基础科学研究中的剑桥方向（一）

——剑桥大学的Hunt教授是如何做湍流研究的？

温景嵩

（2011年5月28日开始写于南开园）

剑桥大学素以出色的基础科学研究闻名于世。可以说她是现代科学的一块圣地。开辟现代自然科学的一些科学巨人们，像牛顿，麦克斯韦尔，卢瑟福等人正是在剑桥创造出他们彪炳史册的伟大科学成果。几百年来剑桥大学在基础科学研究上居然能做到长盛不衰。进入二十世纪以后，她还能以盛产诺贝尔科学奖得主及诺贝尔级的科学成果而著称于世。虽然创造诺贝尔科学奖以及诺贝尔级的科学成果难度极大。例如，在我国这样一个拥有十三亿人口，拥有大批中国科学院院士的大国，但建国以后六十多年来却连一个诺贝尔科学奖或一个诺贝尔级的科学成果也未能做出，可见诺贝尔科学奖和诺贝尔级的科学成果创造之难。然而在剑桥这样一所大学之内，却不仅能产生一个两个，而是能产生大批的诺贝尔级的科学成果，和大批的诺贝尔科学奖得主。据统计，她单单一所大学的诺奖得主常可超过一个欧洲科学强国的诺奖得主的总和。由此可见，剑桥大学的基础科学研究确是名不虚传，十分惊人。于是，人们就常常以为在剑桥大学工作的那些教授们，应该都是些不食人间烟火专注于那种非常纯的基础科学研究的科学家。然而三十多年前，当我初次来到剑桥，来到由国际流体力学大师G.K.Batchelor教授创办和领导的剑桥大学应用数学和理论物理系，和系里教授们的初次接触，却和我的这一认识完全相反，因而使我非常惊讶。

我是带着湍流中的不连续性这一湍流基础研究中的大难题到Batchelor教授这里来请教的。Batchelor教授是闻名于世的湍流大家，而且早在1949年他就在风洞实验室中发现了湍流的这一特性。那时他把这一特性称之为湍流的间歇性，而且认为是湍流活动中的固有特性，非常重要。因此，我那时满怀着很大的期望想在Batchelor教授亲自指导下来研究这一难题，希望能有重要的收获。可没想到，在Batchelor教授和我第一次interview时，他就告诉我他早已不搞湍流了，不过他们系里的Hunt教授仍在做湍流，有关湍流的问题可以去找他谈。于是我来到了Hunt教授的办公室。更出乎我的预料的是：Hunt教授开门见山，直截了当地告诉我，他不搞基本问题的研究，他搞应用。目前是在做扩散方面的课题。“啊！我是在剑桥吗？！”我很吃惊地暗想。扩散确实是湍流应用方面的一大课题。四十年前我在大气物理所就搞过。那时我们在顾震潮先生的领导下，承担了原子弹在大气中爆炸后所产生的影响的研究任务。我们要研究原子弹爆炸所产生的蘑菇云如何向下风方面扩散的课题。可那是在中国科学院的大气所。按照当时我国对基础科研制定的发展路线，中国科学院各个研究所必须按照“任务带学科”的方向来发展。因此，承担国防研究任务就是我们大气所必须承担的光荣职责。而这里是在剑桥，是在举世闻名的基础科学研究圣地。怎么他们也搞起应用研究来了？难道他们也承担起英国的国防任务？难道剑桥的基础研究也要按照我们的“任务带学科”的路线来发展？我实在感到不解。然而当我进一步了解了Hunt教授的研究工作后，我才渐渐地明白，他们搞的湍流扩散应用研究，和我当年在大气所搞的有很大不同，甚至可以说是根本不同。

首先我们当时在大气所研究扩散课题的目的很明确，那就是要为我国的原子弹的研制服务。要研究原子弹在大气中爆炸后所产生的大气扩散问题。而当时Hunt教授在剑桥所搞的扩散课题，却没有这样明确的目的。实际上那时以Hunt教授为首的剑桥学者是另有所图：那就是他们要发展扩散理论，进行扩散理论上的创新。显然这并不是像我们那样的纯应用研究。实际上，它仍然属于基础科学研究的范围，确切的讲，是属应用基础科学研究。这正是剑桥的基础科学研究的一大特色。

