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          客觀日本

          【國際人才環流】OIST:從流體力學的角度揭示各種自然現象中的力學原理——專訪Pinaki Chakraborty博士

          2023年06月06日 交流

          流體力學是一個跨多個不同學科(如物理學、物理化學和工程學)的學問,是地球乃至整個宇宙中許多自然現象的基礎:例如臺風強度、月球隕石坑射線的形成、水管及石油管道內的摩擦力、火山羽流的形狀、人工心臟或瓣膜中的血液流動等等。

          在沖繩科學技術大學院大學(OIST)最后采訪的是流體力學部門首席研究員、來自印度的研究學者Pinaki Chakraborty教授,聽他介紹了自己來到OIST的跨國歷程、流體力學研究令人驚訝的深奧程度、作為外國研究人員在日本國際研究機構工作的好處,以及國際人才環流對創新性研究成果的重要性。

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          流體力學部門首席研究員Pinaki Chakraborty博士興奮地介紹其研究成果。

          一連串的幸運讓他先到伊利諾伊,之后又來到沖繩

          Chakraborty博士成為科研人員之前的人生軌跡很有趣。在印度讀高中時,他對學習或考試并不是特別感興趣,一次偶然的機會,他結識了一位退休的物理學教授,教授對他進行了校外私人輔導,激發了他對力學領域的熱情?!敖淌谑且粋€非常嚴格的人,對我的人生產生了很大的影響。他用一種能幫助我理解概念的方式來解釋事物,而非單純地布置作業。我第一次開始理解我周圍事物的關聯性。最開始我們討論的內容是經典物理學,特別是力學。從那時起,我對力學產生了極大的興趣?!?/p>

          印度是世界上人口最多的國家(印度在今年超過了中國)。因此,有非常多的人在競爭有限的職位。對此,Chakraborty博士表示:“在印度的高中,就像其他許多國家一樣,學習的是如何應對考試??荚嚫偁幏浅<ち?,目的不是選拔出優秀的學生,而是淘汰!考試的目的是測試學生能在短時間內能回答多少問題?!盋hakraborty博士并不認同這種教育方式,因為他更感興趣的是理解現象背后的概念和本質。這種學習方式并不是在學校環境中取得好成績的有效方法,但卻非常適合理解經典力學領域。

          高中畢業后,Chakraborty博士潛心在大學攻讀學位,以便畢業后能學有所用。通過導師的指導,他覺得自己的力學背景進入工程領域最符合自己的興趣和知識儲備。他說:“我在本科學習時研究了不同的工程學分支,與力學最為相關的是機械工程?!彼运谟《忍K拉特國立技術學院(National Institute of Technology)攻讀了機械工程學學位。

          獲得工程學學士學位后,由于一系列偶然的事件和際遇,Chakraborty博士先是去了美國,然后又來到了日本的OIST。他表示,機械工程的學習通常會側重于找出特定概念的應用,較少關注理解其基本思想。這使他萌生了進一步深造的念頭。說到深造,尤其是研究生及以后的學習,大多數人首先想到的是進入美國或歐洲的頂尖學府。這種渴望讓Chakraborty博士進入了伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校(University of Illinoisat Urbana-Champaign)?!拔蚁肜^續深造,我找到了一個名為‘理論與應用力學’的項目,它是工程學、物理學和應用數學的交叉學科,正是我想追求的?!庇纱?,開啟了他的下一段人生旅程。

          Chakraborty博士在美國留學期間獲得了碩士和博士學位。在他的學習之旅即將結束之時,一個偶然的際遇影響了他的研究生涯。一位剛加入該校地質系的教師把一張形狀不同尋常的火山羽流照片發給了工程系的許多人,希望他們提出一些見解。與以往一樣,Chakraborty博士開始饒有興趣地利用流體力學知識,嘗試揭示羽流的基礎力學原理。

          火山羽流是火山噴發時噴出的氣體、火山灰及其他物質的混合物。在上升的過程中,羽流與周圍的空氣混合,一旦上升的物質與空氣的密度相同,就會水平擴散,形成一個大的傘形結構。這個傘形結構中的部分結構形狀很有趣,可以通過力學和數學來理解。Chakraborty博士在博士畢業后,發布這張不同尋常的羽流照片的教授在伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校地質系為他安排了一個特殊崗位?!拔业玫搅艘粋€非常安逸的博士后職位,在那里我有絕對的自由去研究任何我想研究的問題?!盋hakraborty博士接著表示,這在美國很少見,因為在美國,狹義的目標和目的才是常態。

