普林斯頓教授關(guān)于科研的一些觀點(diǎn)

今年AGU的古登堡講座由Jeroen Tromp教授講授，筆者有幸現(xiàn)場學(xué)習(xí)。講座共計約1個小時，分為兩個部分，第一部分主要講他們組發(fā)明的全球三維波場模擬軟件（譜元法），第二部分講利用該工具進(jìn)行全球尺度的三維全波形反演，醫(yī)學(xué)成像，無損檢測等。

就這兩個工作，筆者認(rèn)為任何一個都非常能打，能如此系統(tǒng)且有用工作實(shí)在讓人佩服。當(dāng)晚，筆者與師兄聊起此講座，師兄告訴我Tromp當(dāng)年很早就成名成家了，30歲就已經(jīng)是哈佛大學(xué)教授（本科畢業(yè)4年拿到博士學(xué)位，其中順便在第二年還拿了一個碩士學(xué)位）。這比現(xiàn)在所謂的，“三十成名，四十成家”還要厲害得多。

他早年主要和其導(dǎo)師F. A. Dahlen研究地球自由振蕩，這是非常理論的工作，非?？简灁?shù)學(xué)功底。后來偶然被數(shù)值波場模擬所吸引，進(jìn)入該領(lǐng)域，做出了非常杰出的工作。

下面，筆者翻譯他去年的采訪稿《揭示地球內(nèi)部的奧秘：與地球科學(xué)家耶羅恩·特龍普的訪談》，這里面涉及他對做研究的一些看法，希望對大家有所啟發(fā)。

采訪原文：Ambrose, D. (2024). Revealing the Earth’s Interior Mysteries: An Interview With Geoscientist Jeroen Tromp. Roeper Review, 46(4), 322-324.

采訪者：唐·安布羅斯（Don Ambrose）

耶羅恩·特龍普（Jeroen Tromp）1966年出生于荷蘭伊爾彭丹（Ilpendam），在鄉(xiāng)村小鎮(zhèn)茲韋洛（Zweeloo）長大。他在烏得勒支大學(xué)（Utrecht University）完成了本科學(xué)業(yè)。

1988年，特龍普移居美國，在普林斯頓大學(xué)師從F. A. 達(dá)倫（F. A. Dahlen）教授學(xué)習(xí)地球物理學(xué)。1992年獲得博士學(xué)位后，他加入哈佛大學(xué)，并于1997年成為正教授。2000年，他離開哈佛，前往加州理工學(xué)院（California Institute of Technology）。在那里，他擔(dān)任地震學(xué)實(shí)驗室主任，直至2008年。由于懷念雨水和東海岸的生活，他重返普林斯頓大學(xué)，目前擔(dān)任布萊爾地質(zhì)學(xué)教授（Blair Professor of Geology）、應(yīng)用與計算數(shù)學(xué)教授，以及普林斯頓計算科學(xué)與工程研究所所長。

他撰寫了兩本關(guān)于理論與計算地震學(xué)的著作、一本關(guān)于幾何張量微積分的書，以及200多篇科研論文。他的研究獲得了美國國家科學(xué)基金會（NSF）、美國國家航空航天局（NASA）、美國能源部（DOE）和美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）的資助，也得到了多個基金會和私營企業(yè)的支持。他曾榮獲美國地球物理聯(lián)合會（AGU）頒發(fā)的馬塞爾萬獎?wù)拢∕acelwane Medal）和歐洲地球物理聯(lián)合會（EGU）頒發(fā)的古登堡獎?wù)拢℅utenberg Medal），并當(dāng)選為荷蘭皇家科學(xué)院通訊院士。

除了學(xué)術(shù)成就，他還熱衷于足球和壁球，也是滑雪、徒步和騎行的愛好者。他育有一女二子，妻子卡特麗內(nèi)爾（Catrinel）是出生于羅馬尼亞的認(rèn)知心理學(xué)家，現(xiàn)任萊德大學(xué)（Rider University）教授。他們與最小的兒子彼得（Peter）居住在新澤西州勞倫斯維爾（Lawrenceville）。

