数理科学部：“鼓励探索、突出原创”典型案例

数理科学部 鼓励探索、突出原创”典型案例 数学 保持哈密尔顿系统结构的数值分析理论 在构造天体力学、量子力学、电磁学等学科中许多数学模型 的数值算法时,需要尽可能多的保持原系统的内在对称性、守恒 性等物理特性,传统算法并未针对这些物理特性或本质特征来构 造数值格式。我国学者针对经典哈密尔顿系统,创立了一种几何 上定性、数值上定量的数值分析理论,应用生成函数法和幂级数 法构造辛格式,既严格保持哈密尔顿系统辛几何结构,又很好的 保持其物理性质,彻底解决了长时间计算稳定性问题,现称这种 高性能新型算法为辛算法。辛算法在哈密尔顿系统的数值计算中 表现出独特优越性,县有很强的数值预测能力和数值跟踪能力, 在其它许多科学、技术和工程领域也有广泛而深刻的应用。辛算 法的保结构思想已成为现代计算数学算法构造和分析的基本理 念,开启了现代科学计算的一个重要研究方向一保结构算法的研 究 力学 湍流的时空关联理论和方法 湍流是流体力学的核心科学问题,时空关联反映了湍流的时 间和空间尺度耦合的统计特性,其里程碑成果是它的泰勒模型和 Kraichnan模型。但是它们均不能反映湍流的涡传播和畸变的耦

数理科学部 “鼓励探索、突出原创”典型案例 数学： 保持哈密尔顿系统结构的数值分析理论 在构造天体力学、量子力学、电磁学等学科中许多数学模型 的数值算法时，需要尽可能多的保持原系统的内在对称性、守恒 性等物理特性，传统算法并未针对这些物理特性或本质特征来构 造数值格式。我国学者针对经典哈密尔顿系统，创立了一种几何 上定性、数值上定量的数值分析理论，应用生成函数法和幂级数 法构造辛格式，既严格保持哈密尔顿系统辛几何结构，又很好的 保持其物理性质，彻底解决了长时间计算稳定性问题，现称这种 高性能新型算法为辛算法。辛算法在哈密尔顿系统的数值计算中 表现出独特优越性，具有很强的数值预测能力和数值跟踪能力, 在其它许多科学、技术和工程领域也有广泛而深刻的应用。辛算 法的保结构思想已成为现代计算数学算法构造和分析的基本理 念，开启了现代科学计算的一个重要研究方向-保结构算法的研 究。 力学： 湍流的时空关联理论和方法 湍流是流体力学的核心科学问题，时空关联反映了湍流的时 间和空间尺度耦合的统计特性，其里程碑成果是它的泰勒模型和 Kraichnan模型。但是它们均不能反映湍流的涡传播和畸变的耦

合效应,从而限制了对湍流时空耦合规律和湍流噪声产生机制的 基本认识。我国学者引入湍流时空关联过程自相似的概念研究湍 流的时空耦合,将柯尔莫哥洛夫和泰勒的理论结合起来,提出了 时空关联的EA模型,解决了泰勒模型和 Kraichnan模型缺乏涡传 播和畸变耦合效应的问题。在此基础上,发展了湍流大涡模拟的 时空关联方法,由此得到的湍流模型克服了能量平衡法的根本缺 陷,它们能够正确计算时空能谱,进而精准地预测湍流的嗓声谱。 上述原创成果开辟了湍流领域一个新的研究方向,并在高速运载 装置的湍流噪声问题中得到了重要的应用。 天文: 建立测量银河系旋臂结构新方法 银河系旋臂结构是天文学中持续时间最长但至今仍未解决 的重大间题之一。尽管有关银河系结构的模型已有100多种,由 于这些模型所依赖的天体距离的不确定性,使得一些基本问题, 如银河系尺度、旋臂形状和数量等远未解决。因此,精确测定天 体的距离是研究银河系结构的关键。我国学者首次提出用甚长基 线干涉陲测量天体脉泽的三角视差距离来研究银河系旋臂结构 的方法,实现了天体测量技术的划时代突破,使距离测量精度比 以前天文学中的最高测量精度提高了两个量级。通过该方法精确 测定了银河系英仙臂的距离,彻底解决了天文界关于英仙臂距离 的长期争论,并首次发现本地臂是银河系的一条旋臂,彻底排除 了天文界长期以来认为本地臂只是由零星物质组成的微小次结 构的观点,对经典密度波理论提出了巨大挑战,率先提出并证实