其次在研究方法上也有很大的区别。当年我们在大气所所搞的湍流扩散研究，是采用野外烟团扩散实验方法来从事大气扩散规律的研究。其目的是要检验现有的扩散理论，最后要得出一组不同天气条件下半经验半理论的扩散曲线，以供我国原子弹试验基地在原子弹试爆时发布放射性污染物污染范围警报时参考。然而，Hunt教授在进行扩散理论创新时，却不搞实验。他们是直接从研究现有扩散理论的局限性开始。这就很容易地发现现有的扩散理论都是局限于均匀气流条件下。事实上，现代的湍流扩散理论是从Batchelor教授的老师，二十世纪上半叶的国际流体力学大师G.I.Taylor教授在1921年所建立的。从那时起，经过三十年代Sutton的发展，以及五十年代和六十年代Pasquill和Hay以及Smith等人的进一步发展，已经形成了一套相当成熟的湍流扩散理论。然而这些理论都是局限在当年G.I.Taylor教授所规定的均匀气流条件基础之上，所以它带有很大的局限性。这种理论只有在平坦均匀地形中才有可能实现。当年我们在大气所从事野外烟团扩散试验时，所选择的地形也是平坦均匀的地形，只有这样才能检验现有的扩散理论。但是实际问题中的地形却很难找到这种绝对均匀平坦的地貌。某种地形上的起伏，甚至会遇到某种障碍物，这都是常会发生的事。此时的扩散情况显然不可以均匀气流条件下的扩散理论来解释。于是创造新的非均匀气流条件下的湍流扩散理论，就成为Hunt教授研究湍流扩散问题时的首要目标。目标选定后他们在方法上也是从理论上入手。他们选择了两种典型的非均匀流场下的问题来做。一种是两维的半圆柱非均匀绕流问题，另一种是三维的半球形绕流问题。结果发现，这两种非均匀流场中的扩散和均匀流场下的有很大的不同。当流场在绕流时发生幅散情况下，烟团扩散速度会比均匀流场下的快很多。反过来，当流场在绕流时发生幅合情况下，烟团扩散速度就比均匀流场中的扩散慢很多。最严重的情况下，烟团宽度不但不会随扩散距离的增加而增加，反而还会发生缩小的情况，这都是过去的湍流扩散理论所无法解释的。显然这种条件下所产生的实际影响也就要比均匀扩散严重得多。以上就是在七十年代，剑桥大学的Hunt教授等人对湍流扩散理论所做出的新发展。这同时也就大大拓展了原有的扩散理论所能应用的范围。就这一点而言，在剑桥那里，他们和我们完全相反：他们搞的是“学科带任务”而不是我们的“任务带学科”。显然，这是以剑桥大学Hunt教授为首的学者们在七十年代对湍流扩散理论做出的重要贡献。

当我了解到Hunt教授等人的湍流扩散问题研究的实际内容后，我很感慨。我们那个时候的科学院，经常在纯基础研究和纯应用研究两个极端方向中摇摆。有时人们强调要重视基础科学研究时，大家就都摆到像1+1等于几那样的纯而又纯的基础研究中去。过了一阵人们又强调要重视应用，大家就都摆到纯应用的方向上去。恨不得把科学院的研究所都变成某一个国防单位或者某一个国民经济部门附属的实验室。而像剑桥大学的Hunt教授等人这种类型的应用基础科学研究，却始终排不上号，无人问津。这实在是可惜，太可惜了。

当然，剑桥大学的学者们在从事他们这种类型的应用基础科学研究时，也并没有放松对纯基础科学问题的关注。例如，我原来想到剑桥研究的湍流的不连续性（即间歇性）问题。1981年当时法国学者Frisch的跨国三人小组（另外两位是美国学者Orszag和瑞士学者Morf）对于这一大难题，做出了突破性的新进展，他们就马上把Frisch请到剑桥来向剑桥学者详细地讲述这一重大的最新进展。我也就是从这一次活动中才认识到像湍流间歇性这一重大的基础科学问题，其难度是多么大。实际上这一问题到现在又过去三十年了，但它仍然还没有完全彻底的解决。其难度简直可说是非比一般了。

从以上湍流研究的例子就可以看出，纯基础科学问题的研究难度要比应用基础科学问题的难度大很多，所需要研究的周期也就要长很多。从此也可以看出加强应用基础科学研究的又一重要性。从事纯基础研究的人们应该少而又少，而从事基础科学研究中的大部分人们，应该去从事像剑桥学者那样的应用基础科学研究。在这里需要强调的是：千万不要把他们变成是纯应用研究部门；千万不要把他们变成是某一国防单位或某一经济部门附属的实验室。这样才会既有利于我国基础科学事业的健康发展，同时也就会大大有利于我国的现代化事业的蓬勃发展。以上这点浅见不知各位朋友们以为如何？欢迎朋友们批评指正，欢迎朋友们不吝赐教，谢谢。

（本文2011年6月30日完成于南开园）