          這個崗位使他可以自由地從不同的角度研究羽流。當火山羽流上升到10~15公里的高度,接近對流層頂時,它會向外擴散,形成典型的“傘”形結構。人們曾認為上升的羽流內部的運動是垂直的,然后向外擴散,但在他的研究中,Chakraborty博士發現,羽流還存在繞垂直軸的旋轉運動,稱為“火山中氣旋”。2009年,他在《自然》期刊上發表了這一發現。

          在這個崗位上工作了一段時間后,Chakraborty博士決定尋找一個更加正式的教職崗位,于是投遞了一些申請。就在這個時候,他收到了來自OIST的一條消息,他決定嘗試一下這個新機會。然而當時,命運之風幾乎朝著相反的方向吹,天氣也全力阻攔?!拔耶敃r住在伊利諾伊州,OIST的面試預定在12月。我去了機場,但我發現我的航班因為暴風雪而被取消了?!?/p>

          Chakraborty博士坦承自己討厭飛行,他幾乎把這場暴風雪看作是命運在提示他不要去。然而,幾天后,飛往日本的航班以及OIST的面試時間均被重新安排?!爱斘襾淼竭@里,沖繩真的以另一種方式改變了我的生活。我來自伊利諾斯州,那里只有玉米地,這里的自然風光太美了,我如癡如醉?!?/p>

          Chakraborty博士做出決定之前還是有些顧慮的,“OIST校長Jonathan Dorfan博士向我介紹新學校的理念時,我心里還有很多疑惑。這是一個全新的地方,它會成為一所什么樣的大學?我曾猶豫是否要進入傳統的日本大學體系,因為它與我習慣的美國大學體系非常不同?!绷硪粋€重要的考量是,在全球各地的許多大學,研究人員為了能夠繼續自己的研究需要不斷地申請資金。Chakraborty博士在美國已經有了一個有很大自主權的職位,無需申請資金?!澳敲?,我為什么要來OIST呢?”它必須能為我提供一些其他額外的好處。在我看來,最大的好處是被稱為“高信任資金”的理念?!彼^續談道。他的這番話觸及了OIST之所以能夠成功的原因之一。

          “與校長交談后,我了解到OIST與美國大學的體系類似,是一所完全以英語授課的大學,此外,它采取的是高信任資金模式。從大學的角度來看,這三件事對我非常有吸引力,”他回憶道,“除此之外,我愛上了沖繩。非常喜歡這個地方,除了這里的美景之外,我也喜歡住在這里的人。人們在這里舒適、安全地生活,這一點太棒了。當然也會有一些瑣碎小事會困擾我,但綜合考慮得結果,我必須說OIST是最好的選擇?!盋hakraborty博士對OIST和沖繩毫無保留地贊美,他現在稱這里為家。

          一系列偶然事件、機遇和決定,使Chakraborty博士從印度一名接受私人輔導的高中生成為了如今的OIST教授。大膽地抓住命運給他的機會,體驗許多不同的環境和研究領域,賦予了他獨特的視角,并使他得以在一系列課題上取得了突破性研究成果。他豐富的經驗和跨國流動表明,國際人才環流對科學家個人和他們所在的研究機構都大有裨益,在未來也應進一步促進。

          管流、臺風、彗星和火山——流體力學的廣袤世界

          當人們聽到“流體力學”這個詞匯時,可能會聯想到水的流動或氣體的流動等現象?!爱斘覀冋劶傲黧w時,我們指的是液體還有氣體。在流體力學的研究中,液體和氣體都被視為流體?!钡?,Chakraborty博士表示,這個領域比這要深奧得多,一個可能被忽視的例子,或者人們甚至不認為是“流體”,那就是在月球上的隕石坑射線。月球隕石坑射線是從月球撞擊坑延伸出來的長形放射狀條紋,正是這些條紋使月球的“瑞士奶酪”圖像如此出名。長期以來,人們一直認為這些撞擊坑是火山活動形成的,但實際上它們是隕石撞擊月球表面的結果,固體被粉碎并以射線的形式散布開來。

          Chakraborty博士與一位博士后花了些時間一起研究這個現象,努力探究射線背后的原理。其中一個問題是,“這些射線的形成機制一直是一個巨大的謎團。為什么這些粉末不會均勻地分布在隕坑上?而是以射線的形狀出現呢?”他們用一個類似于在小學里經常做的實驗來研究這個問題,他們鋪了一個沙床,然后把一個鋼球扔在上面,試圖理解是什么導致了這些射線。然而,實驗結果與月球的現實并不一致,沙子一次又一次地以均勻的模式散落。

