錢(qián)學(xué)森與力學(xué)
時(shí)任中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所所長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)物理系教授錢(qián)學(xué)森在課后給同學(xué)們解答問(wèn)題（資料照片，1964年攝）。來(lái)源：新華社。
撰文 | 談慶明
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錢(qián)學(xué)森先生是國(guó)際知名的力學(xué)大師，他的許多力學(xué)著作堪稱經(jīng)典文獻(xiàn)，他對(duì)近代力學(xué)以至技術(shù)科學(xué)的內(nèi)涵和發(fā)展方向發(fā)表過(guò)全面系統(tǒng)的論述，筆者在這里談?wù)勛约旱膶W(xué)習(xí)心得，作為對(duì)科學(xué)家錢(qián)學(xué)森和近代力學(xué)史研究的探討。
從學(xué)習(xí)“火車頭”轉(zhuǎn)向研究“飛機(jī)”
1929年，錢(qián)學(xué)森中學(xué)畢業(yè)后，眼見(jiàn)龐大的祖國(guó)疆土關(guān)山阻隔、軍閥割據(jù)、交通落后，便考入交通大學(xué)機(jī)械工程系，學(xué)習(xí)鐵道機(jī)械工程專業(yè)。1934年，錢(qián)學(xué)森以優(yōu)異成績(jī)從交通大學(xué)畢業(yè)。大學(xué)的學(xué)習(xí)大大拓寬了眼界，他的興趣逐漸轉(zhuǎn)向了新一代的交通工具——飛機(jī)，同時(shí)他也認(rèn)識(shí)到飛機(jī)在戰(zhàn)爭(zhēng)中的重要作用。
國(guó)民黨政府在1928年設(shè)立了航空署，1934年改稱航空委員會(huì)，下面只有修理廠，不能制造飛機(jī)。1932年1月28日，日本飛機(jī)轟炸上海，中日空軍多次空戰(zhàn)，我英勇戰(zhàn)士駕駛的卻不是國(guó)產(chǎn)飛機(jī)。
錢(qián)學(xué)森深切覺(jué)悟到，為抵御列強(qiáng)侵略，必須建立自己國(guó)家的航空工業(yè)。因此，他報(bào)考清華學(xué)堂公費(fèi)留美，專業(yè)是飛機(jī)設(shè)計(jì)?？荚嚨膶I(yè)科目是航空工程，得到了極高的分?jǐn)?shù)——87分，終于被錄取。這就是后來(lái)他自己說(shuō)的從學(xué)習(xí)笨重的“火車頭” 轉(zhuǎn)向研究輕巧的“飛機(jī)”的過(guò)程。
在美國(guó)的力學(xué)研究
1935年秋，錢(qián)學(xué)森進(jìn)入美國(guó)麻省理工學(xué)院航空工程系學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)成績(jī)超群，這使他感到作為一名中國(guó)人而自豪。然而，當(dāng)時(shí)美國(guó)的航空工廠不歡迎中國(guó)人去實(shí)習(xí)。經(jīng)過(guò)一年時(shí)間取得碩士學(xué)位以后，他決定轉(zhuǎn)學(xué)加利福尼亞理工學(xué)院（簡(jiǎn)稱Caltech），追隨力學(xué)大師馮·卡門(mén)（Theodore von Karman），學(xué)習(xí)與航空工程有關(guān)的基礎(chǔ)理論，即應(yīng)用力學(xué)。
20世紀(jì)一開(kāi)始，航空技術(shù)的發(fā)展與流體力學(xué)的研究基本上是脫節(jié)的。1903年，Wright兄弟實(shí)現(xiàn)了第一次有人駕駛的動(dòng)力飛行，但流體力學(xué)家并沒(méi)有給他們提供設(shè)計(jì)原則。
那時(shí)，不會(huì)求解有粘性的流體力學(xué)方程，而無(wú)粘性流體力學(xué)的理論卻說(shuō)明，物體在流體中運(yùn)動(dòng)既無(wú)阻力也無(wú)升力，當(dāng)然與實(shí)際不符。到了1904年，德國(guó)的普朗特（L. Prandtl）提出了邊界層理論，只需在物體表面附近考慮粘性的作用，求得了物體所受到的摩擦阻力，從此，由普朗特開(kāi)創(chuàng)的應(yīng)用力學(xué)便和航空技術(shù)緊密地結(jié)合起來(lái)，成為推動(dòng)航空技術(shù)發(fā)展的理論基礎(chǔ)。
