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刚刚逝世的这位“两弹”功臣,曾经“出差”北京二十年

撰文 | 倪忆(加州理工学院数学系教授)

1998年5月4日,北京大学成立100周年纪念大会在人民大会堂举行。这不仅仅是北大一所学校的盛会,在中国高等教育史上也有着深远影响。最高领导人在会议上作了重要讲话,随后出台的支持高等教育的“985计划”就是以这一讲话的发表时间来命名。在大会上发言的北大校友代表是物理系49届毕业生于敏院士。笔者当时是大一新生,在电教跟师生校友们一起收看直播。然而笔者心中有一个疑问:“于敏是谁?”

2003年,彭桓武(左三)和于敏(左四)参加北大物理90周年庆典 (图源:北大新闻网)

这个疑问在今天已经不成为一个问题。于敏是中国氢弹设计的头号功臣,中国使用的氢弹构型便被称为“于敏构型”。但在1998年,于敏这个名字也不过刚刚解禁十年,而他在氢弹研制过程中起到的作用,要到1999年他被政府授予“两弹一星功勋奖章”后才逐渐揭示出来。所以当时不知道于敏的名字,并不说明笔者孤陋寡闻。笔者请教过一位出身物理世家的物理系同学,他当时也不知道于敏的身份。(前几年,何祚庥院士曾经写过一篇文章《何祚庥忆于敏:当之无愧的氢弹构型最主要发明者》,详细回顾于敏等人从物理基本原理出发,从无到有地建立起氢弹构型的经历。)无独有偶,笔者在北大读书期间,有一位数学界的前辈周毓麟院士多次来校参加“数学文化节”的学生活动,还作过一个题为《高性能计算技术及其应用》的普及报告。周院士本人非常低调,很随和,没有架子。他当时已经年近八旬,作报告时仍然中气十足、一丝不苟。前辈风范,令人高山仰止。但周毓麟这个名字对于绝大部分学生来说恐怕非常陌生,我们事先除了知道他是做计算数学的院士,对于他的个人经历、学术成就几乎一无所知。

那么,周毓麟是谁?

周毓麟院士??,1923.2.12―2021.3.2(图源:中国科学院院士文库)

建功核武

要了解一个人,先看看他交往的朋友。周毓麟先生是做什么的,看看这两张照片里,他都跟谁谈笑风生,就大致能明白了。

邓稼先和周毓麟 (图源:中国科学报)

1992年,李德元、于敏和周毓麟 (图源:中国科学报)

周毓麟院士生前工作于中国工程物理研究院,而后者的前身是二机部核武器局(九局)与核武器研究所(九所)合并组建的"二机部第九研究设计院",俗称“九院”。九所有一个理论部,主任是邓稼先,还有七名副主任,合称理论部“八大主任”。周毓麟先生是其中的一位副主任。1982年,《原子弹氢弹设计原理中的物理力学数学理论问题》荣获国家自然科学一等奖。荣誉证书上有9位列名者,就是九院副院长彭桓武和理论部“八大主任”,排名顺序是彭桓武、邓稼先、周光召、于敏、周毓麟、黄祖洽、秦元勋、江泽培、何桂莲。这九人中有四位数学家:周毓麟和江泽培来自北大,秦元勋和何桂莲来自中科院数学所。周毓麟的本行是偏微分方程;秦元勋是哈佛博士,解放战争时期就参加了革命,本行是常微分方程;江泽培曾留学苏联,本行是概率统计;何桂莲是理论部最早的副主任,承担了大量的行政工作。中国研究原子弹早期,苏联专家留下了一个原子弹模型的关键参数。1960夏开始,周毓麟指导和组织九所精确计算组的科研人员用计算尺、手摇计算机和半自动计算机等简陋工具先后计算了九次,得到的数据都跟苏联专家的不一样。九所内部为此争论了几个月,实验和理论部门都参与了进来。1961年,刚从苏联归国的周光召用"最大功原理"首先推翻了苏联专家的数据,然后周光召与周毓麟到上海用电子计算机验证,证明中国科技人员的“九次计算”是正确的。1963年,周毓麟带领科研小组用不同方法验算,再次否定了苏联专家的数据。

“九次计算”是中国第一颗原子弹理论突破的标志性事件,锻炼了队伍,树立了良好学风,也坚定了中国人独立自主研制原子弹的信心。

大型油画《当代英雄》再现了“九次计算”的历史场景(前排左起周毓麟、邓稼先、彭桓武、周光召、程开甲、朱光亚、郭永怀、秦元勋,左1、2、3后的三名人物代表着包括胡思得、傅樱在内的众多年轻人)(图源:中国科学报)

“九次计算”仅仅是周毓麟先生对核武器研究贡献的冰山一角。他在长达20年的时间里,在核武器理论的数学研究里做出了一系列重要贡献。有兴趣的读者可以查看参考文献[1],其中有更详细的介绍。

