【按】詹姆斯·赖特希尔（Sir James Lighthill）是20世纪最伟大的力学家之一。这里录入我十二年前的一篇旧作，简介他的生平事迹。希望大家对这位流体力学巨子的成长历程、学术成就、创新精神和治学风格有个基本了解，追随他的脚步，在各自的岗位上创造骄人的业绩。

请各位注意如下几点：

1）赖特希尔尽管在剑桥特立尼德学院只上了两年战时数学速成班（1941～1943），但他的数学、物理学基础甚是了得；

2）他一直站在学科最前沿，善于开拓新领域。

 

一、航空航天时代的耕耘者

    1903年莱特兄弟研制的飞机上天，人类进入航空时代。但当时，人们对飞行器运动的主要理论基础之一——流体力学（特别是空气动力学）还了解得十分肤浅。1905年，德国著名流体力学家路德维希·普朗特发现了物体在流体中运动时物面附近形成的边界层，随后以他与他的学生冯·卡门为代表的学者经过半个多世纪的不懈努力，使空气动力学渐臻完美，人们对边界层理论、流动稳定性、亚声速及超声速流动乃至高超声速流动等有了深入的理解。1940年代，人类突破了“音障”，步入超音速新纪元；五六十年代，“热障”被突破，人造卫星上天，航天时代宣告开始。这时，人们意识到，必须进一步关心自身的生存环境和和生存机理。于是地球流体力学和生物流体力学应运而生；大约自1960年以来，海洋和大气动力学异军突起，颇具活力，它描述了波动与湍流的错综复杂的相互作用；生物系统流体动力学作为具有巨大挑战性的一个领域，约略发端于1970年，随即迅速成长，目前正方兴未艾。

    詹姆斯·赖特希尔令人眼花缭乱的阅历特征，即是他对上述诸领域的开拓性贡献。他的工作以应用数学的经典技巧为基础，而他的风格则是孜孜不倦地以基础物理来解释数学结果，他异常成功地实现了这一目标。

    迈克尔·詹姆斯·赖特希尔1924年1月出生于巴黎，父亲是英国人，母亲是法国人。1941年，他就读于剑桥的温彻斯特学院和特立尼德学院，在战时两年速成班钻研数学，毕业于1943年。在校期间，他显示了超人的数学天赋，本来他立志于从事纯数学研究，但战争的急需压倒一切，他毕业后随即就职于英国国立物理学实验室，进行超音速空气动力学研究，在那里他夜以继日地发奋工作。1945年，他受聘为特立尼德学院的研究员；翌年，受著名流体力学家悉德尼·果尔斯汀吸引，他转到曼彻斯特大学任职，直至1959年；1950年，他继果尔斯汀之后，任应用数学贝耶教授，时年26岁，这样年轻的讲座教授在当时是绝无仅有的，现时也不多见。

 

二、现代空气动力学的开拓者

   在四五十年代，詹姆斯·赖特希尔在空气动力学领域里纵横驰骋，硕果累累。出于航空事业发展的实际需要，他的研究涉及面很宽：超音速机翼理论（尤其是有限翼展理论）、旋成体（机身）的超音速绕流、翼栅绕流、跨音速流的速度图变换、激波（冲击波）理论、边界层理论、湍流理论等等，他熟练地运用数学技巧，巧妙地解决种种困难，有关成果可以直接应用于现代飞机的设计。值得一提的是，为了研究上述问题，他发展了多种应用数学方法，其中最为著名的是：1949年，他拓宽了邦加莱等提出的一种奇异摄动方法，通过坐标变形来消除摄动解的奇异性，被后人命名为邦加莱-赖特希尔-郭永怀方法（PLK方法）。然而赖特希尔的举世公认的最大贡献是在气动噪声方面。喷气式飞机一问世，人们就认识到气动噪声的危害性，对于设计低噪声喷射引擎来说，了解噪声成因机理至关重要，当时人们没有良策，众说纷纭，成了世界性难题。赖特希尔在1952年和1954年先后发表了论文“论空气动力学生成的声音”的第一、第二部分，为这一课题的所有后续性工作奠定了基础。他发现高速喷射流中的湍流等价于一种四极源分布，据此计算出辐射声场的强度（一种八次幂律）和方向分布。赖特希尔的这一创造性工作为他赢得了世界性的声誉，他年仅29岁就荣任皇家学会会员。

