普林斯顿教授关于科研的一些观点

今年AGU的古登堡讲座由Jeroen Tromp教授讲授，笔者有幸现场学习。讲座共计约1个小时，分为两个部分，第一部分主要讲他们组发明的全球三维波场模拟软件（谱元法），第二部分讲利用该工具进行全球尺度的三维全波形反演，医学成像，无损检测等。

就这两个工作，笔者认为任何一个都非常能打，能如此系统且有用工作实在让人佩服。当晚，笔者与师兄聊起此讲座，师兄告诉我Tromp当年很早就成名成家了，30岁就已经是哈佛大学教授（本科毕业4年拿到博士学位，其中顺便在第二年还拿了一个硕士学位）。这比现在所谓的，“三十成名，四十成家”还要厉害得多。

他早年主要和其导师F. A. Dahlen研究地球自由振荡，这是非常理论的工作，非常考验数学功底。后来偶然被数值波场模拟所吸引，进入该领域，做出了非常杰出的工作。

下面，笔者翻译他去年的采访稿《揭示地球内部的奥秘：与地球科学家耶罗恩·特龙普的访谈》，这里面涉及他对做研究的一些看法，希望对大家有所启发。

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

采访者：唐·安布罗斯（Don Ambrose）

耶罗恩·特龙普（Jeroen Tromp）1966年出生于荷兰伊尔彭丹（Ilpendam），在乡村小镇兹韦洛（Zweeloo）长大。他在乌得勒支大学（Utrecht University）完成了本科学业。

1988年，特龙普移居美国，在普林斯顿大学师从F. A. 达伦（F. A. Dahlen）教授学习地球物理学。1992年获得博士学位后，他加入哈佛大学，并于1997年成为正教授。2000年，他离开哈佛，前往加州理工学院（California Institute of Technology）。在那里，他担任地震学实验室主任，直至2008年。由于怀念雨水和东海岸的生活，他重返普林斯顿大学，目前担任布莱尔地质学教授（Blair Professor of Geology）、应用与计算数学教授，以及普林斯顿计算科学与工程研究所所长。

他撰写了两本关于理论与计算地震学的著作、一本关于几何张量微积分的书，以及200多篇科研论文。他的研究获得了美国国家科学基金会（NSF）、美国国家航空航天局（NASA）、美国能源部（DOE）和美国地质调查局（USGS）的资助，也得到了多个基金会和私营企业的支持。他曾荣获美国地球物理联合会（AGU）颁发的马塞尔万奖章（Macelwane Medal）和欧洲地球物理联合会（EGU）颁发的古登堡奖章（Gutenberg Medal），并当选为荷兰皇家科学院通讯院士。

除了学术成就，他还热衷于足球和壁球，也是滑雪、徒步和骑行的爱好者。他育有一女二子，妻子卡特丽内尔（Catrinel）是出生于罗马尼亚的认知心理学家，现任莱德大学（Rider University）教授。他们与最小的儿子彼得（Peter）居住在新泽西州劳伦斯维尔（Lawrenceville）。

（1）安布罗斯：请您描述一下您所在领域专家通常从事哪些工作？

特龙普：地震学家通常分为两类：一类研究地震本身，另一类专注于成像地球内部结构。地震地震学家主要关注地震灾害风险，而地震层析成像专家则通过绘制地下结构来理解地球的构造与动力学过程。

我的地震学职业生涯始于对地震学理论方面的研究，特别是面波传播和地球自由振荡。我和我的博士导师合著了一本名为《理论全球地震学》（Theoretical Global Seismology，Dahlen & Tromp, 1999）的书。然而，在完成这本书的过程中，我越来越对数值模拟地震波传播产生兴趣，而不是依赖渐近方法。

如果在我博士毕业时有人告诉我，十年内我们就能在完全三维的地球模型中模拟全球地震波传播，我会持怀疑态度；如果有人进一步说，再过10到15年我们就能进行三维全球波形反演，我可能会认为这纯属荒谬。但这些进展在过去几十年里确实发生了。

