“准备好迎接美妙的公式了吗？”

这是理学楼里的一间小教室，差不多20平米，除了一面门一面窗，剩下的两面墙全是黑板。

相较屋子里其他人的眉头深锁，汤雷翰用粉笔在黑板上敲击出轻快的节奏，不知从哪里召唤出一连串数学公式。

黑板、讲台，思考、运算，是他的舒适区。

近日，统计物理学家汤雷翰全职加入西湖大学，任理学院及交叉科学中心讲席教授，并建立统计物理与复杂系统实验室。

汤雷翰是美国物理学会会士，主要从事平衡和非平衡系统统计物理学研究。他巧妙地运用重整化群的思想和方法，解决了多类含杂质系统序的奇异标度特性。

网上搜索“汤雷翰”，往往是上面这段内容，普通人能看懂的寥寥，似乎这个名字只跟学术文章里的模型、定理和公式“长”在一起。

站在写满公式的黑板前，汤老师解释：

“我的研究工作，就是将对真实世界的好奇，转换为公式推导。”

{奔跑中的水分子}

汤雷翰感兴趣的不是一般的系统，而是“复杂系统”。

什么是复杂系统？

尽管字面意思就不简单，但试着简单理解的话：

复杂系统代表着一类集体行为，特别是有长时间传承和演化的行为。

汤雷翰从冰箱里取出一瓶矿泉水：“比如水，它既可以是气体形式，也可以是液体或者固体，为什么当温度发生变化时，水的结构会产生如此大的变化？这个过程中发生了什么？”

这种情况下，研究单个水分子的意义就不大了，他需要关注的是一群水分子——当温度升高或降低时，水分子之间会有什么互动吗？这就是“集体行为”。

在真实世界里，集体行为常常是复杂且难以预测的。

那瓶水仍然在汤雷翰手里，房间里的热空气在瓶身上凝起一层细密的水珠。此时的瓶子里，水分子正在上窜下跳，它们的运动轨迹并不像我们想象的那么规规矩矩。

事实上，100多年前，奥地利物理学家玻尔兹曼就发现，热量的传递竟不是绝对单向的，只是热分子跑得比冷分子快，有更大可能“撞”上冷分子，因此物量从热物体传向冷物体的概率要大得多罢了。

把概率引入物理学，便出现了“统计物理学”。也就是说，科学家不再盯着具体的每一个原子分子，而是用统计的方法去把握它们的集体行为。

这便是汤雷翰的专业领域。

汤雷翰本科毕业于中国科学技术大学空间物理专业。恢复高考的那一年，他才16岁，刚读高二，对大学是什么完全没有概念。突击备考三个月，是听老师的；填报中科大，是听老师的；报物理专业，也是听老师的……

入学时，他是班上最小的几个，“什么事都插不上话”。只有在公布考试成绩时，他的名字才变得显眼，“尤其是量子力学，曾得期末最高分”。但他觉得当年自己的物理知识是浅薄的。

“物理与数学很不一样，物理需要更多的沉淀，需要对自然现象有深入的理解和认识，数学则更依赖逻辑思维。”汤雷翰回顾说，在物理这条路上，如果不做实验，不与真实的系统接触，就无法开始深刻的思考，无法提出好的问题。

1981年，汤雷翰考上了李政道教授组织的CUSPEA项目，被美国卡内基梅隆大学录取，这种机会在那个年代弥足珍贵。

在美国，他开始学习统计物理学，导师Bob Griffiths是领域内的大佬，治学严谨。这是一个需要扎实数学功底的物理学分支。充满对理论物理的崇仰，汤雷翰开始仔细阅读组里在相变及临界现象领域的文章，谁知导师却建议他关注那几年起步的蒙卡计算模拟，费了很多周折才又回到了与非线性动力学系统相关的纯理论研究。这个数值与解析方法并用的经历，对他后面的发展产生了深刻的影响。

“从那时起，我开始通过特定模型的深入分析来研究复杂系统，考虑怎么样把数学理论与真正关心的实际物理系统结合起来。”他说。

更令人兴奋的是，这个世界上，复杂系统与人类活动息息相关——从细胞到宇宙，从鸟群到台风，从房价升降到政党选举，不论是自然界还是人类社会，我们无时无刻不身处在一个又一个复杂系统中。甚至人类自己的身体，以及物竞天择的进化过程，都是复杂系统。

而数学与复杂系统的组合，也注定了汤雷翰的研究不会聚焦在某一个固定的方向，他需要不断学习新知，需要和不同学科的人合作。

这是一个天然的交叉学科。

{剧场里响起掌声}

汤雷翰1987年从卡内基梅隆毕业，直至1996年接受第一份教职前，有一段长达8年的博后经历——

先是在美国加州大学圣巴巴拉分和德克萨斯农工大学，然后来到欧洲，在德国待了7年，先后在于利希研究中心固体物理所、科隆大学理论物理研究所工作。

“那段时间对我的学术成长很有帮助。”他说，几乎每个月都有不错的学术活动，“欧洲不大，我经常坐火车去巴黎和附近其他城市访问，也去剑桥待过半年，认识了很多同样做统计物理的朋友。”

再后来，短暂地在英国帝国理工学院Blackett实验室担任一段时间讲师后，汤雷翰于1997年加入香港浸会大学物理系，历任副教授、教授。

前面讲到复杂系统包罗万相，但汤雷翰的兴趣逐渐聚焦到“生命”上。他带领团队与生命科学领域的实验科学家合作，开发出一系列统计物理学的定量工具和模型，通过研究大量微观个体的集体行为，揭开复杂系统的面纱，为生命科学研究提供了独特的视角。