    赖特希尔的研究兴趣不全在于军事应用，1955年，他与他的学生惠瑟姆发表了著名论文“论运动学波”运用流体力学中的连续性方程成功地对交通波和洪水波进行了分析，奠定了现在交通流理论的基础，被后人称为赖特希尔-惠瑟姆理论或L-W理论。自1959年至1964年，赖特希尔受聘为位于汉普郡法恩波罗的英国皇家航空研究中心主任，尽管为这一职务所累，他仍与众多研究团体保持密切联系，而且发表了关于地球物理流体力学和生物流体力学的几篇论文，它们预示了他日后全身心地关注的兴趣所在。在1964年，他任伦敦帝国学院的皇家学会教授；1969年，接任剑桥的卢卡斯数学教授，任期达十年之久。任教期间，他的上述兴趣得到了充分发挥。

 

三、生物流体力学的奠基人

   在此期间，他的主要工作涉及流体（特别是旋转中的流体，如地球物理流体）中的波动，有关成果后来被他写进了专著《流体中的波》；更知名的工作是关于他名之为“生物流体动力学”（biofluiddynamics）的课题。赖特希尔对这一课题的兴趣源自剑桥动物学詹姆斯·格雷教授的启发，格雷在1969年发表了评论文章“亲水动物行进的水动力学”，大大地触动了赖特希尔的灵感，他将流体力学的边界层理论、涡面理论等出色地运用于鱼类动物的分析，成功地认识了鱼类游泳规律、鱼群运动减阻特性等，并且编制了人类仿生学的梦想（如今梦想正在成真！）。在这类研究中，赖特希尔特别强调交叉性学科研究的必要性：“……如果我想对亲水动物运动的水动力学进行分类，我必须与动物学家交谈，而且一直交谈下去；必须读他们的著作，而且一直读下去；必须（在博物馆或水族馆里）研究他们的收集物，而且一直研究下去！”他的确是这样做的。正是通过这种专心投入，科学探索中的一个崭新领域才得以界定、探索并呈现在流体力学界面前。

    在生物流体动力学领域中，赖特希尔同样对了解鸟类和昆虫的飞行做出了贡献，对这一话题，他所擅长的空气动力学正好大有用武之地。1979-1989年，他担任伦敦大学学院院长，这并未阻挡他的科研成果源源涌出的势头。他与动物学家的交流再次显示了关键性作用，其中，他与托克尔·维斯-福格（剑桥的詹姆斯·格雷的继任者）进行了出色的合作，揭示了小型飞行昆虫升力产生的机理，即振翼-急冲-扫掠的系列过程，此过程在昆虫翅膀上产生环流，从而通过基本上是无粘的机制生成升力。正因为如此，一种小蜂的升力系数超过了所有的人造飞行器。

    在这一领域中，赖特希尔另一个巨大贡献是在心血管流体力学方面。他敏感地觉察到，血管中的血液流动，尤其是所产生的剪切应力与心血管疾患应该有密切关系，于是亲自主持了有关动脉粥样硬化的国际学术讨论会，为日后的心血管流体力学研究定下了框架。他还别出心裁地把流体润滑理论用于血液微循环理论，成功地解释了直径大于微血管的血流细胞进入微血管的机理。在他去世后不久，1998年8月在日本召开的第三届世界生物力学大会上，人们公认赖特希尔是生物流体力学的奠基人之一，他的工作仍在发挥巨大的作用。

    他的上述工作在专著《数学生物流体动力学》（1975）中作了总结，这本书成了应用数学用于力学科学的典范。

 

四、国际力学组织的带头人

    1971年，正值他漫长的研究生涯中途，赖特希尔受勋为爵士。他频繁地应邀在国际会议上做大会报告，而且总是兴致勃勃地乐此不疲。他演讲的风格颇具师长尊严，充满权威性地演绎他的观点，绝少顾忌时间的限制，他的演讲表现了他对这一学科的执着的忠诚，而且经常妙语连珠。例如，1962年，正值磁流体力学大行其道之际，他说：“需要明白无误地重申的是，无电流流体的连续统力学与物理学所有其他分支一样，有着生气勃勃、激动人心的现在和未来。”赖特希尔本人的工作验证了他这一论断的长久正确性。