（1）安布羅斯：請您描述一下您所在領(lǐng)域?qū)＜彝ǔ氖履男┕ぷ鳎?/strong>

特龍普：地震學(xué)家通常分為兩類：一類研究地震本身，另一類專注于成像地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。地震地震學(xué)家主要關(guān)注地震災(zāi)害風(fēng)險，而地震層析成像專家則通過繪制地下結(jié)構(gòu)來理解地球的構(gòu)造與動力學(xué)過程。

我的地震學(xué)職業(yè)生涯始于對地震學(xué)理論方面的研究，特別是面波傳播和地球自由振蕩。我和我的博士導(dǎo)師合著了一本名為《理論全球地震學(xué)》（Theoretical Global Seismology，Dahlen & Tromp, 1999）的書。然而，在完成這本書的過程中，我越來越對數(shù)值模擬地震波傳播產(chǎn)生興趣，而不是依賴漸近方法。

如果在我博士畢業(yè)時有人告訴我，十年內(nèi)我們就能在完全三維的地球模型中模擬全球地震波傳播，我會持懷疑態(tài)度；如果有人進(jìn)一步說，再過10到15年我們就能進(jìn)行三維全球波形反演，我可能會認(rèn)為這純屬荒謬。但這些進(jìn)展在過去幾十年里確實(shí)發(fā)生了。

近年來，波形反演技術(shù)取得了顯著進(jìn)步，催生了多種區(qū)域性和全球性的地球模型。這些模型基于數(shù)千次地震的數(shù)據(jù)，由超過一萬個地震儀記錄而成。除地震學(xué)外，波形反演還被應(yīng)用于超聲醫(yī)學(xué)成像、無損檢測、日震學(xué)（helioseismology）以及地球關(guān)鍵帶（critical zone）風(fēng)化研究等領(lǐng)域。

（2）安布羅斯：要在您的領(lǐng)域取得成功，需要具備哪些知識、技能和素質(zhì)（如態(tài)度、性格特征等）？

特龍普：我對這個問題的回答受到加州理工學(xué)院艾弗里宿舍（Avery House）座右銘的啟發(fā)：“創(chuàng)造力、誠信、堅韌”（Creativity, Integrity, Tenacity）。

創(chuàng)造力是學(xué)術(shù)成功的關(guān)鍵品質(zhì)，但它并非總能輕易獲得。根據(jù)我妻子兼創(chuàng)意繆斯卡特麗內(nèi)爾的研究，“施加限制反而能激發(fā)創(chuàng)造力”（即“綠雞蛋和火腿假說”）。在科學(xué)中，有一種概念叫“約束優(yōu)化”（constrained optimization），即在滿足某些限制條件下尋找問題的數(shù)學(xué)解。一個具體例子是“偏微分方程約束優(yōu)化”（PDE-constrained optimization），要求解必須滿足特定的偏微分方程。

誠信是成為受人尊敬學(xué)者的另一關(guān)鍵要素。我非常享受帶領(lǐng)一個高度多元化、國際化研究團(tuán)隊的工作氛圍，大家樂于合作與互助。盡管成員背景、信仰和取向各異，但我期望彼此尊重、相互幫助。友善與和善是加入我們團(tuán)隊的基本要求！

堅韌的重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不為過。我常常憑直覺知道或感知到某個問題的答案，但可能需要多次嘗試才能真正找到它。即使你以為找到了答案，也必須不斷質(zhì)疑和驗證。

我團(tuán)隊中的學(xué)生和博士后擁有廣泛才能、背景和興趣，包括數(shù)據(jù)處理、數(shù)值方法、反演方法、優(yōu)化，以及應(yīng)用與計算數(shù)學(xué)。要成為現(xiàn)代地震學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，這些技能缺一不可。

（3）安布羅斯：要獲得進(jìn)入您領(lǐng)域所需的資質(zhì)和專業(yè)能力，通常需要接受怎樣的教育或培訓(xùn)（如學(xué)位、執(zhí)照、實(shí)習(xí)等）？

特龍普：最成功的地震學(xué)家通常具備扎實(shí)的物理學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。我總是告訴學(xué)生：“數(shù)學(xué)永遠(yuǎn)不嫌多?！闭莆諗?shù)據(jù)分析與處理至關(guān)重要，因為所有地震學(xué)都涉及時間序列分析。我主要指導(dǎo)研究生和博士后，偶爾也會有訓(xùn)練充分的本科生加入我們的團(tuán)隊。

