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博文

钱学森的学术思想

已有 6571 次阅读 2009-11-1 04:53 |个人分类:生活点滴|系统分类:海外观察

2009-10-31

【说明:本人有幸参加钱学森先生主持的最后的一个讨论班(复杂巨系统讨论班-1990),那时钱先生已经有驼背,但仍然给大家亲自报告,学员来自科学院、清华大学(本人)、和国防机构,作为学员之一,我一直感到荣幸有机会直接得到钱先生的教育。

钱学森在美国时培养指导了2位博士,郑哲敏先生就是其中一位。2009420日本人荣幸得到郑先生的款待。由于我的导师张维先生是钱学森的同学,也是力学工程专家,所以见面时郑先生就说:“张维先生也是我的老师”。

今天钱先生已经驾鹤西去,大家都对钱学森的学术思想等进行讨论和怀念。我看郑先生作为钱学森的真传弟子,他的文章很好的介绍了钱学森的思想,供大家学习。

特别说明,我的导师张维一直倡导哥廷根学派,并直接应用于清华大学工程力学系的建设。我本人曾留学德国所以也特别提倡这种思想

 

 

力学与实践

19(1997)1

 

回顾力学所的建所思想

 

—— 祝贺钱学森先生八十五岁寿辰

 

郑哲敏

(中国科学院力学研究所, 北京 100080)

 

中国科学院力学研究所建于19561, 恰好在钱学森先生合家从美国回到祖国3个月之后, 至今已40年了. 钱先生当时关于力学所的建所思想不仅对这个所的发展起了决定性的影响, 而且依我看在今天仍有广泛的指导意义. 在这篇短文里, 仅依我个人的体会, 谈谈我对他建所思想的理解, 以表示对他85岁寿辰的热烈祝贺.

 

在他的建所思想中, 关于技术科学的思想占有主导的地位. 他认为技术科学始于本世纪初. 德国哥廷根大学著名数学家Felix Klein 在参观芝加哥举行的万国博览会后, 深感资源贫乏的德国只有依靠将自然科学的理论用于工程, 解决其中的关键问题, 才可能同资源丰富的美国相竞争. 因此便在哥廷根大学延聘了当时曾是工程师的Ludwig  Prandtl 从事应用力学(Angewandte Mechanik) 的研究. 在那之前, 力学研究与工程实际的联系不多, 而且往往被当作纯数学的一部分. Prandtl 本人发展了流体力学的边界层理论, 成为飞机机翼阻力理论的基础, 而且培养了在本世纪起重大作用的许多著名的应用力学家, 形成了有重大影响的应用力学学派. 在国际上20年代初便成立了定期召开的国际应用力学大会(50年代后演化为国际理论与应用力学大会). 这个学派先是在欧洲, 后来又在北美, 对推动航空工业的发展, 使其成为一个以科学为基础的工业, 起了十分关键的作用. 火箭技术, 原子武器, 雷达技术, 也遵循相同的发展道路.

 

钱学森先生受教于这个学派, 并且在这个环境中长期从事科研和教学, 对这个学派的精神有深刻的理解. 我想, 这就是他于40年代后期提出关于技术科学的系统思想的背景.

 

他在1947年短期回国访问时, 曾分别在浙江大学、上海交通大学、清华大学以技术科学为题做了报告, 宣传了它的作用与重要性, 并于次年在美国发表了题为“Engineering and Engineering Science”的论文. 1955年回国后在东北参观访问时又做了进一步的阐述. 1957年他在《科学通报》上发表了题为“论技术科学”的论文. 根据我的理解, 钱学森先生关于技术科学思想的要点是:

 

1. 技术科学是介于自然科学与工程之间的一门独立的科学, 也可以称之为桥梁. 这里所讲的自然科学包括物理、化学和生物. 数学则是技术科学的不可缺少的工具. 技术科学要应用和发展自然科学和数学的理论和手段, 解决工程面临的实际问题. 技术科学不是工程, 它的主要任务是领导工业的发展. 就是说, 从战略上讲, 它应以新的概念, 新的理论, 新的技术, 新的方法来武装工业, 带动工业前进, 并促使它不断发生质的飞跃. 反过来, 这就要求从事技术科学的科学家根据自然科学与工程的现状和发展趋势, 有远见地选定超前的研究课题, 不断开拓新的领域. 技术科学也要解决工程当前面临的问题, 但与前者相比, 对科学院的研究所来说, 这个任务是第二位的.