          一個偶然事件最終使這個問題得到了解決。進行實驗時,通常以非??煽氐姆绞竭M行,以確保測試特定的想法和假設。然而,有一天,博士后走了捷徑,沒有把實驗中使用的沙床完全弄平整,結果鋼球撞擊后反而形成了不規則的、波形結構,這正是他們尋找的結果。

          Chakraborty博士繼續解釋這背后的力學原理,并用手勢示意每個步驟,“當球撞擊沙床表面時,盡管沙子在靜止時表現得像固體,但在運動起來表現得像流體。球在沙子內部產生沖擊波。當沖擊波到達表面時,沙子被噴射出來。如果此時沙床的表面形狀剛好像山谷一樣為下凹曲面,沙子就會聚在一起,從而形成這些射線?!边@可以與許多其他現象聯系起來,因為流體力學在許多其他領域也是適用的?!皬哪撤N意義上說,這歸結為流體力學,因為它涉及到了物質的流動。從月球隕石坑射線這個例子來看,涉及到了被壓碎并變成粉末的物質是如何流動的?!?/p>

          Chakraborty博士還研究了流體力學的其他現象,列舉了一個又一個例子。流體力學的應用非常廣泛,經??梢杂脕斫忉屛覀冎車吹降默F象。他繼續談到了一個對沖繩居民而言非常熟悉的話題:“目前一個重要的懸而未決問題是我們對臺風的理解?!?/p>

          臺風內部有許多復雜的變化,因此要了解其基本原理相當困難?!坝嘘P臺風/颶風的研究,通常是理論或模擬,也有現場觀測,但沒有實驗室實驗?!边@是因為目前還無法在實驗室內制造一場假想的“杯中風暴”,因此還沒人在實驗室環境下觀測風暴。而Chakraborty博士的實驗室正在創造一個實驗性臺風模型。

          按照目前的水平,人類已經能相當準確地預測臺風到達約5天之前的移動路徑,但臺風的強度還難以預測。Chakraborty博士解釋說,臺風在海洋上的運動與管流動力學有許多相似之處,海洋表面與臺風邊界的摩擦是預測臺風強度的關鍵之一。

          Chakraborty博士興奮地介紹了許多例子,都可以用流體力學來理解,比如管流和火山巖漿流動、臺風強度和靜脈或人工心臟中的血液流動等。流體力學這個極其廣泛而深奧的領域還有許多未解之謎,Chakraborty博士在OIST的研究未來會給出更多答案。

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          Chakraborty博士解釋月球隕石坑射線現象形成的視頻,由OIST提供
          vimeo.com/276187302?embedded=true&source=video_title&owner=61626010A

          OIST,理想的研究基地

          當我們問及Chakraborty博士在OIST有哪些經驗時,他首先談到了在沖繩生活的影響?!暗乩頌橹股?,沖繩有些孤立,這可能會帶來一些問題或限制?!焙笠咔闀r代,遠程工作、在線會議和各種電子解決方案的工作模式變得可行,但對于人員較多的大型部門而言,這些工作模式的變化還無法作為面對面工作的完美替代。事實證明,地理位置帶來的限制反而讓Chakraborty博士很受用。

          “事實上,這與我而言是一個巨大的優勢。地理位置的隔離使我可以不受干擾地追求新穎的想法,如果你喜歡冒險,想抓住機會,我認為OIST非常適合你?!痹谝該芸顬榛A的傳統環境中,追求感興趣的課題和領域會受到諸多限制,因為這可能會導致你難以獲得資金,而且傳統環境非常注重結果。所以,其他教職員和同行可能傾向于追求的結果而給出建議,但OIST獨特的環境使得研究人員更傾向于研究自己感興趣的領域,可以自由地去研究這類課題。

          Chakraborty博士繼續談到其他員工和學生,“對我來說,一所大學的豐富性來自于人們的思維多樣性?!監IST超過一半的教師是外籍,教育和管理都以英語進行。這種多樣性和學校的國際化性質使獨特的想法和“豐富性”得以發展。這不僅體現在行政人員、學生和研究人員的國籍上,還體現在他們的研究方法上。Chakraborty博士進一步解釋說,比如有些人更注重創新和知識產權,而其他人則有其他不同的角度。這種差異和多樣性是OIST的眾多吸引點之一。

          他還談到了OIST獨特的資金體系?!案咝湃钨Y金,是OIST獨有的優勢”。資金體系的靈活性對于Chakraborty博士這樣的研究人員來說是巨大的福音,因為這種體系提供了追求更有趣研究領域所需要的自由。如果一個研究人員受到撥款和所獲資金類型的限制,那么許多研究和發現的途徑可能會被忽略。在我們的采訪中,對于高度信任資金賦予OIST研究人員的知識自由度,被反復提及并獲得贊譽。