20世紀(jì)的最初30年里，西歐和俄國(guó)的力學(xué)大師們圍繞飛機(jī)的升力和阻力的原理以及材料和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的理論，取得了豐碩成果，為全金屬飛機(jī)的設(shè)計(jì)和制造提供了可靠依據(jù)。
如果說(shuō)，20世紀(jì)初是普朗特在德國(guó)的哥廷根開(kāi)創(chuàng)了應(yīng)用力學(xué)學(xué)派，那么到了1930年則是他的優(yōu)秀學(xué)生馮·卡門(mén)把應(yīng)用力學(xué)從德國(guó)帶到了美國(guó)。1929年底，馮·卡門(mén)到Caltech任教。他與航空公司保持緊密聯(lián)系。他為Douglas公司解決了因提高速度而發(fā)生顫振的問(wèn)題；他為了提高剛度，在金屬板殼上加筋，使Douglas公司做出了第一架全金屬飛機(jī)。這些成就為Caltech在新興飛機(jī)工業(yè)中贏得重要地位，也體現(xiàn)了應(yīng)用力學(xué)的巨大威力。
1935年馮·卡門(mén)參加第五屆Volta會(huì)議，這次會(huì)議標(biāo)志著超聲速時(shí)代的開(kāi)始。1936年，錢(qián)學(xué)森轉(zhuǎn)學(xué)到加州理工學(xué)院，在上述時(shí)代背景下開(kāi)始應(yīng)用力學(xué)的學(xué)習(xí)和研究。
馮·卡門(mén)建議錢(qián)學(xué)森在博士論文的工作中，研究與高速飛行直接相關(guān)的考慮空氣可壓縮效應(yīng)的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)3年緊張和艱苦的工作，1939年錢(qián)學(xué)森完成了極其出色的學(xué)位論文。
論文內(nèi)容豐富多采，共4個(gè)部分。前3個(gè)部分的工作，即可壓縮流體邊界層、有傾角的回轉(zhuǎn)體超聲速繞流以及應(yīng)用恰普雷金變換求解二維亞聲速流動(dòng)，是馮·卡門(mén)建議做的；第4部分則是和同學(xué)馬林納合作研究的結(jié)果，內(nèi)容是以逐次脈沖推進(jìn)的探空火箭的飛行分析。
論文的第1部分涉及高速飛行體所受到的阻力和表面熱效應(yīng)。在那時(shí)的文獻(xiàn)中，普遍認(rèn)為超聲速飛行的空氣阻力主要來(lái)自激波阻力，而表面摩擦阻力并不重要。至于熱效應(yīng)，一般認(rèn)為飛行體的表面被周圍的空氣所冷卻。
然而錢(qián)學(xué)森卻得到了嶄新的重要結(jié)論：第一，在高速飛行中，空氣可壓縮性對(duì)表面摩擦具有重要影響，摩擦阻力大于激波阻力；第二，當(dāng)飛行馬赫數(shù)增大到一定數(shù)值時(shí)，飛行體表面的空氣薄層中所產(chǎn)生的熱量不僅不能被忽略，相反地將對(duì)飛行體起加熱的作用。這一新結(jié)論的重要性在于，從理論上預(yù)見(jiàn)了實(shí)現(xiàn)高速飛行將面臨的一大障礙，即后人所稱謂的“熱障” ，必須采取有效的冷卻或防熱措施。
論文的第3部分是尋求計(jì)算高速飛機(jī)翼面上壓力分布的方法。那時(shí)，對(duì)于亞聲速流動(dòng)，已有的方法只能計(jì)算機(jī)翼很薄或飛行速度較低的情況。1932年丹姆千科（Demtchenko）以及1933年布茲曼（Busemann）采用了查普雷金變換，把原來(lái)的非線性方程化為線性方程，用駐點(diǎn)處的切線代替等熵關(guān)系曲線，求得翼面上的壓力分布，可惜只適用于飛行速度為馬赫數(shù)Ma＜0.5的情況。
馮·卡門(mén)憑著對(duì)物理問(wèn)題的洞察力，建議錢(qián)學(xué)森不用駐點(diǎn)處的切線而改用來(lái)流狀態(tài)點(diǎn)處的切線代替等熵關(guān)系曲線，可能會(huì)得到更好的結(jié)果。錢(qián)學(xué)森證明，雖然同樣是切線近似，采用來(lái)流狀態(tài)點(diǎn)處的切線近似，果然得到更為精確的結(jié)果，適用范圍還可擴(kuò)大到高亞聲速的流動(dòng)。在第二次世界大戰(zhàn)期間及戰(zhàn)后一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期，上述近似計(jì)算方法廣泛應(yīng)用于飛機(jī)翼型的設(shè)計(jì)，這就是著名的“卡門(mén)一錢(qián)近似”方法。