 

2. 既然技术科学的对象是工程, 那么它就不能象自然科学那样设法把研究对象孤立起来, 以研究其精确而又普遍的客观规律. 技术科学研究的对象是工程环境下的复杂系统, 它追求的是虽不十分精确且带有一定经验性的实用规律, 但必需是最大程度上建立在自然科学和数学基础上的. 一个好的技术科学家应当有力从复杂的实际问题中捕捉住主要矛盾, 提炼出清晰物理机制, 建立数学模型, 通过计算, 得出与观测或实验相一致的结果, 并可以据此得到工程上有用定量的预测. 对于一个复杂的问题, 这个过程往往不是一蹴而就的, 必需充分掌握所有有关这个问题的事实, 运用自然科学的规律作精密细致的思考, 经多次反复才能完成. 物理机制, 数模型都是主观的东西,要使主观与客观相一致, 必需作出艰苦的努力, 没有别的途径. 技术科学既然带有一定的经验性, 那么它所给出的结论就有局限性, 技术科学工作者对此必需十分警惕.

 

3. 技术科学的目标不是一个具体工程中的个别问题, 而是一类或几类工程中带有共性的“一般性”问题. 在这个意义上讲, 它是关于工程的基本理论. 本世纪初, 工程上最急需或首先要用到的是力学, 所以应用力学首先得到发展, 成为技术科学的先驱和样板. 到了本世纪中叶, 已经可以看到, 除应用力学之外, 技术科学还应当包括更为广泛的内容, 例如, 1948年到1957年钱先生曾在不同场合下提出, 凝聚态物质、电子学、核反应、核能和核工程、燃烧、金属的塑性加工成形、运筹学、工程控制论、计算技术、工程光谱学、工程经济学等作为技术科学应该包括的内容. 他极力主张学科交叉, 提出了化学流体力学, 物理力学, 电磁流体力学, 流变学等. 这就是说, 技术科学的内容不仅在内涵上要不断深化, 在外延上也决不可固步自封.

 

4. 技术科学的性质既然如此, 对科研人员的素质自然也就提出了一系列的要求. 他认为, 技术科学工作者作为自己的工具应很好地掌握数学, 要有坚实的自然科学基础和熟悉工程技术中的方法和问题, 能把工程技术中的实际问题提高到自然科学规律的水平上来研究. 在开发一种新的工程技术时, 技术科学工作者首先要能对其可能性、可行性和克服困难的主要途径作出判断.基于这个基本思想, 早在195611, 钱先生就明确了力学所先成立的4个研究组和它们的研究方向.4个组是:弹性力学组. 研究抗() 震的力学问题, 其主要科学问题是非平稳随机载荷下的结构动力学. 应用背景十分明确, 我国是多地震国家.塑性力学组. 研究描述物质塑性行为的本构理论, 其主要科学问题是如何将物质的微观行为, 如位错, 与宏观行为结合起来. 应用背景很广泛.空气和流体动力学组. 研究叶栅流动, 主要科学问题是叶栅引起的复杂旋涡运动, 这与提高喷气机中压气机涡轮机的效率有密切关系.自动控制理论组. 研究工程控制论.1956年初力学所成立之后, 又陆续按照技术科学的思想, 建立了化学流体力学组, 物理力学组, 运筹学组, 激波管组, 等离子体动力学组等.那时赶超世界先进水平并未成为讨论的焦点, 因为那是理所当然的事, 技术科学的本意也如此.

 

