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钱学森创建的“物理力学”

已有 3849 次阅读 2019-8-9 11:26 |个人分类:物理|系统分类:论文交流|文章来源:转载

钱学森创建的“物理力学”

中国科学院 力学研究所 吴中祥

我国“导弹、卫星、航天”之父，钱学森，因美国害怕他对中国国防、科技的重要作用，而对他极力迫害、阻扰他回国。终于，党和政府努力营救，回国，为我国国防和教育做成重大贡献。

他回国后的第一件大事就是： 在中国科学院，建立力学研究所。

以力学是“工程物理学”的思想，创建“物理力学”。

人类的发展到20世纪，就涉及到许多 极高温、高压、高速，条件下的，工程设计。

这些工程的设计，不可能仅凭已知的力学公式和阶段性实验，所完成，甚至许多工程都必须设计到预估确能达到目的要求，才能根据设计进行实验，这就只有按照相应条件下，已知的物理运动规律，进行模拟计算、分析，才能完成设计。

设计完成后的实践就进一步了解到相应的物理运动规律，用于进一步要求的工程的模拟计算

这里，物理运动规律的了解、掌握与相应模拟计算、分析，就交替地起着关键的作用。

这就是：钱学森倡导的“物理力学”。

实际上，许多高科技工程，都是按“物理力学”进行的。

回想我自己亲历的几项重大研究工作，就也都是按“物理力学”

进行的。例如：

1. 在2机部9院理论部参加“两弹理论设计”

原子弹和氢弹都要对相关的各种材料、恰当的安排、配置，按各有关理论，能够达到最好效果的总体设计方案，经过多次、反复设计、计算确定的。

例如，原子弹的总体设计方案是要使化学爆炸产生的激波、动力，压缩推动相应的，力学、核裂变和核引爆的，材料，恰当布置的系统在整个过程中，核裂变材料的压缩度，使其能始终保持在超过临界质量，并有足够连锁反应中子的输运、作用下，才能充分有效地，释放核能。

但计算结果，发现有1个重要的压强与要求相差一倍之多，为此，就进行了多方可能的改进，重新计算了12次，才由周光召全面分析各次计算结果，由能量、动量守恒，确定了计算的正确性，才确定了该总体设计方案。

我是在理论部研究室气体动力学组，当时的主要任务就是研制原子弹引爆过程中涉及到的多种材料在相应条件下的状态方程。

原子弹涉及到的材料有多种，从引爆开始到核能充分有效释放的整个过程中，为满足始终超过临界质量充分有效地，释放核能，的理论计算，就需要：那各种有关性质材料，从常温、常压到极高温度、压力条件下的状态方程，仅依靠一般固体物理理论和实验，显然是无法解决的。

我们对各种实验材料采用一个密度多项式表达状态的公式，其最高的幂，由极高温度、压力下，用托马斯 费米(Thomas-Fermi)加量子和交换修正给出的结果，室温下采用福瑞曼(Freeman)压力的实验数据，再由普通爆炸条件下的雨贡纽(Hugoniot)曲线数据，和对该状态公式作温度、压强、微商得到的物理量，用相应的实验数据，确定其中其它的各系数，的方法，给出全部核爆炸过程各种实用材料状态方程的方案。这方案得到领导与专家的肯定与赞许。这样得到的状态方程用于实际计算，就都能得到符合实际的很好结果。

还有一个原子弹引爆的关键和氢弹的主要材料的状态方程的设计方案，领导安排由我提出，在组里计算成报告上报后，当时负责原子弹引爆工作的黄祖恰同志，拿着那份报告找到我，让我详细介绍设计思路和依据，并量纲分析检验、印证了有关公式，征得我意见，而决定在总体计算中采用，也得到符合实际的很好结果。

按这些状态方程，经配合总体设计得出的第一颗原子弹在1964年10月16日成功爆炸。

实验后， 我们更具体掌握了核裂变的基本规律，不仅为原子弹的小型化、制造中子弹，提供了依据，特别是为，由核裂变的原子弹引爆核聚变的氢弹的任务更迫切地提上了日程。

1965年，于敏调入二机部第九研究院。

于敏等先前已被安排，对核聚变基本规律探索得到的相当有关科学认识就很重要。

记得，当时，我们研究室是负责氢弹模型计算，我是研究室支部书记，每次研制会议，都是由 于敏 根据前次计算结果，大家分析、讨论有关规律和存在问题的结果，安排新的计算研究任务，不断地更多、更好地，认识与掌握了有关特性和规律。

由于所设计的多个方案计算量很大，北京计算所的计算机远不够用，1965年9月底，于敏率领包括研究室副主任蔡少辉等各有关人员数十位，赶在国庆节前夕奔赴上海华东计算技术研究所， 利用该所假期空出的J501计算机（运算速度为每秒5万次，当时国内最快）大战100天。