上面只是對(duì)他博士論文的第1和第3部分作了簡(jiǎn)介，從中可以看出，錢(qián)學(xué)森剛進(jìn)入力學(xué)界便寫(xiě)出了對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展起重要作用的經(jīng)典文獻(xiàn)，展示出他的過(guò)人才華。
1939年6月，錢(qián)學(xué)森獲得航空與數(shù)學(xué)博士學(xué)位。在1939一1953十多年里，錢(qián)學(xué)森在應(yīng)用力學(xué)領(lǐng)域，緊密聯(lián)系高速飛行，為突破“聲障”和“熱障” ，幾乎全方位地進(jìn)行探索，并做出了重大貢獻(xiàn)。
1939年，錢(qián)學(xué)森獲得博士學(xué)位后，開(kāi)始對(duì)薄殼的失穩(wěn)問(wèn)題發(fā)生了興趣。這是因?yàn)椋?/span>
①第二次世界大戰(zhàn)已經(jīng)開(kāi)始，各國(guó)正在制造全金屬薄殼型飛機(jī)。薄殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高而質(zhì)量輕；但當(dāng)載荷超過(guò)某一數(shù)值，會(huì)發(fā)生皺癟而失效，稱之為屈曲。設(shè)計(jì)師需要知道導(dǎo)致屈曲的臨界載荷的大小，可是用經(jīng)典線性理論得到的數(shù)值卻遠(yuǎn)高于試驗(yàn)值。
②為了解決上述矛盾，理論上必須放棄小變形假設(shè)，而遇到求解非線性方程的困難；實(shí)驗(yàn)上對(duì)條件的控制和現(xiàn)象的觀測(cè)要求有高的技術(shù)。
錢(qián)學(xué)森系統(tǒng)總結(jié)了前人的工作，剖析了優(yōu)缺點(diǎn)，利用當(dāng)時(shí)可能得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，認(rèn)為應(yīng)當(dāng)考慮有限撓度的影響，采用能量法求取屈曲臨界載荷。
錢(qián)學(xué)森首先研究球殼失穩(wěn)的問(wèn)題。他猜測(cè)，經(jīng)典理論之所以失敗，在于沒(méi)有考慮到在加載過(guò)程中球殼除了保持球形位形以外，還可能存在多個(gè)位能更低的其他位形。殼體受到外界干擾時(shí)，會(huì)從位能高的球形位形躍變到位能較低的位形。
他認(rèn)為：有必要區(qū)分經(jīng)典線性理論所給出的“上”屈曲載荷以及使殼體發(fā)生有限變形的“下”屈曲載荷。前者可以在試驗(yàn)中小心避免初始缺陷而達(dá)到，而在設(shè)計(jì)中所采用的臨界載荷只能是后者。錢(qián)學(xué)森提出和運(yùn)用上述能量躍變?cè)瓌t，得到的“下”屈曲載荷值確實(shí)和試驗(yàn)值很接近，因而被工程界接受。
1940年，錢(qián)學(xué)森進(jìn)一步將能量躍變?cè)瓌t推廣到應(yīng)用更為廣泛的柱殼的情況。他為了求取圓柱殼屈曲的臨界載荷，尋找殼體可能達(dá)到的位形，進(jìn)行了大量推導(dǎo)和演算，手稿長(zhǎng)達(dá)800多頁(yè)；然而正式發(fā)表的論文卻只有10頁(yè)。
難怪在完成這項(xiàng)研究時(shí)，他在存放手稿的信袋上用紅筆寫(xiě)下了“Final”，即“最后的定稿” 。作為一名嚴(yán)肅的科學(xué)家，他意識(shí)到該理論仍有不足之處，因此他又寫(xiě)下了“Nothing is final”這幾個(gè)醒目的字，其中含有深刻的哲理。
1940年以后，錢(qián)學(xué)森又把主要精力放在空氣動(dòng)力學(xué)的研究上。為突破聲障，研究跨聲速流場(chǎng)是個(gè)重要課題。他在1944年和1946年發(fā)表在NACA Technical Note上的兩篇文章是跨聲速流動(dòng)理論的經(jīng)典文獻(xiàn)。前一篇中他討論了跨聲速流場(chǎng)中的極限線；而與郭永懷合作的第二篇?jiǎng)t提出了上臨界馬赫數(shù)的重要概念。
對(duì)于給定機(jī)翼外形，當(dāng)均勻的氣體來(lái)流馬赫數(shù)逐漸提高到某一臨界值，飛行體附近的最大流速會(huì)達(dá)到局部聲速，人稱臨界馬赫數(shù)。錢(qián)學(xué)森和郭永懷認(rèn)為，如果繼續(xù)提高來(lái)流馬赫數(shù)，氣行體附近出現(xiàn)超聲速的流區(qū)，流動(dòng)仍然會(huì)是連續(xù)的。