近年来，波形反演技术取得了显著进步，催生了多种区域性和全球性的地球模型。这些模型基于数千次地震的数据，由超过一万个地震仪记录而成。除地震学外，波形反演还被应用于超声医学成像、无损检测、日震学（helioseismology）以及地球关键带（critical zone）风化研究等领域。

（2）安布罗斯：要在您的领域取得成功，需要具备哪些知识、技能和素质（如态度、性格特征等）？

特龙普：我对这个问题的回答受到加州理工学院艾弗里宿舍（Avery House）座右铭的启发：“创造力、诚信、坚韧”（Creativity, Integrity, Tenacity）。

创造力是学术成功的关键品质，但它并非总能轻易获得。根据我妻子兼创意缪斯卡特丽内尔的研究，“施加限制反而能激发创造力”（即“绿鸡蛋和火腿假说”）。在科学中，有一种概念叫“约束优化”（constrained optimization），即在满足某些限制条件下寻找问题的数学解。一个具体例子是“偏微分方程约束优化”（PDE-constrained optimization），要求解必须满足特定的偏微分方程。

诚信是成为受人尊敬学者的另一关键要素。我非常享受带领一个高度多元化、国际化研究团队的工作氛围，大家乐于合作与互助。尽管成员背景、信仰和取向各异，但我期望彼此尊重、相互帮助。友善与和善是加入我们团队的基本要求！

坚韧的重要性怎么强调都不为过。我常常凭直觉知道或感知到某个问题的答案，但可能需要多次尝试才能真正找到它。即使你以为找到了答案，也必须不断质疑和验证。

我团队中的学生和博士后拥有广泛才能、背景和兴趣，包括数据处理、数值方法、反演方法、优化，以及应用与计算数学。要成为现代地震学领域的领军人物，这些技能缺一不可。

（3）安布罗斯：要获得进入您领域所需的资质和专业能力，通常需要接受怎样的教育或培训（如学位、执照、实习等）？

特龙普：最成功的地震学家通常具备扎实的物理学和应用数学基础。我总是告诉学生：“数学永远不嫌多。”掌握数据分析与处理至关重要，因为所有地震学都涉及时间序列分析。我主要指导研究生和博士后，偶尔也会有训练充分的本科生加入我们的团队。

（4）安布罗斯：您是否能想到一位曾帮助您为事业成功做准备的老师或导师？他/她如何帮助您培养了所需的知识、技能、素质或动力？

特龙普：我在荷兰埃门（Emmen）的一所公立高中就读。当时班级规模大，学生很少得到个别关注，但我的英语老师奥特夫人（Mrs. Otter）是个例外。她注意到我对英国文学的兴趣，便引导我接触19世纪文学，这让我养成了终身阅读的习惯。

同样，在乌得勒支大学的前两年我也未受到太多关注，直到三年级上了一门由古斯特·诺莱特（Guust Nolet）教授讲授的地震学课程，我才真正发现自己热爱将数学和经典物理学应用于现实世界问题。我的本科毕业论文就是在诺莱特和他的研究生罗埃尔·斯尼德（Roel Snieder）指导下完成的，他们强烈鼓励我去美国攻读研究生。

这促使我来到普林斯顿，有幸与F. A. (“托尼”)·达伦（Tony Dahlen）教授合作。我们共同发表了多篇科研论文，并合著了前述那本书。托尼实行“开门政策”，我至今仍怀念我们一起站在黑板前讨论，或骑车穿越新泽西乡间小路的时光。如今，我也努力以托尼那种轻松开放的科研方式对待我的学生和博士后。

（5）安布罗斯：请描述一下您所在领域专家的典型工作日。如果没有“典型”的一天，请解释原因。

特龙普：学术工作的美妙之处就在于它的多样性。我的大部分工作属于“学术性”范畴：构思并申请科研项目经费、撰写科研论文、报告和书籍，以及讲授本科和研究生课程。我尤其喜欢教授一门基于几何描述向量乃至更广义张量的高等连续介质力学课程。

此外，我的工作也包含行政职责，例如曾任加州理工学院地震实验室主任，目前担任普林斯顿计算科学与工程研究所所长。我很享受这种混合型工作模式。

（6）安布罗斯：请回忆一个您参与过的具有挑战性的项目。在项目推进过程中遇到了哪些障碍和机遇？您是如何克服障碍或把握机遇的？

特龙普：2000年我从哈佛转至加州理工，部分原因是不满哈佛在科研计算方面的做法。当时，利用市售现成组件构建超级计算机已成为可能。这类“Beowulf集群”正是由加州理工率先开发的，因此我决定西迁。