（4）安布羅斯：您是否能想到一位曾幫助您為事業(yè)成功做準(zhǔn)備的老師或?qū)?？?她如何幫助您培養(yǎng)了所需的知識、技能、素質(zhì)或動力？

特龍普：我在荷蘭埃門（Emmen）的一所公立高中就讀。當(dāng)時班級規(guī)模大，學(xué)生很少得到個別關(guān)注，但我的英語老師奧特夫人（Mrs. Otter）是個例外。她注意到我對英國文學(xué)的興趣，便引導(dǎo)我接觸19世紀(jì)文學(xué)，這讓我養(yǎng)成了終身閱讀的習(xí)慣。

同樣，在烏得勒支大學(xué)的前兩年我也未受到太多關(guān)注，直到三年級上了一門由古斯特·諾萊特（Guust Nolet）教授講授的地震學(xué)課程，我才真正發(fā)現(xiàn)自己熱愛將數(shù)學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)世界問題。我的本科畢業(yè)論文就是在諾萊特和他的研究生羅埃爾·斯尼德（Roel Snieder）指導(dǎo)下完成的，他們強(qiáng)烈鼓勵我去美國攻讀研究生。

這促使我來到普林斯頓，有幸與F. A. (“托尼”)·達(dá)倫（Tony Dahlen）教授合作。我們共同發(fā)表了多篇科研論文，并合著了前述那本書。托尼實(shí)行“開門政策”，我至今仍懷念我們一起站在黑板前討論，或騎車穿越新澤西鄉(xiāng)間小路的時光。如今，我也努力以托尼那種輕松開放的科研方式對待我的學(xué)生和博士后。

（5）安布羅斯：請描述一下您所在領(lǐng)域?qū)＜业牡湫凸ぷ魅?。如果沒有“典型”的一天，請解釋原因。

特龍普：學(xué)術(shù)工作的美妙之處就在于它的多樣性。我的大部分工作屬于“學(xué)術(shù)性”范疇：構(gòu)思并申請科研項目經(jīng)費(fèi)、撰寫科研論文、報告和書籍，以及講授本科和研究生課程。我尤其喜歡教授一門基于幾何描述向量乃至更廣義張量的高等連續(xù)介質(zhì)力學(xué)課程。

此外，我的工作也包含行政職責(zé)，例如曾任加州理工學(xué)院地震實(shí)驗室主任，目前擔(dān)任普林斯頓計算科學(xué)與工程研究所所長。我很享受這種混合型工作模式。

（6）安布羅斯：請回憶一個您參與過的具有挑戰(zhàn)性的項目。在項目推進(jìn)過程中遇到了哪些障礙和機(jī)遇？您是如何克服障礙或把握機(jī)遇的？

特龍普：2000年我從哈佛轉(zhuǎn)至加州理工，部分原因是不滿哈佛在科研計算方面的做法。當(dāng)時，利用市售現(xiàn)成組件構(gòu)建超級計算機(jī)已成為可能。這類“Beowulf集群”正是由加州理工率先開發(fā)的，因此我決定西遷。

到校后，我和同事邁克·古尼斯（Mike Gurnis）、博士后迪米特里·科馬蒂奇（Dimitri Komatitsch）和譚毅（Eh Tan）一起采購了156臺PC機(jī)箱、312顆英特爾奔騰III處理器、156GB內(nèi)存和3TB分布式存儲。有一天早上，我的行政助理打斷了我的課，因為她不敢簽收一個輕巧小盒——標(biāo)價2萬美元！那是內(nèi)存條！

當(dāng)我把這臺由156臺PC機(jī)箱固定在兩個并排機(jī)架上、用以太網(wǎng)線連接并通過一個大型思科交換機(jī)互聯(lián)的機(jī)器組裝起來時，一位資深同事路過，打趣道：“這么說，這臺機(jī)器實(shí)際上就是你的研究實(shí)驗室了？”我點(diǎn)頭承認(rèn)。他離開房間時又說：“好吧，要是它真能運(yùn)行，我會大吃一驚的?！?/p>

