的文学爱好。读古诗、看《少年文艺》和写日记是他迷恋数学之外的“三大爱好”。迷恋数学和爱好文学使柳林涛不知不觉地“丢失”了星期天与节假日。星期天与假日从此成为他自学的大好时光。直到现在,柳林涛仍未建立起星期天与节假日是休息娱乐时间的概念。虽然现在学术上似乎已经到了“不用拼命”的时候,但每到星期天与节假日,他依然保持着浓厚的学习、工作兴趣,并且“积习难改”。这个习惯占用了和家人团聚的美好时光,虽然不见得应该百分百肯定,但从治学角度而言,这无疑使他终身受益。

  坎坷科研人生路

  一个勤奋又天赋不错的少年,考上大学应该不成问题,即使在“千军万马过独木桥”的时期。柳林涛的大学入学经历却充满喜剧色彩。1986年,柳林涛因为参加全国数学竞赛并获鼓励奖,被保送到同济大学应用数学系。保送进入同济,这在当年是多少考生梦寐以求的好事,但柳林涛却感到有点冤, 因为他参加当年全国统一高考,考分571 (当年清华和同济在山东的录取分数线分别为570和560),而考分超出同济大学录取线11分,还“疑似”占了保送的便宜。

  尽管基础不错,大学期间也很用功,但柳林涛大学时成绩并不突出,原因是中学时从不交作业,造成眼高手低,大学便只好努力恶补动手做作业的“功夫“。“作业”几乎成为一种负担,但柳林涛不屑于抄作业,总是独立思考后能做多少做多少,这是他的自尊和倔强。虽然学得辛苦,但柳林涛壮志未改。面临毕业,柳林涛清醒地认识到自己应该继续深造,而不是急于工作挣钱。

  这个决定后来遭到父亲反对,但最终父亲还是在母亲劝说下做出了妥协。这是柳林涛的幸运。比这更幸运的是,他的硕士研究生入学“沾了光”。柳林涛这样描述自己的“幸运”:“由于64政治风波的影响,国家教委根本来不及组织1990年全国研究生统一考试,当时的政策是各高校自行选拔研究生并可向外推荐。我无疑沾了这项政策的光,因为我如果参加全国英语统考很可能通不过。系里给有读研愿望的学生按以往数学成绩排了序,我幸运地成了‘孙山’,即有读研资格的第六名也是最后一名。我没有名落孙山还要感谢那些比我优秀得多却没有选择读研的同学们……”阴差阳错,柳林涛成了中国科学院武汉分院测地所的一名研究生。从此,柳林涛开始正式接触大地测量学领域。

  大地测量是一门研究地球大小,形状、重力场、自转和形变的学科,其中为地球建立一个参考系并在该参考系里实现定位与导航是该学科的一项重要使命。古代伟大的科学家僧一行测量子午线长度的努力可以视为我国最早的大地测量实践之一,牛顿与笛卡尔关于地球是横椭还是竖椭的争论是重要的大地测量史上的事件。目前美国已经建立的GPS (全球定位系统)和我国正在建设的北斗导航系统也隶属于大地测量学科。

  柳林涛开始感兴趣于“离偏微分方程最近的大地测量边值”问题,他的硕士论文《地球形状研究新探》便是这一兴趣的产物。论文中关于“在空间建立一个水准面以用于确定地球形状”的主题思想在理论上完美可行,但由于思想太超前让同行看来扑朔迷离。撰写硕士毕业论文是柳林涛学术生涯的开始,论文的不被理解带给让他依稀感到学术之路的艰辛。

  硕士毕业后,柳林涛受“下海”浪潮冲击决定放弃学术之路,“下海”挣钱。半月之后,“挣钱”生涯宣告结束,他最终发现自己的精神归宿是科研院所。正为自己的错误选择懊悔时,伯乐出现了,认定了柳林涛是一棵科研苗子的测地所所长朱耀仲(曾任中科院武汉分院院长)坚持召他回所工作。柳林涛终于迷途知返,回到学术轨道上来。

  1995年柳林涛开始攻读博士学位研究生,师从我国大地测量学开拓者许厚泽院士。许泽厚院士告诫柳林涛“一定不要局限于数学,要把数学应用到大地测量中来。”之后的科研工作中,柳林涛一直遵循恩师的教诲,他惊奇地发现:恩师的教诲不仅让他丰富了大地测量知识,更加深了对应用数学的理解。