三次改变研究方向

周毓麟先生原籍浙江镇海,1922年生于上海。1945年,他毕业于上海大同大学数学系。1946年起,他在中央研究院数学研究所追随陈省身先生学习拓扑学,当时一起的同门师兄弟还有吴文俊和廖山涛。(参见《不谙英文的数学院士,居然是正牌海归?》)1948年下半年,数学所搬迁到台湾。周毓麟不愿意去台湾,也不愿意出国,就在陈省身先生的推荐下,于1949年北上到清华大学工作。1952年院系调整后,周毓麟转至北京大学。

2000年,吴文俊、陈省身和周毓麟 (图源:中国科学院院士文库)

1954年,周毓麟和另外一位北大教师张芷芬被选派到莫斯科大学留学。当时周毓麟在拓扑学上已经颇有成就,但为了国家需要,他决定转行学习微分方程。到莫斯科后,先期抵达的留学生黄敦看到周张二人都要学微分方程,于是他说:“周的数学基础好,就学偏微分方程,张就学常微分方程”。这句话决定了周毓麟日后的学术道路。他的导师奥列尼克(Olga Oleinik, 1925―2001)比他还年轻,日后当选了苏联科学院院士。周毓麟与导师合著的关于B流方程的论文成为该领域的经典文献。他是新中国学习偏微分方程理论的第一个留学生。1957年,周毓麟获得副博士学位后,在北京大学开设了非线性偏微分方程专门化学习班,培养了一批人才。

奥列尼克(图源:MSRI)

1960年,周毓麟被调至九所参与原子弹研究。他上午刚刚教完课就接到调任通知,下午便到九所报到。为了核弹攻关,他转向研究数值模拟和流体力学,指导和组织了核弹研发中大量计算和编程工作。1978年,陈省身先生回国讲学。他提到中国的偏微分方程理论研究与世界先进水平有很大差距,希望中国数学家能迎头赶上。受陈先生的激励,周毓麟决定第三次改变研究方向,重新开始偏微分方程的研究。他涉猎偏微分方程的多个领域,发表了一百多篇论文。

出差”北京二十年

1969年,为了备战备荒,国家将九所从北京迁往四川省绵阳市梓潼县曹家沟。然而,曹家沟的工作、生活条件过于简陋,连大型计算机都不能使用,根本无法从事理论研究。九所的人员在曹家沟停留了一个月,被迫回到北京。然而,九所原先的办公生活设施在此期间已经被别的单位挤占了一部分,人员户口也迁到了四川。从此九所人员不得不以“出差”的名义留在北京。

因为缺乏办公楼和宿舍,只能十几个人共用一间办公室,两三家共住一套房。七十年代杨振宁先生回国访问,要求到邓稼先和周光召家中拜访。上级临时把邓稼先和周光召所住两套房子中其余住户迁出,还从单位搬来很多家具和书籍装点门面。

1974年于颐和园,左起黄昆、邓稼先、黄宛、周光召、杨振宁

今天的人可能很难想象户口不在北京意味着什么。在那个年代,全所上千口人的粮票都要每月派专人去四川梓潼领回来。肥皂、洗衣粉这样的日用品没有户口买不到。就医挂号、子女入学就业都是大问题。而在上级领导看来,九所不肯搬迁到四川是贪恋大城市生活,周光召甚至因此被罢免所长职务,永久离开了核武器研究领域。九所拥有中国第一台大型晶体管数字计算机109丙机。在九所迁往曹家沟时,周毓麟被上级安排了搬计算机的任务。但这台计算机根本不能搬动,一搬就散架。于是上级又让周毓麟去上海接收一台新机器。周毓麟说:“那台机器一试机就出错!我们拒绝接收,造反派不放我们走,说我们破坏‘文化大革命’!我们问上级,那以后我们做计算,提供两个数据,行不行?上级说当然不行。”由于被安排了临时任务,周毓麟没来得及随所搬迁,但他家的行李已经打包寄往四川,并在随后的混乱中丢失,直到1990年才找回。在“出差”北京的艰苦条件下,九所完成了核弹小型化、中子弹等理论研究任务,为中国打破超级大国的核讹诈做出了卓越贡献。1989年,经中央领导直接过问,九所终于将户口迁回北京,结束了“出差”北京二十年的历程。

“拓扑好几次救过我的命!”