          OIST的獨特地理位置、驚人的人員多樣性以及高信任資金體系,使得Chakraborty博士能夠開展一系列在其他地方無法推進的有趣研究課題?!凹兇鈶{機緣巧合,我找到了OIST,并決定冒險一試。但是,結果是我在這里非常開心,希望能夠在這里繼續研究有趣的問題?!?/p> title

          Chakraborty博士所在的2號實驗樓平面圖。OIST研究人員并沒有被分至不同的部門,而是與研究領域完全不同的人員比鄰而居。大家偶然碰面聊天,經常會激發出新的跨學科研究機會。

          關于國際人才環流,以及對未來研究學者的建議

          作為Chakraborty博士在OIST工作的一部分,他還負責教授流體力學的研究生課程?!拔医桃婚T流體力學課程,學生的知識背景非常不同,這是典型的OIST特點”。這些學生來自許多不同領域的專業,有時甚至與力學力學完全無關。比如他教過的學生中就有數學家、工程師、材料科學家和純生物學家。這種多樣性使得各種觀點和知識得以分享,這也是大學所鼓勵的。

          OIST有一個叫做“研究輪崗”的體系,每個學生都有機會在不同的研究小組中進行研究,即使超出了他們專業領域的范圍。這種知識的流動是OIST非常積極的一個方面。在講述學生如何加入自己的研究團隊時,Chakraborty博士表示:“學生來找我談論進行流體力學方面的課題研究,這完全不是他們當初的計劃。在修完我的課程并在我的團隊進行研究輪崗后,他們當中有的人發現自己喜歡流體力學。我與他們之間的相互交流效果很好,最終他們成為了我的博士生?!監IST的國際性,通過研究輪崗帶來的知識流動,以及能夠與研究生和其他教授一起進行跨學科研究,是OIST的一大亮點。

          當我們詢問Chakraborty博士對想在日本工作的研究學者或學生有何建議時,Chakraborty博士談到了大多數人對日本的總體印象。日本是一個非常有名的旅游勝地,在疫情前每年都有大量的游客來到日本觀光。然而,日本并不被視為是研究人員深造和工作的理想國度。這里面的一個重要原因是語言障礙,對此,Chakraborty博士給出了他的建議?!叭绻阆胛饧耸?,讓他們有更多的選擇,那么我認為關鍵是像OIST一樣,真正擴大英語的使用范圍,尤其是在大學校園里?!?/p>

          另一個問題是,研究人員如何在日本取得學位后進一步獲得職業發展。他提到自己的一個才華橫溢的博士后無法獲得日本助教職位的事情,他建議對外國研究生更加開放,使他們能夠繼續在日本的學術界停留和工作?!叭绻麑W術體系從底層開始開放,并給予更多自由,我相信你會看到很多非常有才華的人才涌入?!?/p>

          OIST提供了一個有助于推動這一進程的出色平臺。無論是作為一個研究機構還是在吸引外籍人才方面,OIST取得的成都就樹立了一個榜樣,值得其他機構效仿?!盀槭裁床焕眠@個成功經驗,在此基礎上繼續擴展呢?”Chakraborty博士興奮地反問道。盡管改變傳統和觀點可能具有挑戰性,但從OIST汲取經驗并將其作為一個范例,無疑是進一步推動日本成為一個研究國度,以及創造更多研究成果的一種方式。

          Chakraborty博士有趣經歷使他最終選擇在OIST做研究,他與其他國際同事合作的豐富經驗,以及他的許多成功案例,都很好地說明了為什么國際人才環流在學術界至關重要,也是進一步促進日本研究未來發展的很好例證。OIST作為一個研究機構在這方面發揮了重要作用,而像Chakraborty博士這樣的國際優秀研究學者則是推動日本研究機構取得研究成果的寶貴資產。

          (采訪人:JST全球戰略事務總監 樋口義廣)

           
          Pinaki Chakraborty

          Pinaki Chakraborty簡介

          沖繩科學技術大學院大學院教授
          從印度蘇拉特國立技術學院獲得工程學學士學位后,前往美國在伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校繼續深造,先后獲得碩士和博士學位。目前擔任OIST流體力學部門的首席研究員

           

          【OIST 簡介】
          沖繩科學技術大學院大學院(OIST)是一所致力于進行世界領先研究、培養下一代科學領導者,并促進沖繩創新和可持續經濟增長的只有研究生的大學。自 2011 年前創辦以來,OIST贏得了國際科學界的認可。按體量衡量,該大學在高質量和高影響力的科學研究成果方面位居全球前十名。

          OIST主頁: www.oist.jp