根据我的回忆, 讨论得最多的有以下几个问题.首先是从哪里起步的问题. 既然对多数人来说,方向和任务都是新的, 那么首先是了解和掌握情况,特别是国内外文献情况. 那是我们的起点, 只有这样, 才能避免走老路, 以最快的速度前进.其次是开设各种专题讨论班, 在那里, 不论资历深浅, 大家都是平等的, 这就是发扬学术民主. 这在从哥廷根大学起源, Prandtl, von Karman 创建的应用力学学派里, 早已不是什么新鲜事了. 只不过,Karman 主持的美国加州理工学院的GALCIT (Gugenheim Aeronautics Laboratory) , 讨论早已超越了经院式的了, 工程目标, 工业界的参与已经是这类讨论班的一个重要特色了. 在力学所, 这种做法受到宣传、鼓励和推行.干部培养是建所初期另一个突出的问题. 由于应用力学和技术科学的特色, 力学所从理工科的多种专业吸收毕业生. 进所并分配到研究组后, 就按指定的方向学习, 参加讨论班并参与一定的研究工作, 同时强调要在干中学. 为了加速干部培养, 力学所与清华大学联合举办了力学研究班, 从理工科青年助教, 应届毕业生, 高班大学生中抽调学员, 在应用力学方面进行专门训练, 以达到研究生水平. 此外又在中国科技大学创办近代力学系, 按照理工结合的精神, 培养新一代的专业人才.技术科学以及作为其一部分的应用力学既然是要为工程服务, 并领导工业前进, 那么就必然要强调研究工作联系实际, 发扬合作精神, 研究成果必需经得起实践的考验等等.以上这些措施所体现的建所思想, 我认为是和钱学森先生关于技术科学的思想是一脉相承的. 如前所述, 它对力学所的发展起了决定性的作用, 尽管由于种种原因, 许多方面未能如愿以偿. 他的这些思想既是对一个历史上重要学派的继承, 也是他自己多年科研和教学宝贵经验的总结. 从根本上来说, 这是一个不断前进, 不断开拓, 始终带动事业前进的思想, 因而是十分值得珍惜和重视的. 汲取他的思想精华, 找到加速发展我国科学和工业的道路, 是我们向他表示85寿辰热烈祝贺的最好方式.

 

参 考 文 献

1  Engineering and Engineering Sciences. Journal of the Chinese Institute of Engineers, 1948, 6: 114

2 钱学森. 去东北参观访问时在几所大学所作的报告, 1955

3 钱学森. 论技术科学. 科学通报, 1957

附件:

张维先生的治学、办学理念与我校工程力学学科

● 清华大学工程力学系

 


 

  2002年10月4日,中国科学院院士、中国工程院院士、我校工程力学系的奠基人、一代力学大师张维先生因病医治无效,不幸逝世。噩耗传来,工程力学系全体师生陷于巨大的悲痛之中。从白发苍苍的长者到初出茅庐的小字辈,大家都在追忆着,以各种方式寄托自己深深的哀思。

  张维先生是我校工程力学系的奠基人之一和首任系主任,也是我校工程力学研究班的筹办者之一。他对工程力学系和力学学科的影响是多方面的,但最重要的影响之一,当属他的治学理念和办学思想。归结起来,这一理念和思想可概括为:工程力学是介于基础科学和工程技术之间的一门技术科学或工程科学,工程力学本身的发展,要走科学与技术相结合、理论与实践相结合的道路。几十年来,工程力学系和力学学科的发展壮大,证实了这一理念和思想的正确性。

一、张维先生与哥廷根学派

  德国的科学研究,一向具有和工业实际的需要相结合的优良传统。张维先生的上述理念和思想,正是萌发于早期在德国的留学生涯,渊源于哥廷根学派学术传统的熏陶。这从张维先生早期的经历以及他对哥廷根学派的评价和关注程度可以看得出来。

  20世纪初,德国是世界科学技术的重镇之一。以哥廷根大学为中心,活跃着一大批卓越的数学力学家,形成了力学史上著名的哥廷根学派。理论与工程实际密切结合,是该学派具有代表性的治学理念和学术风格。

  1937年,张维以优异成绩考取中英庚款公费留学资格。1938年,他获得英国帝国理工学院硕士学位。同年转入德国柏林高等工业学校任助教,并在哥廷根学派的代表人物之一特尔克教授的指导下攻读博士学位。他的博士论文选题,是力学理论与工程实际紧密结合的范例。当时,有关薄壳结构的理论还很不成熟。他以敏锐的洞察力,预见到薄壳结构重要的工程应用前景。于是毅然投入到这一充满挑战的研究领域。经过坚韧不拔的努力,他首次用1/3阶复变量贝塞尔函数求得了圆环壳一致有效渐近解。杰出的工作为他赢得了广泛的赞誉。1944年,他以出色的研究成果通过答辩,获得德国柏林高等工业学校博士学位。

