2008年的春天,似乎比往年来得更踌躇一些。三月已至,北京城外的山峦依旧残留着冬日的枯黄,只有杨柳枝头那一点点几乎难以察觉的鹅黄嫩芽,以及空气中那一丝若有若无的、属于泥土解冻的湿润气息,在悄然诉说着季节的更迭。
半山村那悠闲从容、与世无争的田园时光,如同一个温暖而悠长的梦境,终究还是到了醒来的时刻。在家中度过了完整而温馨的春节和正月后,张诚,这位不满十四周岁的少年,告别了依依不舍的亲人,再次踏上了返回北京的归程。
家乡的黄土地、父母的叮咛、爷爷奶奶慈祥的目光、弟弟崇拜的眼神,以及乡邻们那质朴而真挚的赞誉,都化为了他心底最深沉温暖的底色和最坚实的后盾。当他乘坐的车辆再次驶入那处位于京郊、戒备森严的基地,看到那栋熟悉的、在初春略显清冷的别墅时,他的眼神已然恢复了往日的沉静与深邃,仿佛一泓深潭,吸纳了所有的光芒,只为映照出更遥远的星空。
短暂的休整,清理掉身上最后一丝年节的烟火气后,张诚的生活迅速回归到了那种高效而纯粹的轨道。李静细致地打理着他的起居,赵伟高效地处理着积压的事务性工作,陈刚则如同最忠诚的哨兵,重新构筑起宁静的屏障。别墅里,那种属于深度思考的、凝重的静谧,再次成为了主旋律。
书房,再次成为了他的主战场。窗台上的绿植经过一个冬天,愈发青翠欲滴,仿佛也在等待着主人新一轮的智慧浇灌。张诚站在巨大的书桌前,目光扫过书架上那些按照他的意志排列整齐的、代表着人类数学与物理智慧结晶的典籍,最终,落在了那空置已久的白板上。
是时候,开始新的征途了。
系统的终极任务——在六年内解决剩余五大千禧难题——依旧沉甸甸地压在心头。时间已经悄然流逝了一年,虽然成功攻克了杨-米尔斯存在性与质量间隙这一座宏伟堡垒,但剩下的四座,每一座都绝不轻松。
他没有过多的犹豫和权衡,目标清晰而明确。在白板光洁的板面上,他拿起笔,用力地、清晰地写下了下一个需要征服的名字:
纳维-斯托克斯方程存在性与光滑性问题
(Navier-Stokes Existence and Smoothness)
这是一个与杨-米尔斯问题风格迥异,但难度和重要性同样位居顶峰的难题。如果说杨-米尔斯问题关乎着微观粒子世界的深层结构,那么纳维-斯托克斯方程(简称N-S方程)则掌管着宏观世界中,从江河湖海到大气环流,从血液流动到飞机翱翔,几乎一切流体运动的底层规律。
N-S方程是一组描述粘性牛顿流体运动的非线性偏微分方程。问题的核心在于:从数学上严格证明,在三维空间及给定的、物理上合理的初始条件下,N-S方程的解始终存在,并且始终保持光滑(即没有奇点产生);或者,找出一个反例,证明在某些条件下解会在有限时间内产生奇点(如速度趋于无穷大),从而导致模型失效。
这个问题的难度,在于方程极强的非线性和复杂性。湍流——这个“经典物理中最后一个尚未解决的重要问题”——其混乱、不可预测而又蕴含秩序的本质,正是N-S方程在大多数情况下无法求出解析解,甚至其解的性质都难以严格把握的直观体现。
选择N-S方程作为下一个目标,张诚有着多重考量:
首先是基础性与普适性,该方程是流体力学的基础,其解决将从根本上深化人类对流动,尤其是湍流的理解,对气候预测、航空航天、船舶设计、能源环境等无数领域产生深远影响。
与“历史层积动力学”的契合度:流体运动,本身就是最典型、最直观的“历史依赖”和“过程演化”系统。流体质点的轨迹、涡结构的生成与湮灭、能量的级串与耗散……无不强烈地体现了“历史”对“现在”的决定性作用。这与他的框架哲学内核高度一致。
其次是承接了前期的研究工作,在沈阳解决航空发动机压气机失稳问题时,他已深入接触了复杂的流动现象和cFd技术,虽然那次更侧重于工程应用和特定失稳机理,但为他理解N-S方程的复杂性和挑战性积累了宝贵的直观经验和物理直觉。
研究,在回到北京后的第二天便正式启动。
