混沌科学幕后的两位女性,她们的贡献不应被遗忘 | 女性数学日
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科学史上对女科学家的关键贡献缺乏足够记载和承认的例子不在少数。一些例子人们耳熟能详,另有一些事迹则鲜为人知,比如在混沌理论的发展史上,有两位参与了“混沌之父”洛伦茨气象预报模型数值计算工作的女性,她们为混沌理论的发展做出了重要贡献,却为科学史家所忽略,如果不是“混沌之父”洛伦兹的致谢,后人很难发现这段历史。
。下面是取自维基网页上她摄于1995年的头像,已近花甲之年的她,依然如此知性优雅:
”早已是计算机及信息科学行当的热门术语和赚钱职业,但正如《软件杂志》2018年刊登的一篇文章在文首所说的那样,“得知他们学科的创始人是一位女性,今天的大多数软件工程师可能会感到惊讶。”这位女性就是玛格丽特·汉密尔顿。
这是她在半个世纪前参与美国“阿波罗登月计划”时所做的众多贡献之一,在科学界广为人知,她也获得若干政府嘉奖。但在六十多年前她刚走出大学校门后的岁月,她对天气预报的数值模拟工作导致混沌理论的初现,给出了她一生中的第一项科学贡献,只不过这项成就鲜为大众所知。
因爱而婚。后来,她在本州小城波士顿一高中短暂教书,这是美国数学系本科毕业生的常去之处,甚至任教终生。但是他们很快有了新的打算,搬到文化教育大城波士顿,汉密尔顿先生去了哈佛大学法学院读书,汉密尔顿夫人起初计划去布兰迪斯大学读抽象数学的研究生,但她很快改变了初心,去了本市最好的工程大学——麻省理工学院担任计算机程序员。很快,她加入到气象学教授洛伦茨的团队并为之做计算编程工作,参与了发现天气预报混沌现象的最初过程,见证了混沌概念的萌芽出土。
刊登的一篇文章里,科学记者Joshua Sokol这样叙述了汉密尔顿对青春年华的追忆:“有次聚会凌晨三四点结束后,她意识到 LGP-30 无法在第二天早上产生结果,于是和几个朋友赶过去启动它。还有一次,由于对修复错误后再次运行机器所必须做的所有事情感到困扰,她想出了一种方法来绕过计算机笨拙的调试过程。令洛伦茨高兴的是,汉密尔顿会拿起要输进计算机的纸带,将它卷过走廊,然后用削尖的铅笔编辑二进制代码。‘我会为其中的几个纸带戳洞,然后用透明胶带把其他的盖起来,’她说。”
那天,他们设置的打印结果不是图象,而是几个变量对应于时间演化同一时刻的函数值,每一行打印的是一天后的天气数据。算了一阵子后,洛伦茨的咖啡瘾上来了,于是他将打印出的一组数字作为初始数据重新输进计算机做第二次运算,然后穿过大厅下楼喝咖啡去了。一小时后他回来,奇怪的事发生了。新的计算表明,在时间进行不长时,这一次与上一次的数值基本吻合,但随着时间的拉长,两个结果之间的差异呈现出“指数级的增长”,导致两个月后的天气形势面目全非。
.”这种虚心做法和道德情操,无疑很值得科技人员学习,尤其是那些“明星科学家”。
从形象上看,在科学记者格莱克的笔下,洛伦茨的面孔“像饱经风霜的美国老农,然而眼睛又是出奇地有神,使他看起来好像总是在笑。他很少谈论自己或自己的工作,只是倾听别人讲话。”
1961年夏,汉密尔顿因加入另一个项目而离开了洛伦茨的小组,但在她走前很负责地帮洛伦茨面试并雇来了新的程序员费特。从此,她走上了一条事业上极其成功的更宽广大道,这条金色的大道由于披上了飞往月球的“阿波罗战袍”而使她全身越来越“金光闪闪”,其耀眼的光芒可以与她人生中的第一个编码导师洛伦茨相媲美,甚至可能还超过了他。
艾伦·费特之所以在洛伦茨最伟大的论文里留下了名字,是因为文章中计算机指挥打印机画出的、看上去很像蝴蝶两侧翅膀、后来被称为“洛伦茨吸引子”的那张图上也有她的汗马功劳。
获得数学学士学位,被麻省理工学院核工程系一位管理LGP-30计算机的女士推荐给汉密尔顿,后者面试她后满意地请她用数学的头脑为洛伦茨的气象研究服务。
已经获得地球物理学的博士学位,将去南方的佛罗里达州立大学任教。费特在那所大学做了几年的计算机程序工作后决定回归家庭,照顾几个孩子。到了70年代,吉尔博士转到了卡罗拉多州的国家大气研究中心任职,全家自然也一同跟去。吉尔太太希望继续从事软件工作,为此她去了同处一城的卡罗拉多大学博尔德分校充电,念了一些计算机科学的课程,但最终她还是放弃了这类更钟情年轻人的职业,转向了税务工作。