  张维先生曾如数家珍般地向后辈们介绍哥廷根学派的重要人物。他曾喜笑颜开地说,哥廷根学派的祖师福贝尔,可谓把传承该学派优良传统的工作“做到了家”。福贝尔本人是慕尼黑工业大学的工程力学教授,把两个儿子培养成了工程力学教授,又把两个女儿嫁给了两位工程力学教授,这在力学界传为佳话。这两位女婿中,其中的一位便是后来成为哥廷根学派领袖人物的普朗特。

  张维先生对学术成就出众的普朗特十分推崇,认为此人不仅精通数学,而且能娴熟地将数学与工程力学问题相结合。他说,1903年,普朗特发表著名的边界层理论时年仅22岁。这项工作引起了国际知名数学家、哥廷根大学数学系系主任克莱因的注意,将其从汉诺威高等理工学院聘请到哥廷根大学任工程力学教授。普朗特主持建立了哥廷根大学应用数学力学研究所,并亲任所长。在普朗特的领导下,哥廷根大学应用数学力学研究所人才辈出。许多国际知名的工程力学大师,如冯·卡门、铁木辛柯、普拉格、邓哈托、纳戴等,都出自普朗特的门下。在我国的力学学者中,陆士嘉先生(张维先生的夫人,著名的流体力学家)是普朗特的学生。张维先生还特别强调,普朗特是学机械出身的,不仅具有丰富的工程知识,而且具有杰出的数学才能,但从不认为自己是数学家,相反自认为是一个工程师。

  1953年,普朗特去世。为纪念他对力学的巨大贡献,德国航空研究协会和应用数学力学学会决定,自1957年起,每年邀请一位国际知名力学学者做一次纪念普朗特的学术演讲。到2001年为止,这样的演讲已进行了44次,所有的演讲内容均与普朗特在力学方面的贡献有关。出于对普朗特的景仰和对哥廷根学派的关注,张维先生精心收集了全部的演讲论文,并不顾88岁高龄,亲自组织专家学者将论文翻译成中文。张维先生认为,这是件极有学术价值的工作,既是对这位力学大师的纪念,又有助于弘扬普朗特的学术思想和哥廷根学派的治学精神,加速我们建设世界一流力学学科的步伐。遗憾的是,张维先生没能等到译文集的出版便与世长辞。

  张维先生认为,冯·卡门和铁木辛柯不仅是美国近代应用力学的奠基人,而且是哥廷根学派的学术传统在美国的传播者。他说,力学家应善于从工程中总结、抽象出力学问题,在这方面,冯·卡门和铁木辛柯都堪称典范。其中,将枕木上的铁轨处理成弹性地基梁便是铁木辛柯的首创,是一个“力学来源于工程、又服务于工程”的典型范例。他还说,铁木辛柯尽管具有出色的力学才能,但在移居美国后的相当长一段时间,只是默默无闻地在西屋的一家公司任工程师。1924 ~ 1926年间, 铁木辛柯著述的《弹性力学》第一版出版。作为该书的作者,铁木辛柯所用的头衔是工程师,因为当时他是工程师而不是教授。这本书至今仍是力学方面的经典教材。

  张维先生也是上述理念和思想的实践者和推广者。1947年,张维先生被我校聘为教授。他亲自给学生授课,先后讲授过《理论力学》、《材料力学》、《弹性力学》、《板壳理论》等课程。他在深入浅出、图文并茂的讲解过程中,同时向年轻的学生们传授着自己的理念,力求使学生真正理解工程力学来源于工程实际、又服务于工程实践的道理。

二、张维先生与我校工程力学研究班

  张维先生的上述理念和思想,在我校力学研究班的筹办、成立和发展过程中,得到了发扬光大。

  据张维先生生前回忆,清华力学班是在特定的背景下成立的。1954年,国务院开始制订《12年科学技术远景规划》。1956年5月,规划顺利完成,共包含了56项,都是与国家工业发展密切相关的项目。周恩来总理看后指示,应增加基础研究方面的内容。于是,增添了第57项——即数学、物理、化学、天文、地理、生物、力学学科的发展规划。

  为推动力学学科发展规划的实施,成立了以钱学森为组长、郭永怀和张维为副组长的领导小组。当时,领导小组面临一个十分紧迫的问题:谁来承担力学学科发展规划中的具体工作?