笔者大学时听周毓麟先生的讲座,印象最深刻的是他说的一句话:“拓扑好几次救过我的命!”这话当然是有所夸张。周先生想说的是,尽管他只是在学术生涯的早期做过几年拓扑研究,拓扑学在他后期的科研经历中还是几次起到了关键作用。周先生当时并没有讲述相关的具体事例,然而公开资料中可窥一斑。周毓麟先生最主要的研究领域是偏微分方程。不同于我们在中学里学到的代数方程,偏微分方程里需要求解的未知量不是数,而是函数。偏微分方程的求解比代数方程困难得多,很多情况下甚至连有没有解都很难判断。在一些特殊情况下,我们不需要解方程就能判断有没有解,甚至得到解的一些性质。举个例子,对于多项式

我们不需要求根就知道它在[0,1]区间里一定有一个实根。这是因为f(0)=-1,f(1)=1,当x从0连续地变到1时,f(x)的值连续地从负数变到正数,中间一定有一个时刻f(x)=0.拓扑学是一门研究连续性的数学分支。利用拓扑学,我们可以类似地研究更为复杂的方程。例如,代数基本定理告诉我们,任何一个非常数的复系数一元多项式都有至少一个复数根。这个定理有很多种证明,其中一种就利用了拓扑里的“环绕数”。(关于环绕数的介绍,参见《绳结魔术、脱单仪式和癌症治疗》。)周毓麟院士早年写过一篇论文,用拓扑方法把代数基本定理推广到了“八元数”上。拓扑学不仅仅可以用来研究代数方程,在微分方程中更是大有用武之地。上世纪三十年代,波兰犹太裔数学家绍德尔(Juliusz Schauder)和法国数学家勒雷(Jean Leray)率先使用拓扑方法研究了一类偏微分方程解的存在性。(勒雷后来在纳粹战俘营里革新了拓扑学,见《战俘营里的大学》。绍德尔则被盖世太保杀害。)拓扑方法后来被布劳德(Felix Browder)等人发扬光大,成为微分方程研究里的重要工具。2020年获得诺贝尔物理学奖的彭罗斯(Roger Penrose),其获奖工作就是用拓扑方法研究爱因斯坦场方程,在数学上证明了奇点的存在性。(彭罗斯使用的工具比勒雷―绍德尔理论要简单很多,不过基本思想是一样的。)

周毓麟先生在苏联留学时,导师起初不太放心他的学习。在一次考试中,周毓麟被一道题难住了。他突然灵机一动,想到一个使用拓扑方法的巧妙证明。这个新颖的证明让导师和其他老师对他刮目相看。他在留学期间,创造性地将拓扑方法应用于非线性偏微分方程整体解的研究。后来回国在北大任教期间,以及八十年代回归偏微分方程领域后,他均广泛地使用了勒雷―绍德尔不动点定理等拓扑方法。

1962年3月中国原子弹进展到起爆元件(俗称“瓦片”)的研究阶段,首先要回答的一个问题是需要多少块瓦片才能拼成一个球形结构。在此之前的1953年,美国的罗森堡夫妇遭指控为苏联窃取核情报,被执行死刑。当时案件报道中说原子弹的球形结构是36块拼凑起来的多边形。但中国科学家们在研究时,却发现36块根本合不成那种特定的球形体。秦元勋、周毓麟等人用拓扑方法去论证,解决了这个问题,不是36块而应该是32块。

在研制“两弹”过程中,周毓麟先生或许不止一次使用过拓扑方法,但这就不是笔者能够揣度的了。

巨星陨落

周毓麟院士获得过许多荣誉。除了前面提到的1982年获国家自然科学一等奖,他还是1985年名为《原子弹的突破和武器化》的国家科学技术进步奖特等奖的主要完成人之一,并在1987年获国家自然科学奖三等奖。他1991年当选中国科学院院士,1996年获何梁何利基金科学技术进步奖,1997年获华罗庚数学奖,2006年获苏步青应用数学奖特别奖。他1990年至1995年担任中国计算数学学会理事长,后继续任名誉理事长。2021年3月2日,周毓麟院士与世长辞,享年98岁。他在纯粹数学和应用数学上成就非凡,而他为大国重器作出的贡献更值得我们铭记。他是真正的当代英雄!

周毓麟院士千古!

主要参考文献

[1] 沈隆均、袁光伟,周毓麟,《20世纪中国知名科学家学术成就概览・数学卷(第2分册)》[2] 吴明静,建功核武的数学家周毓麟院士:采数学之美为吾美,《中国科学报》 2016-09-26[3] 吴明静、王燕,核武器故事:有一种记忆叫“出差”北京20年,《中国科学报》 2018-11-19[4] 郑悦萍、吴明静,从纠谬原子弹理论突破的故事说起,《中国科学报》 2020-10-16

[5] 老科学家学术成长资料采集工程,难忘“九次计算” | 老一辈科学工作者对待科学的态度与精神,微信号“中国科学家”

[6] 张锁春,试论秦元勋教授在“两弹”(原子弹、氢弹)突破中的贡献

本文经授权转载自微信公众号“普林小虎队”。