也去了父亲的本科母校耶鲁大学读书,毕业后追随父亲的足迹去了麻省理工学院攻读物理海洋学的博士学位,现在是加州大学圣地亚哥分校的物理海洋学教授。有趣的是她90年代在麻省理工学院读博士研究生时所在的系,是于1983年由气象系、物理海洋系和地质系“合三为一”的结果,所以系名很长,叫做“地球、大气和行星科学系”。这样一来,洛伦茨也算是她的“本系先辈教授”。
本文开头所说的洛伦茨中心副主任罗斯曼也是这个系的教授。当他在洛伦茨论文的致谢处发现了陌生的“艾伦·费特小姐”后,马上上网搜寻她,终于看到1963年7月她和新郎登在纽约时报上的结婚启事。这时,他的一位同事记得二十年前本系有个研究生叫莎拉·吉尔,于是罗斯曼教授联系上了莎拉,方知她是艾伦·费特和约翰·吉尔的爱情结晶。通过莎拉的引荐,罗斯曼也和她的母亲电话交谈,才知道在费特小姐之前还有汉密尔顿太太和洛伦茨一起工作,这样,在全世界传播了几十年的“混沌”故事背后隐藏的两位女英雄终于浮出水面。
或许,费特的女儿在这之前并不知道自己的母亲在混沌发展史上所起的作用,但是当她在本科时修读一门关于怎样科学编程的课程时,全班同学研究的一个案例竟是洛伦茨在那台LGP-30计算机上的发现!到了她念研究生的时候,她的一个办公室伙伴在一项资格考试中曾被问及:“你会如何向你母亲解释混沌理论?”现在,莎拉有理由好奇,如果那时这个问题问的是她,她的对那段历史记忆犹新的妈妈会向她全盘托出60年代初LGP-30旁的打印机如何画出那对漂亮无比的蝴蝶翅膀吗?
例如,老资格的普林斯顿高等研究院物理学家戴森 (Freeman Dyson,1923-2020) 在他2009年发表的脍炙人口的文章《鸟与蛙》(Birds and Frogs)中不吝笔墨,为他的英国同胞、皇家学会的第一个女数学家会士玛丽·卡特利特 (Mary Cartwright,1990-1998) “打抱不平”,因为她比洛伦茨早二十年在为军方分析雷达系统贡献数学才华时,就发现了一类二阶非线性常微分方程的“奇怪吸引子”。
然而,一些书写科学史的作者虽然肯定了一些人的贡献,却忽视甚至无视其他人的相当贡献。与华人有关系的一例就是格莱克的那本销售了超过百万册的书《混沌:开创一门新科学》。他在书的正文里只字不提李天岩在建立李-约克定理中所起的历史作用,只是在书末的第69个注释里才挤出几个轻描淡写的单词:Written with his
student Tien-Yien Li(与他的学生李天岩合写)。他难道不知道是李天岩严格证明了这个定理?不错,定理的前身是约克读完洛伦茨文章后凭直觉获得的猜想,但猜想如果证明不了则永远只是猜想。比方说,法国数学家费马 (Pierre de Fermat,1607-1665) 在350年前就认定他的“大定理”为真,但没人能确认他真的证明出了它,只有等到怀尔斯 (Andrew Wiles,1953-) 于上世纪90年代最终证明了它,这个猜想才成为名副其实的定理。难道数学界只认同费马猜测了它而不认同怀尔斯证明了它?事实上,正是主要因为这项杰出的工作,怀尔斯获奖无数,包括国际数学家大会迄今独一无二的特别奖。
科学史上对女科学家的关键贡献缺乏足够承认的例子更是不在少数。首次用实验证实弱相互作用宇称守恒律不成立的吴健雄就是一个典型的例子,在建立DNA双螺旋结构的科学探索中起关键作用的富兰克林则是另外一个例子。自然,相比主角洛伦茨,无论是汉密尔顿还是费特,在一前一后各自两年为他编程计算的工作中,刚大学毕业的她们抓住问题本质的科学洞见,自然不及设计研究方案、数理知识和科研经验均很丰富的主持人。幸亏她们为之效力的教授是个谦谦君子,极具绅士风度,在自己写作成文的科学作品的最后真诚地感谢了她们,否则,在洛伦茨的百年诞辰之际,谁能想象,又有谁会相信,在超过半个世纪前,两位年轻的女性,曾为混沌理论的建立,帮助打下了第一根桩?
上世纪60年代的初期,汉密尔顿和费特先后为洛伦茨负责对庞大的计算机进行编程,从而计算结果揭示出奇怪的吸引子和混沌的其他特征。由此,上文引述过的《量子杂志》文章总结道:“两位女程序员在混沌理论的诞生中起到了举足轻重的作用。他们以前不为人知的故事说明了计算在科学中不断变化的地位。”今日的科学成就,许多都不再是像牛顿时代那样“单打独斗”的天才发现,而是集体智慧的凝聚物。无论是大人物还是小人物,无论是女性还是男性,任何人的重要贡献都应该被记载在历史的档案里,成为后来者的楷模之作。
出品:科普中国
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