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科技强国始于重视数学

来源:科普时报 字号: [ 大 ] [ 中 ] [ 小 ]

 6月7日下午,高考数学考试结束,关于“高考数学”的话题迅速登上微博热搜,评论区一时成为大型回忆现场。不少网友自嘲道:“被数学支配的恐惧又回来了”。而实际上,与往年相比,今年高考数学有不少亮点:倡导理论联系实际,学以致用等。

也许高考离我们逐渐远去,但数学一直在我们身边。信息安全离不开密码学;物流、交通和智慧城市离不开运筹学;互联网技术离不开傅里叶变换;现代化战争的定量化分析、建模离不开概率统计;甚至世界上任何一枚火箭的设计制造都离不开齐奥尔科夫斯基公式;油气勘探、天气预报、海啸预测亦离不开数学……几乎所有的重大发现都与数学的发展与进步相关,数学已成为航空航天、国防安全、生物医药、信息、能源、海洋、人工智能、先进制造等领域不可或缺的重要支撑。

在前几次科技革命中,数学大都起到先导和支柱的作用。第一次科学革命是以哥白尼的“日心说”为代表, 后经开普勒、伽利略, 特别是牛顿等一大批科学家的推动而完成。微积分基本定理的建立和《自然哲学的数学原理》的完成影响着经典自然科学的所有领域。

被称为19世纪自然科学三大发现的能量守恒与转化定律、细胞学说和进化论,是第二次科学革命的主要内容。

19世纪末到20世纪初第三次科学革命应运而生,X射线、电子、天然放射性、DNA双螺线结构等的发现,极大改变了人类认识自然、了解世界的手段,而相对论和量子力学的诞生则正在使人类科技文明进入新的历史阶段,物理理论体系自此登上另一座高峰。毋庸置疑的是数学在这次科学革命中发挥了举足轻重的作用:相对论的建立离不开黎曼几何,量子力学的诞生更离不开概率、算子、特征值、群论等基本数学概念和结论。由此观之,数学的研究在人类科技文明史上作出了巨大的贡献。

三次技术革命引领了工业时代,而数学引领了技术革命。第一次技术革命是蒸汽机和机械的革命,第二次技术革命是电气和运输的革命,第三次技术革命是以原子能技术、航天技术、电子计算机应用为代表的革命。虽然我们很难说出其中哪一项发明直接来自数学,但19世纪和20世纪数学家们发展了常微分方程、偏微分方程、变分学和函数论等数学分支,并且通过这些学科的发展极大推动了工业革命,实现了国家工业化。

数学实力往往影响着国家实力,数学强国必然是世界强国。17至19世纪,英、法、德三国的国家发展史就是一部辉煌的数学史:17世纪英国牛顿发明了微积分,引起了数学史上的一次革命,英国因此站在了世界数学的桥头堡,走向“日不落”帝国。法国由于具有优秀的数学文化传统,一直屹立于世界强国之林。而纵观19世纪德、法争雄,在数学上的无声较量更是风起云涌,最终德国哥廷根成为世界数学中心,走向世界强国行列。俄罗斯数学从19世纪开始崛起,到了20世纪苏联时期成为世界数学强国之一,其在与卫星相关的数学领域位居世界前列,1958年发射的第一颗人造地球卫星更是震撼了全世界。一言以蔽之,数学基础研究必须建立在国家发展战略层次之上,必须要有数学发展的宏观思维去引导国家建设。

时代的发展呼唤数学。芯片虽小,技术含量却极高。在芯片设计、制造的繁复流程中,每个微小差别都可能使芯片性能产生巨大差异。虽然科学家们在寻找描述半导体特性的数学方程上有所突破,但是只能借助计算机得到近似解。就如何求得精确解,仍是困扰数学家们的一大难题。而随着对芯片要求的提高,寻找更优的计算方法越发显得重要和紧迫。除了芯片,在对新型燃料电池、高端装备和高端制造影响深远的材料科学领域中,也在呼唤着数学。如离散几何分析极有可能助力对纳米多孔材料的研究,这一材料在新型催化剂的研发上有广泛的应用前景,而新型催化剂又有可能助力攻克氢燃料电池的应用难题,从而带来新一轮的汽车革命。如今大热的人工智能领域,数学缺席的瓶颈感也格外明显。

数学的发展呼唤人才。欧几里得,以其《几何原本》中严密的逻辑和精巧的架构启迪着一代代的科学家;笛卡尔以其天才的坐标系思想、方程思想和函数理念流传至今;牛顿和莱布尼茨以其创建的微积分,使得物理规律可以通过数学方程来精确定量描述,从而引发了各大学科的革命。而我国数学家丁小平先生则进一步把数学人才分为帅才与将才。他认为作为对科学进行总体布局、规范模型、引领发展的帅才,其缺乏是制约我国科学进步的根本性原因之一,并且呼吁广大数学工作者争做帅才,拥戴帅才。数学的不断前进,依赖于一代代数学研究人才的涌现和甘于坐冷板凳的精神。

科技强国始于重视数学。高考作为全国第一大考,数学的改革是我国在数学学科建设上的战略举措。而我国数学的发展不仅要国家自上而下地推动,更需要我们每位青年人能肩负着中华民族伟大复兴的光荣使命,打好基础,修学储能,从而夯实基础数学研究这个“地基”,筑起国家核心竞争力这座“大厦”,把我国的科技水平引领上新的高峰。

(作者系北京师范大学数学科学学院基础数学研究生)

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