  解放前,我国的高等院校都没有力学专业。因此,解放初,我国懂力学的学生极少。他们当中,有部分学工程出身的人是到国外学习的力学,如钱学森、张维、钱令希、杜庆华等;另一部分学物理出身的人在国外转学了力学,如郭永怀、钱伟长等。

  1952年院系调整时,是否应在清华大学设置力学专业曾成为一个有争议的问题。一些力学工作者,如钱伟长、张维、杜庆华、陆士嘉等,认为清华应该设置力学专业。但这一设想遭到苏联专家的反对,因为苏联的力学专业都设在像莫斯科大学这样的综合性大学。于是,教育部只批准北京大学成立了数学力学系,我校和其他大学都没有获准。

  随着时间的推移,我国力学人才紧缺的状况日益突出。力学学科发展领导小组提出了两条建议:一是在包括清华大学在内的若干所大学设立力学专业;二是从1956年开始在重点工科院校的毕业生中,挑选优秀者,由中国科学院和清华大学联合在清华大学举办工程力学研究班。

  1956年,我校工程力学研究班正式成立,钱学森任班主任。张维先生当时任我校副校长,尽管工作十分繁忙,但仍然与钱伟长先生和杜庆华先生一起出任研究班的班务会议委员。力学研究班每年约招生120人,学制两年至两年半,共办了三届。每届都分为固体力学和流体力学两个专业班,但有共同的基础课程,并互选对方的专业课程。

  如上所述,力学研究班的学员大都是学工程出身,是重点工科院校的优秀学生。经两年的严格训练,又为这些具有工程背景的学员们奠定了扎实的理论基础。这些学员后来大都成为我国力学或相关学科的骨干或带头人。从历史的角度看,力学研究班既是科学规划的产物,也是上述理、工结合思想的成埂暗践。

三、张维先生与我校工程力学系

  力学研究班成立不久,我校于1958年成立了工程力学数学系。张维先生出任第一任系主任。

  当时,经院系调整后的我校主要以工科为主,而力学学科恰恰与理科关系密切。因此,究竟应怎样定位力学系?力学学科应怎样发展?力学系的办学方向何在?这在当时引起了激烈的争论。一种观点认为,清华是工科大学,应向列宁格勒工学院看齐,将力学办成纯工科性学科,围绕产品,用任务来带动学科。另一种观点则完全相反,认为力学学科有其自身的发展规律,应向莫斯科大学看齐,把力学办成纯理科性学科。

  面对激烈的争论和对立的观点,张维先生坚持自己的理念。他既不同意前一种观点,也不赞成后一种看法。他坚定地认为,应该二者兼顾,理工结合。一方面,力学研究应加强学科性,力学专业的学生应厚植基础,强化基本功;另一方面,力学的发展不应脱离工程实践。工程力学系四十多年的发展历史证明,这一办学方向是正确的。

四、张维先生与钱学森先生

  张维先生与钱学森先生是几十年的老朋友。两人有很多共同之处:他们都是《12年科学技术远景规划》的参与者,都是我校力学研究班的筹办者,都与哥廷根学派有很深的渊源和师承关系,都有相似的力学研究背景。尤其需要指出的是,他们对力学学科的发展和建设有一致的理念。

  如前所述,冯·卡门和铁木辛柯奠定了美国近代力学的基础。20世纪30年代后期,美国的应用力学获得迅猛发展。在这个背景下,钱学森到美国留学,直接师从冯·卡门,自然受冯·卡门乃至哥廷根学派治学风格的深刻影响。因此,张先生和钱先生理念一致,是情理之中的事。

  张先生去世前对钱先生在四十多年前的一个讲话仍记忆犹新。1955年冬,钱学森先生在北京理工大学做了《谈技术科学》的报告。他在报告中明确指出,应用力学或工程力学印棒于技术科学,它应定位于基础科学和工程技术之间,它的研究对象,印扒工程实践中提出的具有共同性和规律性的问题。张维先生认为,“工程力学属于技术科学范畴”是一个新提法、新概念。这也是钱学森先生首次对这一概念的涵义进行系统的阐述。

  张先生对钱先生以下的观点十分赞同:要学好力学和搞好力学,让本科生学习一定的工程课程是很有必要的;我们培养的力学家,应能够与工程师合作共事,能从工程实际中提炼出具有普遍规律性的力学问题,加以解决,从而进一步促进工程的发展。

  张维先生虽然离我们而去,但他永远活在我们的心中。他的治学理念和办学思想,将会通过他的学生们以及学生的学生们,一代又一代地传下去并发扬光大。



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1 郑文达

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