到校后，我和同事迈克·古尼斯（Mike Gurnis）、博士后迪米特里·科马蒂奇（Dimitri Komatitsch）和谭毅（Eh Tan）一起采购了156台PC机箱、312颗英特尔奔腾III处理器、156GB内存和3TB分布式存储。有一天早上，我的行政助理打断了我的课，因为她不敢签收一个轻巧小盒——标价2万美元！那是内存条！

当我把这台由156台PC机箱固定在两个并排机架上、用以太网线连接并通过一个大型思科交换机互联的机器组装起来时，一位资深同事路过，打趣道：“这么说，这台机器实际上就是你的研究实验室了？”我点头承认。他离开房间时又说：“好吧，要是它真能运行，我会大吃一惊的。”

尽管他心存疑虑，但这台机器运行得非常出色。我之后的大部分研究都可以追溯到这个看似不起眼的开端。

（7）安布罗斯：在您的领域，成功在多大程度上源于个人工作，又在多大程度上依赖团队合作？该领域更倾向于哪一种，还是两者之间存在某种平衡？

特龙普：我团队的大多数研究项目都依赖团队合作。例如，我们最近发布的全球地幔层析成像模型，就由一个10人团队完成，成员专长涵盖观测地震学、计算地震学、数值算法、优化与反演、不确定性量化、工作流管理、数据存储与输入输出（I/O），以及可视化。要站在地震层析成像研究的前沿，这种团队协作是不可避免的。

（8）安布罗斯：请简要介绍您目前正在开展或已完成的其他一两个项目。

特龙普：我们为地球内部成像开发的波形反演技术，在医学和无损检测领域也有广泛应用。全球尺度的地震波传播物理原理，与人体组织中超声波传播类似，只是尺度更小。不同之处在于，超声波由换能器而非地震产生。

过去，由于需要在极短时间内采集和处理数百万张图像，这类方法在医学成像中并不现实。但得益于优化算法和计算能力（尤其是GPU）的进步，现在已能在15分钟内生成图像。这一能力预计会迅速提升，正是将我们的专业知识应用于医学成像的大好时机。

超声层析成像有望达到CT扫描的分辨率，并超越MRI的成像质量。这意味着它可以识别MRI无法发现的微钙化灶。此外，它还能提供两种独立组织特性的定量值——波速和衰减，有助于区分组织类型。我们预计可检测的肿瘤尺寸将显著小于X光乳腺摄影，甚至可能小于MRI。这一点将在未来的医学临床试验中得到验证。结合更小的可检测肿瘤尺寸和无电离辐射的优势，未来可为高风险人群定制筛查频率。

（9）安布罗斯：您觉得工作中哪些方面最令您感到有成就感？

特龙普：将科研成果凝结成论文和书籍始终令我深感满足。发现新知总是令人激动，看到昔日学生和博士后走上成功的职业道路也让我倍感欣慰。此外，当一个学期结束时，看到学生们成功掌握了艰深的内容，我也非常高兴。尤其令人感动的是，多年后偶遇某位学生，他告诉我当年从我的课上学到了很多。

如前所述，我们的地震学研究意外地在其他领域找到了实际应用。例如，我们正将其用于乳腺超声成像，以及无损检测以识别金伯利岩岩芯中的微钻石。因此，波形反演技术的应用范围横跨9个数量级的频率与波长。

（10）安布罗斯：对于一位有天赋、有才华并对您领域感兴趣的年轻人，您有什么建议？

特龙普：我再次强调之前的观点：“数学永远不嫌多。” 我建议专注于基础物理和数学。此外，掌握编程技能，并接触机器学习、数据分析和人工智能也非常有益。最后，我鼓励尽可能多地阅读经典著作和其他相关文献。要大胆、勇敢、富有创造力，并且坚韧不拔！

最后，列出Tromp的三本书，笔者简单翻过，都非常好，严谨且深入。