  虽然师出名门,柳林涛接下来的学术之路充满坎坷。1998年,他的学术论文《一族新型标准正交小波基》 (A new family of orthonormal waveletbases)发表了。他将这篇论文的学术贡献表述为:给我一个大于1的实数,我就能相应构造出L2 (R)空间中的一个正交小波基。这之前该领域最好的成果,美国女科学家Daubechies的贡献为:给Daubechies一个大于2的偶数,她能相应构造出L2(R)空间中的一个正交小波基。显然,柳林涛能够比Daubechies构造出更多数目的正交小波基,但是,柳林涛的正交小波基由于非紧支集性而只能是理论上的摆设。这种摆设在学术上是允许的,至少它证明存在有更多的正交小波基。为弥补美中不足,柳林涛努力尝试将小波理论应用于大地测量信号尤其是地球自转变化信号的分析,又发表了三篇SCI论文。

  柳林涛不是多产型学者,他的论文数量不多。2000年,33岁的柳林涛仅凭两篇国际SCI论文被破格提为研究员,足见其学术论文的分量。

  刚过而立之年便成为科学院的研究员,柳林涛感受到的不是荣耀而是压力。这是纯学者内心深处的学术自觉。

  早在1999年完成博士论文时,柳林涛已经隐约感到小波理论中的缺陷。随着不断地对MWT (原始莫雷小波变换)思索,这种隐约的感觉终于在2001年(当时柳林涛在德国做洪堡学者)变得清晰起来。可以准确地证明:1)原始MWT谱存在频率偏移现象,只不过这种频率偏移在实际应用中一般为2%-4%或更小而容易被忽略罢了;2)对原始MWT进行适当修正,所得到的WT谱就能克服频率偏移现象。

  柳林涛把这种修正后的MWT称之为“标准莫雷小波变换” (NMWT),并把它应用到地球极移的研究中去,写成了又一篇得意的学术论文《标准莫雷小波变换及其在地球极移中的应用》。

  柳林涛的这篇论文有三项非常出色的学术贡献:1)提出了NMWT,克服了原始MWT测不准频率的缺陷,为时频分析提供了一种标准或常规工具;2)利用NMWT证实极移中的Chandler摆动只有一个瞬间频率,此结论有益于结束长达60年的关于Chandler摆动具有单个频率或多个频率的争论;3)指明了海洋总是抑制大气对于地球周年极移的激发。出乎意料的是,柳林涛的研究并没有引起应有的学术效应。真理在不为多数人所知的时候是寂寞的。柳林涛并不为他的这一论文至今仍很少被SCI引用而感到苦恼,因为像他这样同时“脚踏极移和小波两条船”(从事两个领域理论研究)的人很少。

  这篇论文柳林涛从德国写到中国,直到2007才被JGR发表。在数度投稿过程里遇到的反对、轻视和嘲弄使柳林涛困惑、焦急、气愤,他竟一度不知该如何持续自己的学术生涯。对于纯学者而言,学术就是他的生命。一个学者身处学术困境,无异于成为精神囚徒。

  因此,虽然柳林涛回国后顺利成为中科院“百人计划”学者,但他仍然非常苦闷。当时,在投稿和反复修改论文期间,原始MWT谱的频率偏移现象正被一些人在实践中认识到,只是他们的论文中既没有给出这种现象的理论证明,也没有从理论上提出相应的改进方法。夜以继日的思考和心理压力致使柳林涛出现精神恍惚,开始“妄想”,不得不三进三出精神病院(每次约两星期)。所幸他最终战胜了所有的反对、轻视与嘲弄而使论文得以发表,仍没有人相信,一个患过精神病的人还会在科研上有所作为。但是,柳林涛相信自己。凭借非凡的毅力,他将自己的学术生命提升到新的高度。

  高手寂寞,终有回响

  论文《TFT:inversion andnormalization》的发表,是柳林涛攀上“信号时频分析领域”顶峰的标志,更是对一个学者意志力的考量。柳林涛认为:该论文使得时频分析理论与应用更加完美。这篇论文由于挑战了经典,其面世历程可谓充满辛酸。从第一次投稿开始,一年多的时间里,六度投稿六度碰壁。柳林涛始终坚信自己的发现与创新价值,从未对自己的成果产生怀疑。 “要是有一名中国专家能理解自己的工作该多好啊!”柳林涛尝试寻找这样的中国专家,但没有找到。身处绝顶,不得不承受“高处不胜寒”的孤独与无奈。

  最终,由于包括审稿者在内该领域最前沿的研究者都看不懂或者不愿意承认柳林涛的成果,论文仍不能在国际学术权威杂志上获得一席之地,只能由湖北科学技术出版社以小册子的形式出版。这让人想起数学天才伽罗瓦,他为一个折磨了数学家们几个世纪的问题找到了真正答案,并开创了一片数学新天地。然而,他的手稿却被大数学家高斯以看不懂为由扔进废纸篓里,直到近20年后才由法国数学家发现他的价值。

