2016年7月下旬,决赛前奏:模型融合的阵痛。
七月的第三个周末,物理实验室成了战场。
实验台左边堆满了物理器材:五个不同材质的摆球(钢、铝、塑料、木质、乒乓球),三套不同精度的光电门,高速摄像机连接着嗡嗡作响的电脑。
右边则是数学的领土:三台显示器同时运行——一台显示误差传播的动态相图,一台运行蒙特卡洛模拟,第三台实时计算贝叶斯后验分布。
方见微和姜之墨站在中间,像两个指挥官的联合指挥部。
但联合并不总是顺畅。
“这个钢球的数据不对。”方见微指着屏幕上的轨迹曲线,“空气阻力系数算出来是负的,不可能。”
姜之墨凑过来看她的数学模型:“我的公式没问题。输入摆球直径0.02米,密度7800,空气粘度1.8e-5……等等,”她停顿,“你测量的直径是多少?”
“游标卡尺读数:19.86毫米。”
“我用的20毫米。”她立刻修改参数,“还有,空气粘度你用的什么值?”
“标准值1.8e-5 Pa·s。”
“但实验室温度32℃,湿度85%。”她调出气象数据,“实际粘度应该是1.85e-5,而且要考虑湿度修正。”
方见微愣住了。他从未想过测量空气阻力时需要这么精细的气象参数。
“你怎么知道这些?”他问。
“我查的。”她打开一个文件夹,里面是几十篇关于空气动力学微小效应的论文,“阻力系数对湿度敏感,尤其在小雷诺数区。我们的摆球雷诺数在1000左右,正是过渡区。”
她说话时眼睛发亮——不是炫耀,是那种“我发现了有趣东西”的纯粹兴奋。
方见微看着那些论文。都是英文的,有些发表在大气物理期刊上,和他们的物理竞赛看似无关。
“你什么时候查的这些?”他问。
“上周。”她说,“建模时发现阻力系数总对不上,就顺着查下去了。”
她轻描淡写,但他知道这意味着什么:深夜的文献检索,陌生的专业术语,从零开始学习一个全新领域。
只为解决一个“小问题”。
“谢谢。”他说。
“不客气。”她笑,“现在数据对上了吗?”
重新计算。阻力系数从负值变为合理的0.47。
“对了。”方见微看着结果,“误差在5%以内。”
“那就好。”她松口气,坐回椅子,揉了揉太阳穴。
这是他们工作的常态:物理实验发现异常,数学模型提供线索,深入研究找到原因,修正后再融合。每一次循环都要消耗数小时,甚至一整天。
有时候他们会累到说不出话,只是并排坐着,看着屏幕上的数据流动。
有时候他们会因为一个细节争执不下,声音大到隔壁实验室的老师过来敲门。
但更多时候,是一种奇特的默契——她刚写出一个公式,他就知道需要什么实验验证;他刚测出一个异常值,她就知道模型哪里需要调整。
七月的江南市酷热难耐,实验室的空调修好了但制冷效果不佳。他们买了小风扇,买了冰袋,买了成箱的矿泉水。
姜之墨带来她妈妈煮的酸梅汤,装在保温壶里,倒出来时还浮着冰块。
方见微带来电解质饮料,说是补充流汗损失的离子。
他们开玩笑说:我们的汗液成分可能比实验数据还精确。
距离提交截止还有四天。主体工作已完成,但还有一个关键问题:如何将物理实验和数学模型有机结合,而不是简单拼凑。
评委会想看到的是“1+1>2”,不是“1和1”。
周三凌晨两点,方见微躺在床上,盯着天花板。
他失眠了。脑海里反复回放白天的讨论:
“我们可以用贝叶斯推断反推物理参数。”姜之墨说,“传统方法是先测摆长、测周期,然后算g。但如果我们反过来——假设g有先验分布,用周期测量数据更新对g的信念,同时也能更新对摆长测量误差的信念……”
“但这样需要先验信息。”他当时反驳,“g的先验分布怎么定?”
“用历史数据。”她调出全球重力加速度分布图,“江南市纬度31°,理论值9.794,但实际会有微小地形修正。我们可以假设先验是正态分布,均值9.794,标准差0.001——表示我们有大致相信,但不完全确定。”
“然后呢?”
“然后每测一次周期,就更新一次后验分布。”她眼睛发亮,“这样得到的不是‘一个g值’,而是‘g的概率分布’。同时,我们还能得到摆长测量误差的概率分布——因为它们耦合在同一个方程里。”
这思路很巧妙。但实施起来复杂到令人绝望。
方见微坐起来,打开台灯,在草稿纸上演算。贝叶斯公式,正态分布共轭先验,多维参数更新……
算到一半卡住了。有一个积分他不会解。
他拿起手机,想给姜之墨发信息,但看了眼时间——凌晨两点半。
犹豫了几秒,还是发了:
“那个多维贝叶斯更新的积分,你解出来了吗?”
他以为不会收到回复。但三分钟后,手机震动:
“没睡?我也在算。卡在雅可比行列式。”
“需要帮忙吗?”
“需要。但太晚了。”
“现在方便语音吗?”
“等我一下。”
五分钟后,他的手机响起。接通,是她的声音,带着熬夜的沙哑:
“我把推导过程拍给你。”
微信传来几张照片。草稿纸上密密麻麻的公式,有些地方被划掉重写,页边还有她画的可爱小箭头和问号。
方见微看着那些公式,突然发现一个错误:“第七行,你对θ求偏导时,忘了链式法则。”
“哪里?”她问。
他拍下自己的修正,发过去。
几秒钟的沉默,然后她惊呼:“啊!真的!我就觉得哪里不对劲……”
电话那头传来翻纸声、写字声、轻轻的“啊哈”声。
凌晨三点的城市寂静无声。他们隔着电话,一起解一道可能没人会在意的数学题。
“好了。”二十分钟后,她说,“积分出来了。后验分布是多元正态,协方差矩阵是……”
她念出一串矩阵元素。
方见微记下,代入物理参数计算。结果显示:用贝叶斯方法得到的g值不确定度,比传统方法小了30%。
“有效。”他说,“不确定度降低了。”
“真的?”她声音里带着疲惫的兴奋,“那我没白算。”
“你没白算。”他顿了顿,“谢谢。”
“不客气。”她打了个哈欠,“那……睡吧?明天还要做实验验证。”
“好。晚安。”
“晚安。”
挂断电话,方见微却更清醒了。他走到窗边,看着凌晨三点的城市——只有零星几盏灯还亮着,像夜空的星星坠落人间。
其中一盏,是她的窗。
他知道她家的小区,知道她房间的方位。此刻,那扇窗里也亮着灯。她在那里,刚刚和他一起解决了一个难题。
这种“知道有人和你同时醒着、同时在思考同一件事”的感觉,很奇特。像某种超越距离的陪伴。