【本文由“落雕都督”推荐,来自《丘班的学生几乎都是走“门路”进去的》评论区,标题为落雕都督添加】
基础数学的突破,需要的是像机床迭代一样,现在到了数学天才组织起来,用好算力等装备,对客观世界的现象进行降元,提炼出规律与方法,再将这些交给数学应用,全民普及。
但现在数学,像机床一样组织吗?机床中的高精度母机,能指望天才拍脑袋拍出来吗?需要一个机床行业养着,一代一代地向更高精度迭代,需要新的加工方法。
数学也一样,能指望天才,一下就能解决问题吗?现在需要基础数学解决的问题,已经远远超出一个数学天才能理解运用的范围,原始数据多少都不知道,怎么降元,怎么形成规律,原始数据靠想像、靠直觉行吗?现在要靠高精密装备测量。所以数学首先是全员都学的职业基本能力,然后才是将高水平人力资源组织起来,突破更高数据维度的降元方法,将更难的问题,降解成可工业化解决的问题。
典型的核聚变的问题解决就是典型一个高维度的数学问题。
1. 相空间天然高维
单个带电粒子在托卡马克 / 仿星器中运动:
位置 $(x,y,z) 维 + 速度 $(v_x,v_y,v_z) 维 = 6 维单粒子相空间;
上亿等离子体粒子耦合,统计描述直接升维,动理学方程(Vlasov 方程)定义在 6 维相空间;
若考虑碰撞、磁场拓扑、粒子种类(电子、氘、氚、杂质离子),维度进一步暴涨。
2. 磁约束几何是弯曲高维流形
聚变装置磁场不是平直直角坐标系:环形磁场、磁面、磁岛、撕裂模对应弯曲微分几何(黎曼流形),需要高维微分拓扑、张量分析描述磁场拓扑结构;
三维托卡马克(有误差场、环向不对称)直接抛弃二维简化,全场求解是三维几何耦合多变量方程。
3. 耦合偏微分方程组构成高维非线性系统
聚变等离子体同时联立:
麦克斯韦电磁方程组(磁场、电场耦合粒子)
磁流体 MHD 方程组(密度、压强、流速)
输运方程(热扩散、粒子扩散)
辐射、核反应速率方程
变量包含:电子温度、离子温度、粒子数密度、环向 / 极向磁场、流体速度、辐射功率、杂质浓度等十几个耦合变量;
方程高度非线性、多尺度耦合(微观电子回旋尺度~宏观装置米级,跨 6~9 个数量级),数学上属于无限维非线性动力系统。
4. 湍流与混沌:高维混沌理论
等离子体湍流是约束损失核心根源,属于高维混沌:自由度成千上万,低维混沌理论完全失效,必须用高维奇异吸引子、多尺度小波、高维概率统计、随机过程描述输运涨落。
5. 数值求解依赖高维计算数学
模拟聚变装置需要离散高维相空间 / 几何空间,涉及:
高维有限元、谱方法、粒子网格 PIC 算法
高维矩阵线性代数(千万阶稀疏矩阵求解)
高维优化:磁场线圈构型优化、约束参数多目标优化(几十维参数空间寻优)
求真书院(丘成桐数学中心)干这些事吗?
他想干的是提供数学工具和方法给物理人干,但这现实吗?基础突破都没有干好,都能总结出数学工具与方法了?这不是想当然吗?