    1984年，赖特希尔当选为国际理论和应用力学协会主席，他风尘仆仆地奔波于世界各地，也曾两次来华访问。任职四年间，他组织了许多小型讨论会。1990-1995年，他担任国际减灾十年特别委员会主席，运用他在地球流体力学中的渊博知识，对全球气候变化和热带气旋作了精湛的研究，并在1992年主持了国际减灾十年北京讨论会。尽管他年事已高，但聪明睿智不减当年。

    赖特希尔一生著述颇丰，共出版专著六种。学术论文150余篇。

    1998年7月17日，赖特希尔在英吉利海峡的波浪滔滔的海面上，绕萨克岛几乎游完全程，不幸竟意外逝世，享年74岁。25年前他曾首次有这样的壮举。他有环岛游泳的嗜好，这方面，他引以自豪的是在火山喷发期间绕斯特洛姆波利岛游泳。在海滨苟安不是他的风格，他的死犹如他的生。他留有遗孀南希·杜马莱斯克，他俩结发53载，有一子四女。

    致谢：英国剑桥大学的皇家学会会员H. K. Moffatt教授为本文写作提供了大量素材；作者与复旦大学的柳兆荣老师进行了有益的讨论；谨此一并感谢。

（1998年10月7日收到）

 

詹姆斯·赖特希尔的主要学术论著（略）

詹姆斯·赖特希尔简历

1941-1943年  就读于剑桥特立尼德学院战时速成班

1943-1946年  任英国国立物理学实验室航空部研究实习员（后任研究员）

1946-1950年  任曼彻斯特大学数学高级讲师

1950-1959年  任曼彻斯特大学应用数学贝耶（Beyer）教授

1953年       成为英国皇家学会会员

1959-1964年  任英国皇家航空研究中心主任

1964-1969年  任伦敦帝国学院皇家学会研究教授

1965-1969年  任英国皇家学会物理学秘书

1969-1979年  任剑桥大学数学卢卡斯（Lucas）教授

1979-1989年  任伦敦大学学院院长

1989-1998年  任伦敦大学学院数学系名誉研究员

 

 

原载于《自然杂志》1998年第20卷第6期345-348

 

【后记】我与这位流体力学家曾有两次晤谈，他的音容笑貌至今仍历历在目。给我印象最深的是1987年夏天我们在北京的第二届国际流体力学学术会议上的初识。在会议的间歇，我们有一次畅谈。我告诉他，我正在做内波方面的研究，读过他的名著《流体中的波》，得益匪浅。他说，“书是要读的，最要紧的是进行新的探索，把学过的知识用上去。内波研究是个挑战性的课题，我的书里只介绍了最基本的知识，还有许多规律性的东西有待于搞清。”我向他请教怎样做好流体力学研究？他说：“最要紧的是要让流体流起来，动起来，有的研究流体力学的人给了一大堆公式，却搞不清流动规律，这种‘工作’一文不值！要研究，就是要真刀真枪地解决问题！”我当时就觉得这些话对我极有裨益，可能他已知道我是学数学出身，于是就有这番快人快语。从那时起，我更崇敬这位身材魁伟、个性鲜明的学者了。1998年夏天，我突然听说他已辞世，深感震惊，立即向他的学生、我的朋友英国皇家学会会员Moffatt教授打探消息，并向他索要有关Lighthill的信息。Moffatt很快给了我回音，证实了噩耗，并给我寄来了详尽的资料。1998年国庆节，我根据这些资料和平时对他的了解，奋笔直书，化了一整天时间写成上文，后投寄《自然杂志》，发表于该刊当年的最后一期。发表后引起了读者的注意，有些网站后来还予以转载，足见这位流体力学大师的影响力之大。然而，由于我才疏学浅，难以充分展示这位大师灿烂的人生篇章，期待着到了有闲阶段，再多读点书，把Lighthill的辉煌业绩和治学风格更详细深入地介绍给大家。

 

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