  柳林涛很高兴论文终于有了面世的机会。在他看来,“追求理性统一是人的一种精神,它是导致人类许多重要科学发现的最为原始的动力或动机,因而也是人的最为优秀的精神之一。”正是在这种精神的激励下,柳林涛开始尝试统一时频分析的两大工具——加窗傅立叶变换和小波变换,并导致了该论文的诞生。所谓的SCI,所谓的轰动与引用,在纯学者眼里,远比不上探索真理的乐趣及让真理公诸于世更有价值。

  而如今柳林涛的顶峰之作在历经数年坎坷之后,最近终于被国际刊物Applied Mathematics and InformationSciences录用。这意味着:新发现的逆小波变换、新创立的标准时频变换概念和新提出的一个数学猜想即将通过国际刊物面世了。

  近年来,俄罗斯科学家的两篇高端杂志论文,分别发表于2014年和2016年。前一篇论文兴奋地宣布发现一个事实:不用容许性条件,连续小波变换也存在逆变换! 后一篇论文则趁兴描述了这一发现的具体计算落实。这可以算是对柳林涛研究成果的回应,只不过换了另一种语言。

  早在2009年,柳林涛就给出了逆变换公式,但一直被国际专家不重视,以至于俄罗斯人以为自己做出了开创性贡献。

  墙外花开了,看到自己所认真追求的东西在国外有了着落,柳林涛有说不尽的感慨。从2008年发现上述事实开始,他就一直呼吁重新定义小波,而别人都以为他疯了。国内学术界的庸常现状,由此可见一斑。

  柳林涛解释道,小波,其实质就是一个局部波动的信号,这就是小波最简单的定义。而传统小波教义里非要说小波是一个局部均匀波动的信号,即小波的均值(即期望)必须为0,这就是所谓的容许性条件。而柳林涛的发现恰恰证实:这一容许性条件是不必要的。现在可以肯定:俄罗斯人也这么认为。

  柳林涛发现的真理得以国外同行的弘扬,故事似乎讲完了。然而,故事没有完,更让他感慨的故事出现在俄罗斯人的第二篇论文里。

  那篇论文的第一段话就定义了一个标准小波变换(标准时频变换的一种),该小波变换竟然采用了L1-norm形式!而这正是柳林涛多年来一直建议而不见回音的。传统小波变换可都是定义于L2-norm下呀!

  论文的第二段话道出做出这种“调整”的理由:这种变换可以将一个和谐信号的频率和相位确定出来。天哪,这不就是说他们也发现了无为原理了吗?!

  经过反复研读这开篇的两段话,柳林涛确信俄罗斯人也摸索到了无为原理,只是表达仍然不直接。而且他们业已认识到:为了使得无为原理成立,他们必须对小波变换进行“特别调整”(especially adjusted)。柳林涛2002年发现无为原理后用了一个长篇论文在JGR(2007)来描述这一事实,而俄罗斯人在14年之后用了两段话概括了。

  多少年来,柳林涛一直建议对小波变换的定义做出变革,原因在于无为原理的发现,但国际反应似乎寥寥。而今,在俄罗斯人的论文里,无为原理连同与之相关的标准小波变换竟然这么体面地出现在开篇段落里,但他们并不知道他们描述的事实已经被柳林涛揭示了。

  柳林涛多年苦苦守卫的无为原理在被不少中国人确认并应用之后,终于被俄罗斯人再次印证,他内心是高兴的,这种高兴已经不用喜悦来描述,只能说:真理终是要发光的,只是发光的时间的早晚而已和发光的地点的不同而已。

  柳林涛再次重申:无为原理是重要的,它是时频分析的基石,任何脱离无为原理的线性时频变换都是不完美的。至少,目前俄罗斯人已经认识到这一点了。考虑到无为原理的存在,在时频分析时,连续小波变换必须定义于L1-norm下,而不能像传统连续小波变换那样定义于L2-norm下。这一点对于小波应用者来说是至关重要的,因为,MATLAB中的连续小波变换依然采用L2-norm,对于时频分析来说是不适用的。

  从小波的重新定义到小波变换的变革,这两点是柳林涛近几年所一直倡导的,而如今这两点墙外开花,在俄罗斯茁壮生发,不能不让柳林涛感觉到一种骄傲。

  高手寂寞,高处不胜寒,孤独是一种必然。好在尚有人间温情陪伴,这就显露出科学家柳林涛诗人的一面,比如这首《赠妻子》,就写出了他生性浪漫的另一面:

  梅花争艳寒冬季, 鸿鹄虚怀纵天时。不负池塘春来碧,伊人垂钓烟柳迷。

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