经他们那艰苦奋斗的各个昼夜，对各计算模型的反复对比分析，终于，于敏高兴地说：“我们到底牵住了‘牛鼻子’！”

年底，在于敏带领下，他们又经过数百天废寝忘食的奋战，在氢弹原理研究中提出了从原理到构形基本完整的设想，解决了热核武器大量关键性的理论问题，终于形成了一套从氢弹初级到能量传输到氢弹次级的从原理到构形基本完整的氢弹理论方案。并在平均场独立粒子方面做出了令人瞩目的成绩。

1966年12月28日，首次氢弹原理试验在罗布泊核试验场进行。试验中对两个关键数据的速报结果，与理论计算预估的结果完全一样， 一次就实现理论设计方案得出的，威力大于330万吨TNT的完美氢弹爆炸。

这次的蘑菇云更大，仿佛一颗人造“大太阳”，爆炸点以北250公里处仍能看到，烟云升离地面10公里。

中国氢弹在诞生后就可以用于实战，并具备小型化能力，帮助中国在核武器上实现了“弯道超车”。

因在研制氢弹时对光子在激发聚变核反应的重要作用，以及后来，在力学研究所研制大功率激光器，对激光有关规律的了解、掌握，特别是，从东方超环（EAST）超导托卡马克装置，和美国加利福尼亚州利弗莫尔国家点燃实验设施的情况，分析，可见：托卡马克和激光束内聚约束，实际上都已能实现受控核聚变，只是受限于稳定运行时间短、释放能量受限。

究其原因，除对于托卡马克，还有结构复杂、核聚变反应物质距约束设施较近，会较快提高后者的温度、压强，而失效外，都是因为，核聚变反应到一定能量时，其辐射的粒子，特别是辐射热能到达约束设施，会使其受到损毁，而不得不停止运行。

只有再设计更大的器件，使其达到控核聚变稳定运行时间足够长，能有效释放应有的能量。

目前这两种方法，都是核聚变反应物质，全部被包围于约束设施之内，在运行过程中无法添加；只有停止运行后才能添加。而多有不便于连续运行。

本人曾有博文“激光内爆核聚变发电方案”就提出了用“物理力学”方法设计方案

（http://blog.sciencenet.cn/blog-226-830966.htm）

根据2014年2月12日发表在《自然》周刊网站报告的，美国加利福尼亚州利弗莫尔国家点燃实验设施进行的两次实验结果的数据，提出了一个：

“在直径10米靶室的30厘米厚的混凝土墙均匀分布的洞内，采用192个激光束500万亿瓦功率的激光脉冲和氘、氚，核聚变原料(总量相当于前述实验的中心小球)，保证氘、氚混合体运行达到中心后，其压强和温度达到核聚变的温度和压强，而能充分有效地聚变反应，释放能量。

当中心区域发生核聚变后，就还要同时计算各时刻产生的能量和向外传送过程中，对各处压强，温度的影响。直到达到墙体处，保证压力和温度不致损坏墙体和设备器件，并有足够的能量持续不断稳定地聚变、释放能量，供给环绕墙体处，发电机接受其热能的器件，用于发电。

能持续不断的更新补充供应核燃料，并控制释放的能量，使传播到靶室墙体处的压力和温度不致损坏墙体和设备器件。”的设计方案。

后又有进一步的改进方案：

激光内聚氘氚聚变发电解决人类能源的设计方案

http://blog.sciencenet.cn/blog-226-1033871.html

只需一根头发丝直径的氘、氚核聚变原料丝从靶室顶端垂到中心，192个激光束500万亿瓦功率的激光脉冲全部均匀分布在与核聚变原料丝正交的靶室圆周上，射向中心。

随着中心处的核聚变原料反应消耗，核聚变原料丝不断下降补充，而连续不断地供给环绕墙体处接受热能用于发电的器件。

为此，必须创制出所用核聚变原料从“室温、常密度到核聚变反应后的温度、密度”的整套状态方程，计算出中心处的核聚变原料在激光作用过程中 各部分状态的变化过程，以及达到核聚变反应后，发出的高能粒子、光和热辐射。

就能，也才能，计算调节确定核聚变原料丝的直径和下降补充的速度，而能连续不断地稳定供给环绕墙体接受热能用于发电的器件。

至于“托卡马克约束器件”，就因其结构复杂、核聚变反应物质距约束设施较近，而且，难于连续供应核聚变反应物质，而不能如此解决。

这一方案应是解决人类能源的最佳设计方案。

其中的关键核聚变材料、强激光器、所用核聚变原料从“室温、常密度到核聚变反应后的温度、密度”的整套状态方程、和有关系数、内爆的整套运行方程、程序，咱们都已全面掌握。