盡管他心存疑慮，但這臺機(jī)器運(yùn)行得非常出色。我之后的大部分研究都可以追溯到這個看似不起眼的開端。

（7）安布羅斯：在您的領(lǐng)域，成功在多大程度上源于個人工作，又在多大程度上依賴團(tuán)隊合作？該領(lǐng)域更傾向于哪一種，還是兩者之間存在某種平衡？

特龍普：我團(tuán)隊的大多數(shù)研究項目都依賴團(tuán)隊合作。例如，我們最近發(fā)布的全球地幔層析成像模型，就由一個10人團(tuán)隊完成，成員專長涵蓋觀測地震學(xué)、計算地震學(xué)、數(shù)值算法、優(yōu)化與反演、不確定性量化、工作流管理、數(shù)據(jù)存儲與輸入輸出（I/O），以及可視化。要站在地震層析成像研究的前沿，這種團(tuán)隊協(xié)作是不可避免的。

（8）安布羅斯：請簡要介紹您目前正在開展或已完成的其他一兩個項目。

特龍普：我們?yōu)榈厍騼?nèi)部成像開發(fā)的波形反演技術(shù)，在醫(yī)學(xué)和無損檢測領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。全球尺度的地震波傳播物理原理，與人體組織中超聲波傳播類似，只是尺度更小。不同之處在于，超聲波由換能器而非地震產(chǎn)生。

過去，由于需要在極短時間內(nèi)采集和處理數(shù)百萬張圖像，這類方法在醫(yī)學(xué)成像中并不現(xiàn)實(shí)。但得益于優(yōu)化算法和計算能力（尤其是GPU）的進(jìn)步，現(xiàn)在已能在15分鐘內(nèi)生成圖像。這一能力預(yù)計會迅速提升，正是將我們的專業(yè)知識應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像的大好時機(jī)。

超聲層析成像有望達(dá)到CT掃描的分辨率，并超越MRI的成像質(zhì)量。這意味著它可以識別MRI無法發(fā)現(xiàn)的微鈣化灶。此外，它還能提供兩種獨(dú)立組織特性的定量值——波速和衰減，有助于區(qū)分組織類型。我們預(yù)計可檢測的腫瘤尺寸將顯著小于X光乳腺攝影，甚至可能小于MRI。這一點(diǎn)將在未來的醫(yī)學(xué)臨床試驗中得到驗證。結(jié)合更小的可檢測腫瘤尺寸和無電離輻射的優(yōu)勢，未來可為高風(fēng)險人群定制篩查頻率。

（9）安布羅斯：您覺得工作中哪些方面最令您感到有成就感？

特龍普：將科研成果凝結(jié)成論文和書籍始終令我深感滿足。發(fā)現(xiàn)新知總是令人激動，看到昔日學(xué)生和博士后走上成功的職業(yè)道路也讓我倍感欣慰。此外，當(dāng)一個學(xué)期結(jié)束時，看到學(xué)生們成功掌握了艱深的內(nèi)容，我也非常高興。尤其令人感動的是，多年后偶遇某位學(xué)生，他告訴我當(dāng)年從我的課上學(xué)到了很多。

如前所述，我們的地震學(xué)研究意外地在其他領(lǐng)域找到了實(shí)際應(yīng)用。例如，我們正將其用于乳腺超聲成像，以及無損檢測以識別金伯利巖巖芯中的微鉆石。因此，波形反演技術(shù)的應(yīng)用范圍橫跨9個數(shù)量級的頻率與波長。

（10）安布羅斯：對于一位有天賦、有才華并對您領(lǐng)域感興趣的年輕人，您有什么建議？

特龍普：我再次強(qiáng)調(diào)之前的觀點(diǎn)：“數(shù)學(xué)永遠(yuǎn)不嫌多?！?我建議專注于基礎(chǔ)物理和數(shù)學(xué)。此外，掌握編程技能，并接觸機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)分析和人工智能也非常有益。最后，我鼓勵盡可能多地閱讀經(jīng)典著作和其他相關(guān)文獻(xiàn)。要大膽、勇敢、富有創(chuàng)造力，并且堅韌不拔！

最后，列出Tromp的三本書，筆者簡單翻過，都非常好，嚴(yán)謹(jǐn)且深入。