合效应，从而限制了对湍流时空耦合规律和湍流噪声产生机制的 基本认识。我国学者引入湍流时空关联过程自相似的概念研究湍 流的时空耦合，将柯尔莫哥洛夫和泰勒的理论结合起来，提出了 时空关联的EA模型，解决了泰勒模型和Kraichnan模型缺乏涡传 播和畸变耦合效应的问题。在此基础上，发展了湍流大涡模拟的 时空关联方法，由此得到的湍流模型克服了能量平衡法的根本缺 陷，它们能够正确计算时空能谱，进而精准地预测湍流的噪声谱。 上述原创成果开辟了湍流领域一个新的研究方向，并在高速运载 装置的湍流噪声问题中得到了重要的应用。 天文： 建立测量银河系旋臂结构新方法 银河系旋臂结构是天文学中持续时间最长但至今仍未解决 的重大问题之一。尽管有关银河系结构的模型已有 100 多种，由 于这些模型所依赖的天体距离的不确定性，使得一些基本问题， 如银河系尺度、旋臂形状和数量等远未解决。因此，精确测定天 体的距离是研究银河系结构的关键。我国学者首次提出用甚长基 线干涉阵测量天体脉泽的三角视差距离来研究银河系旋臂结构 的方法，实现了天体测量技术的划时代突破，使距离测量精度比 以前天文学中的最高测量精度提高了两个量级。通过该方法精确 测定了银河系英仙臂的距离，彻底解决了天文界关于英仙臂距离 的长期争论，并首次发现本地臂是银河系的一条旋臂，彻底排除 了天文界长期以来认为本地臂只是由零星物质组成的微小次结 构的观点，对经典密度波理论提出了巨大挑战，率先提出并证实

银河系不是单纯由宏伟的、规则的螺旋形主旋臂组成,而是在主 旋臂间充满着次结构的非常复杂的旋涡星系的观点。该系统性 开创性的工作,被国内外专家评价为开创新时代、开拓新领域的 里程碑式的工作,推动发起了美国国立射电天文台史上最大的国 际合作项目- Bessel,获得了广泛认可的银河系最精确的旋臂结 构模型、基本参数和旋转曲线。 物理I 量子反常霍尔效应的实验发现 量子反常霍尔效应是一种不需要外加磁场、基于全新物理原 理的量子霍尔效应。它不但是量子霍尔态得以实际应用的关键, 还是很多新奇量子效应实现的基础。实验发现量子反常霍尔效应 是凝聚态物理学的重大科学目标之一,二十多年来没有实质性实 验进展。我国学者建立了BiTe3家族拓扑绝缘体分子束外延生长 动力学并发展出高质量拓扑绝缘体薄膜材料的制备方法,首次制 备出了同时具备铁磁性、体绝缘性、拓扑非平庸性的磁性掺杂拓 扑绝缘体薄膜,在这种薄膜中首次观测到量子反常霍尔效应。这 是从原理上的全新实验发现,是从0到1的研究工作。该发现被 2016年诺贝尔物理学奖评奖委员会和获得者霍尔丹列为拓扑物 质领域近二十年来最重要的实验发现,是建国以来我国物理学家 发现的一个重要科学效应,为多种新奇量子现象的实现铺平了道 路

银河系不是单纯由宏伟的、规则的螺旋形主旋臂组成，而是在主 旋臂间充满着次结构的非常复杂的旋涡星系的观点。该系统性、 开创性的工作，被国内外专家评价为开创新时代、开拓新领域的 里程碑式的工作，推动发起了美国国立射电天文台史上最大的国 际合作项目-BeSSeL，获得了广泛认可的银河系最精确的旋臂结 构模型、基本参数和旋转曲线。 物理Ⅰ 量子反常霍尔效应的实验发现 量子反常霍尔效应是一种不需要外加磁场、基于全新物理原 理的量子霍尔效应。它不但是量子霍尔态得以实际应用的关键， 还是很多新奇量子效应实现的基础。实验发现量子反常霍尔效应 是凝聚态物理学的重大科学目标之一，二十多年来没有实质性实 验进展。我国学者建立了 Bi2Te3家族拓扑绝缘体分子束外延生长 动力学并发展出高质量拓扑绝缘体薄膜材料的制备方法，首次制 备出了同时具备铁磁性、体绝缘性、拓扑非平庸性的磁性掺杂拓 扑绝缘体薄膜，在这种薄膜中首次观测到量子反常霍尔效应。这 是从原理上的全新实验发现，是从 0 到 1 的研究工作。该发现被 2016 年诺贝尔物理学奖评奖委员会和获得者霍尔丹列为拓扑物 质领域近二十年来最重要的实验发现，是建国以来我国物理学家 发现的一个重要科学效应，为多种新奇量子现象的实现铺平了道 路

物理II 大亚湾反应堆中徽子实验发现新的中微子振荡模式 中微子是构成物质世界的基本粒子,共有3种类型,不带电, 质量极其微小。不同种类的中微子在飞行过程中能相互转换,物 理学称之为“中微子振荡”。原则上三种中微子之间相互振荡, 应该有三种模式。其中两种模式已被大气中微子实验和太阳中微 子实验所证实。第三种振荡(对应中微子混合角θ13)则一直未 被发现,甚至有理论预言其根本不存在。由于中微子混合角θ13 是中微子振荡的六个基本参数之一,也是物理学中的28个基本 参数之一,其大小关系到中微子物理研究未来的发展方向,并和 宇宙中的“反物质消失之谜”相关,科学意义重大,是国际上中 微子研究的热点。我国学者利用大亚湾反应堆功率高,探测距离 优,山体屏蔽好的优势,攻克了多项技术难关,完成样机硏制、 工程设计、探测器建造和数据采集与分析,首次提出了系列降低 系统误差的办法,精度比过去国际最好水平提高近一个量级,于 2012年宣布发现新的中微子振荡模式,并精确测定其振荡几率 之后继续保持高质量的运行,取得了世界上最大的反应堆中微子 数据样本,不断刷新θ13、中微子质量平方差、反应堆中微子能 谱等的测量精度,带领中微子研究进入精确测量时代