希望有关领导，尽快组织有关力量、及早具体设计、实现。

http://blog.sciencenet.cn/blog-226-1104589.html

这些，都充分反映了《物理力学》的基本方法、实际作用和显著效果。

2. 中国科学院力学研究所研制气动激光器、激光的广泛应用，和研究激光物理学

钱学森创办的，我们的，力学所，是我国导弹、航天的发源地。现在，在怀柔的基地，还保留着当年实验、研究的记忆。

70年代的上个世纪，就在这个孕育我国导弹、航天的原始基地，为了应对所谓“星球大战”，又萌发了激光反导和应用激光这个研究集体。

我们原本分别从事物理和力学的人员，来自各地、不同单位，聚集到一起，为了一个共同的目的：研制高能激光器，献身我国的高科技。

从气动喷管、气体管道、测试，磨片、镀膜、光腔设计、到激光物理、模拟计算、理论分析。形成了一整套完整的研制体系。

我们也逐步磨合、形成了团结、和睦，积极、奋进的战斗集体。

由于我们力学所，有气动喷管、燃烧等方面的专长设计，很快就获得了“气动激光”首次出光的全国第一。我们的工作也成为了国家的重点课题。

进而有铜制水冷散热、金质镀膜镜片和改进的光腔设计，,,, ，就迅速从烧穿复写纸上一个小孔的初次出光；发展到能在厚钢轨上击穿一个大洞的，3万瓦激光输出的较大功率。不少相应的单位，常来交流、讨论、学习。

在老所长钱学森《物理力学》原则的指导下，我们创建了气动激光理论设计的全部模拟计算、理论分析。可具体给出：根据，原料成分、喷管设计，产生的布居数反转，和光腔设计得到的光束模式和强度，以及输出激光的功率、光束的模式，能具体判定器件设计的实际功能优劣。

还能给出：输出的激光在传输过程中的衰减变化，和相应的修正。

对我们所采用的与激光气体流动方向垂直折叠的小型光腔的理论计算与实际采用的光腔所输出的3万瓦，完全相符，并表明：如果改换为沿流动方向折叠的大型光腔，就可达9万瓦。

表明实际科技，已达国际先进水平。

并获得了提高光束质量和远程传输的许多重要规律。

后因，考虑到气动激光是10.6微米的远红外波长，很容易被水分吸收的缺点，特别是，大器件，大量排放二氧化碳，造成的空气污染，不宜在北京市内进行试验，而停止。

由于有了物理力学研制激光器的整套方法，就又承担完成大连化物所863任务， “氧碘激光腔设计”和“氧碘激光振荡器与放大器的比较分析”两项研究报告的协作课题、承担合肥光机所863任务的激光传输课题、为传播相关技术，发展相关器件，做出了贡献。

我们的任务也在不断地丰富、转移，更广泛的发展应用激光和激光理论的研究：用“物理力学”设计各相应的控制激光运行方案，增强火车轮箍耐磨、汽车钢板毛化、滑膛炮筒耐用性显著提高、创制高电压测量仪器,…等, 完成了数十项重大科研任务、国家自然科学基金项目、和国家科技专利，发表了数百篇学术论文, … , 配合兄弟单位完成了多项863任务的协作课题。

3. 用“物理力学”方法，探寻基础物理、数学规律

由于在参加完成如上任务掌握了有关的物理力学方法，我在1992年离休后，就有时间，自备电脑，搞 那些过去在工作中长期深感重要，一直想搞，而又忙于担任课题任务，无暇顾及的，基础物理、数学规律的研究工作。

发表“普适于任意（包括非惯性牵引运动）的电动力学方程组”、“光子的4维时空多线矢特性”、“4维时空多线矢广义协变物理学”、“4维时空多线矢广义协变物理学的一些哲学观点”、“4维时空多线矢世界”等论文。

创建“4维时空多线矢广义协变物理学”新理论体系，统一研讨惯性和非惯性牵引运动系，欧几里得和黎曼时空的各种粒子和场的运动规律性，是相对论、量子力学及其场论的新发展。提出了统一场论、基本粒子等新的物理理论和结果。还提出了实测检验各普适公式的可行方案。

出书《时空可变系多线矢世界》。

2000年开始在人民、新华等网站，讨论有关问题。

2004年4月，开始在科学网 开建博客，用4维时空多线矢广义协变物理学”等结果，对基础物理现有国际流行观点的诸多缺陷、错误，提出相应的，弥补、纠正，意见和方案，与大家交流、讨论。例如：

加强数学科研必须大力加强学术交流讨论打破实际存在的诸多魔咒

http://blog.sciencenet.cn/blog-226-1192359.html

实验观测创新分析基本粒子演变规律

http://blog.sciencenet.cn/blog-226-1192436.html

科学论据具体揭示引力不可能产生任何“波”，所谓测到的根本不是引力波