怎么理解这里所说的“工具”和“模型”呢？

2021年诺贝尔物理学奖获得者乔治·帕里西，曾用风靡全球的桌游《大富翁》，来类比研究复杂系统的模型工具。

《大富翁》是一种社会模型，它要比真实的商业世界简单，但保留了买卖土地、开发房产、赚取租金、拍卖抵押等现实中的规则，同时通过掷骰子和抽卡牌的方式，将入狱、破产等少量“意外”纳入模型中。

这款游戏的英文名叫Monopoly，“垄断”的意思。也就是说，当我们玩这个游戏的时候，会发现富人越来越有钱，直至垄断市场，其他竞争对手破产。这个局面，是在每一轮游戏最后，必然会出现的。

汤雷翰所研究的，就是设计和分析能重现生命过程核心运行规则的“大富翁”模型。

目前，他已经在微生物代谢、蛋白质凝聚体的形成和润湿、细胞群体运动及与发育相关的生理过程等方面，取得了若干原创性成果。

你一定有过这样经历：当走进一个不透光的房间，一开始伸手不见五指，但只要在里面待上一会儿，眼睛会逐渐适应环境，慢慢地竟能看见一些了。

2019年，汤雷翰与学生王寿文共同发表了一篇文章，他们建立了一种模型，描述的就是这类现象背后的机制：一群具有感知适应性的细胞，是如何通过适应不同的信号频率，最终产生集体振荡。

可以想象在一个剧场里，每一个细胞都是一个观众，剧场里座无虚席。一场演出结束，观众开始鼓掌，一开始掌声并不太齐，每个人有每个人的节奏；但只需一会儿，全场的鼓掌节奏会趋近一致。在一些更加特别的场合，比如喊“安可”的时候，节奏感尤甚。

从细胞的集体行为出发，到复杂一点的器官，再到更复杂的整个生物体……跨越微观与宏观的研究，让我们不断接近生命的本质。

{巨人们的肩膀}

汤雷翰的研究，对数百年前的伽利略来说，是根本无法想象的。

伽利略的物理世界极尽简化，连摩擦力都没有，与复杂的真实世界截然不同。但现代物理学的发展，没有回避真实世界的混沌无序，而是将这些看似无序的运动一点一点地梳理清楚，丰满着我们对这个世界的理解。

这是站在巨人的肩膀上前进。

汤雷翰也是到了美国读博之后，才真正感悟到什么是“巨人的肩膀”。“我才知道物理是这么学的，不是会做题就可以了，而是需要把原理和问题真正搞清楚，去了解背后的故事，去了解发展的脉络，去了解当年发现原理的物理学家们是怎么想的……”

只有这样，才是真正站到了巨人的肩膀上，才能真正看得更远。

现在我们回到文章的标题，走进包围我们生活的复杂系统——城市化、气候变暖、可持续发展、人工智能、转化医学——是哪一项定义了21世纪，众说纷纭。可以肯定的是，生物学、复杂系统、人工智能，让21世纪的科学家，踩到了跨学科研究的爆发点。

AlphaFold横空出世，为人们理解这种“爆发”提供了一个直观案例。

人类科学家在过去积累的海量且规范的蛋白质结构数据，为AlphaFold提供了“肩膀”。而基因组学、蛋白质组学、代谢组学等领域的发展，积累了海量实验数据，再加上人工智能预测数据的加入，为物理学、生物学、人工智能的交叉学科研究提供了“肩膀”。

这也是西湖大学打动汤雷翰的地方。

汤雷翰画过一张草图，试图在西湖大学找到复杂系统研究的爆发点。图上有三个圈——

第一个圈是生命科学学院，这里的人擅长研究生物体的方方面面；

第二个圈是理学院，这里的人擅长运用数理化工具构建模型；

第三个圈是工学院，这里的人擅长突破人工智能的极限。

三个圈互相交叉，重叠的地方可以做什么，又会爆发出什么，让汤雷翰有无限期待。

事实上，从去年夏天开始，汤雷翰的耳边就不断传来有关西湖大学的消息。

比如自己带过的博士生王寿文，在拒掉几所年轻人向往的大学之后，全职加入西湖大学，主聘在生命科学学院。他记得，学生是这样说的：这里很好，每个人都很兴奋。

而他自己，也从今年年初就提前入驻西湖“考察”，并得出初步结论：

“这里有一群聪明、揣着梦想的人。什么是好的学术环境？这就是。我不敢说自己每天都学到了新的东西，但这个机会就摆在那里。”

那是怎样一群人呢？

一群学术水平卓越的人，一群彼此独立又开放合作的人，一群充满好奇心与探索欲的人。

“是什么改变了，使得对生命系统的研究有可能成为物理学的一部分，而不仅仅被看作是物理学在生物学中的应用，或是若干跨学科的混合体？”

深思熟虑之后，汤雷翰在自我介绍的开篇引用了这样一句话，它将被放在西湖大学官网上。

是什么定义了21世纪，这个问题的答案是什么，到这里已经不太重要了。

不论此处填入什么词汇，时间长河中亘古不变的，是一代又一代人试图解读真实世界的接续努力，是人类关于“从何处而来”这一哲学之问的叩响——

收起大富翁的地图，玩家即刻回归真实的商业世界。

当舞台的帷幕落下，观众走出剧场，终将回归生活。

无处不在的复杂性，无法预知的不确定性，这样的真实世界是恼人的，也是迷人的。