赵伟根据张诚的指示,开始了新一轮大规模的资料搜集工作。这一次的目标,是所有关于N-S方程数学理论、正则性准则、全局适定性、湍流理论、尺度分析、以及所有已知的试图证明或证伪该问题的重大尝试的文献。
书房里,很快又被各种书籍、论文预印本和打印稿所占据。张诚再次进入了那种极度专注的“信息吞噬”和“思维熔炼”状态。他快速浏览、筛选、吸收着前人的智慧结晶,从19世纪斯托克斯的原始推导,到20世纪勒雷、霍普夫等数学大师的奠基性工作,再到近代各种关于部分正则性、小初值全局解、以及各种 blow-up (爆破) 准则的研究。
他清晰地认识到,传统的研究路径大致分为几个方向:有的试图通过寻找某些特殊的“不变量”或“能量不等式”来控制解的增长;有的专注于证明在某种“弱解”意义下的存在性(勒雷-霍普夫弱解);有的则试图在更规则的函数空间中寻找“强解”并证明其持久性;还有的,则是千方百计地试图构造出会产生有限时间奇点的反例。
这些工作浩如烟海,充满了精妙的数学技巧和深刻的洞察,但无一例外地,都未能触及问题的最终核心。N-S方程仿佛一个拥有无穷魅惑的深渊,每当研究者以为抓住了一丝曙光,它便会以更复杂的非线性反馈和更诡异的尺度耦合,将一切简单的希望击得粉碎。
张诚尝试直接应用“历史层积动力学”的框架。他设想将流体的运动,视为在某种由速度场、压力场构成的无限维“状态空间”中,一条受N-S方程约束的“历史轨迹”。他试图定义“层积空间”,刻画“层积动力学”。
然而,初期的工作进展缓慢,甚至可以说是停滞不前。
与杨-米尔斯问题不同,那里有清晰的规范对称性和量子场论的物理图像作为引导。而在N-S方程这里,非线性是赤裸裸的、无处不在的,它直接作用于速度场的导数上,导致即使是在“层积”的框架下,描述演化规律的方程也变得极其丑陋和难以处理。那种在杨-米尔斯问题中,通过引入“层积”概念剥离冗余自由度后显现出的结构美,在这里似乎失效了。湍流的本质,仿佛就是一种极致的复杂和不可分割性。
连续数日,书房里的白板写了又擦,擦了又写,堆满了尝试不同切入点的草稿,但始终无法找到一个能同时兼顾数学严格性和物理深刻性的、令人满意的核心构造。那种熟悉的、面对真正坚硬壁垒时的滞涩感,再次弥漫在空气中。
张诚并没有流露出丝毫的焦躁。他深知,这才是攀登这类巅峰难题的常态。灵光乍现是可遇不可求的礼物,绝大多数时候,需要的是如同矿工般持续不懈的挖掘,是如同雕刻家般对每一处细节的反复打磨。
他改变了策略,不再急于构建宏大的理论框架,而是沉下心来,更加细致地分析N-S方程本身那些最令人困惑的特性。他重点关注那些已知的、最有可能导致奇点产生的潜在机制,比如涡度(流体旋转程度的度量)的剧烈拉伸和放大过程。
他有时会长时间地凝视着cFd模拟中展示的、湍流中那复杂到令人眩晕的涡结构演化动画,试图用直觉去捕捉那隐藏在混沌背后的、可能的深层秩序。他意识到,或许问题的关键,不在于强行“驯服”非线性,而在于真正理解非线性在多重尺度上是如何传递能量、并最终可能导致灾难性聚焦的。
春寒料峭,书房里的灯光依旧常常亮至深夜。张诚如同一位最有耐心的猎手,在N-S方程这片浩瀚而危险的数学丛林边缘,静静地潜伏着,观察着,分析着,等待着那稍纵即逝的、能够一击致命的契机。
他知道,通往真理的道路从来都不是坦途,尤其是在面对湍流这样集秩序与混乱于一身的宇宙基本现象时。上一次攻克杨-米尔斯用了近十一个月,这一次,或许需要更久。但他有足够的耐心和信心,他的“历史层积动力学”框架,其潜力远未被穷尽。他需要找到那把独特的、能够解开N-S方程这把复杂巨锁的钥匙,而这把钥匙,或许就隐藏在对“流动历史”更精微、更本质的解读之中。
征程再启。这一次,他的目光投向了那看似无序、却蕴含着宇宙间最普遍运动规律的湍流深渊,一场新的、同样波澜壮阔的智力远征,已然在这2008年的初春,拉开了沉重的序幕。