物理 II 大亚湾反应堆中微子实验发现新的中微子振荡模式 中微子是构成物质世界的基本粒子，共有 3 种类型，不带电， 质量极其微小。不同种类的中微子在飞行过程中能相互转换，物 理学称之为“中微子振荡”。原则上三种中微子之间相互振荡， 应该有三种模式。其中两种模式已被大气中微子实验和太阳中微 子实验所证实。第三种振荡（对应中微子混合角θ13）则一直未 被发现，甚至有理论预言其根本不存在。由于中微子混合角θ13 是中微子振荡的六个基本参数之一，也是物理学中的 28 个基本 参数之一，其大小关系到中微子物理研究未来的发展方向，并和 宇宙中的“反物质消失之谜”相关，科学意义重大，是国际上中 微子研究的热点。我国学者利用大亚湾反应堆功率高，探测距离 优，山体屏蔽好的优势，攻克了多项技术难关，完成样机研制、 工程设计、探测器建造和数据采集与分析，首次提出了系列降低 系统误差的办法，精度比过去国际最好水平提高近一个量级，于 2012 年宣布发现新的中微子振荡模式，并精确测定其振荡几率。 之后继续保持高质量的运行，取得了世界上最大的反应堆中微子 数据样本，不断刷新θ13、中微子质量平方差、反应堆中微子能 谱等的测量精度，带领中微子研究进入精确测量时代

聚焦前沿、独辟蹊径”典型案例 数学: 扩充未来光管猜想的解决 扩充未来光管猜想,即扩充未来光锥管域是全纯域。全纯域 是多复变函数中最基本、最重要的概念之一。起源于量子场论的 扩充未来光管猜想已有40多年的历史,被诸多世界数学家和物理 学家研究而未得到解决,被公认为是著名的困难问题,是多复变 函数论研究的前沿、核心问题。在许多著名文献中,比如国际权 威的《数学百科全书》“量子场论”条目都把它列为未解决问题。 我国学者利用华罗庚建立的有关典型域的经典理论和方法,结合 一些现代数学工具和技巧,独辟蹊径,完全证明了扩充未来光管 猜想。这是一项具有中国多复变学派特色、得到国际数学界特别 是多复变函数论领域充分肯定的研究成果,被认为是二十世纪下 半叶数学发展的亮点作之一,被评价为获得了新知识,被写入 史料性著作《十世纪的数学大事》、《数学的发展:1950-200 力学 微米尺度异质界面中的结构超滑 结构超滑是表界面力学的重要研究领域,自1983年理论上提 出有可能在两个原子级光滑且非公度接触的固体表面实现几乎 为零摩擦的状态后,这种现在被称为结构超滑的现象长期未得到 证实。2004年荷兰科学家首次在纳米尺度、超高真空条件下观察 到石墨-石墨烯界面结构超滑。如何实现更大尺度结构超滑是学

“聚焦前沿、独辟蹊径”典型案例 数学： 扩充未来光管猜想的解决 扩充未来光管猜想，即扩充未来光锥管域是全纯域。全纯域 是多复变函数中最基本、最重要的概念之一。起源于量子场论的 扩充未来光管猜想已有40多年的历史，被诸多世界数学家和物理 学家研究而未得到解决，被公认为是著名的困难问题，是多复变 函数论研究的前沿、核心问题。在许多著名文献中，比如国际权 威的《数学百科全书》“量子场论”条目都把它列为未解决问题。 我国学者利用华罗庚建立的有关典型域的经典理论和方法，结合 一些现代数学工具和技巧，独辟蹊径，完全证明了扩充未来光管 猜想。这是一项具有中国多复变学派特色、得到国际数学界特别 是多复变函数论领域充分肯定的研究成果，被认为是二十世纪下 半叶数学发展的亮点工作之一，被评价为获得了新知识，被写入 史料性著作《二十世纪的数学大事》、《数学的发展:1950-2000》。 力学： 微米尺度异质界面中的结构超滑 结构超滑是表界面力学的重要研究领域，自1983年理论上提 出有可能在两个原子级光滑且非公度接触的固体表面实现几乎 为零摩擦的状态后，这种现在被称为结构超滑的现象长期未得到 证实。2004年荷兰科学家首次在纳米尺度、超高真空条件下观察 到石墨-石墨烯界面结构超滑。如何实现更大尺度结构超滑是学