當(dāng)來(lái)流馬赫數(shù)進(jìn)一步增加，突然會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)的流場(chǎng)，并出現(xiàn)激波，這時(shí)的來(lái)流馬赫數(shù)可稱為上臨界馬赫數(shù)，它標(biāo)志著流場(chǎng)從連續(xù)分布到不連續(xù)分布的突變，而前面那個(gè)臨界馬赫數(shù)則稱為下臨界馬赫數(shù)。 應(yīng)當(dāng)說(shuō)，真正有實(shí)際意義的是上臨界馬赫數(shù)，而不是以前大家所注意的下臨界馬赫數(shù)。因而上臨界馬赫數(shù)這一概念的提出乃是空氣動(dòng)力學(xué)的一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)。
這個(gè)重要概念的提出固然是個(gè)大膽的設(shè)想，但是要論證和計(jì)算它的存在則會(huì)遇到數(shù)學(xué)求解的困難。描述運(yùn)動(dòng)的偏微分方程不僅是非線性的，而且流場(chǎng)中同時(shí)出現(xiàn)亞聲速和超聲速兩個(gè)相鄰的流區(qū)，數(shù)學(xué)上分別對(duì)應(yīng)橢圓型和雙曲型的偏微分方程，錢(qián)學(xué)森和郭永懷克服了困難，得到了包括亞聲速和超聲速流區(qū)的整個(gè)混合流場(chǎng)，從而進(jìn)一步確定了上臨界馬赫數(shù)的大小。
40年代中期，錢(qián)學(xué)森考慮到遠(yuǎn)程噴氣飛機(jī)的最優(yōu)飛行高度可達(dá)100km左右，那里的空氣非常稀薄，不能當(dāng)作常規(guī)流體力學(xué)中的連續(xù)介質(zhì)看待，必須運(yùn)用稀薄氣體力學(xué)的概念和方法來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)。為此，錢(qián)學(xué)森于1946年發(fā)表了“Superaerodynamics—Mechanics of Rarefied Gases” 。
這篇論文首先介紹了分子運(yùn)動(dòng)平均自由程l的概念，并用l與物體的特征長(zhǎng)度L（或邊界層厚度的）之比l/L（或 l/
）形成一個(gè)無(wú)量綱常數(shù)，在由馬赫數(shù)Ma和雷諾數(shù)Re構(gòu)成的平面上，以l/
為指標(biāo)把該平面劃分為四個(gè)區(qū)域：自由分子流區(qū)、過(guò)渡區(qū)、滑流區(qū)和氣體動(dòng)力學(xué)區(qū)。于是，不同的流動(dòng)問(wèn)題可以由Ma數(shù)和Re數(shù)兩個(gè)數(shù)值來(lái)判斷屬于哪類流動(dòng)。
接著，作者分別討論了滑流的應(yīng)力和邊界條件、小Ma數(shù)滑流的邊界條件、大Ma數(shù)自由分子流以及流過(guò)傾斜平板的自由分子流及平板的升力和阻力系數(shù)。錢(qián)學(xué)森在這篇論文中所提出的關(guān)于流動(dòng)區(qū)域的劃分被認(rèn)為是研究稀薄氣體力學(xué)的開(kāi)創(chuàng)性工作。
錢(qián)學(xué)森到Caltech做馮·卡門(mén)的博士生的那年，他的師兄馬林納（F. Malina）等三人滿懷希望地向?qū)燅T·卡門(mén)提出一個(gè)非同尋常的要求，希望支持他們研究探空火箭，以便能夠探測(cè)高度達(dá)到30-80km處的宇宙射線和氣象信息。馮·卡門(mén)深知火箭的重要性，便同意他們可以利用實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備，并答應(yīng)馬林納的要求，做火箭推進(jìn)和飛行特性方面的學(xué)位論文。
錢(qián)學(xué)森在一旁對(duì)他們的工作觀察了一年以后，第二年即1937年，也決定參加他們這個(gè)火箭小組。他參加試驗(yàn)，并擔(dān)任理論家的角色，為小組設(shè)計(jì)和改進(jìn)小型液體推進(jìn)劑火箭，分析計(jì)算燃燒室的溫度，燃燒產(chǎn)物的膨脹對(duì)火箭效率的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，火箭的理想效率等。
當(dāng)時(shí)火箭的技術(shù)水平是不高的，估計(jì)火箭可達(dá)到的高度只有3km，不能滿足探空火箭的需要。這就促使錢(qián)學(xué)森探討采用什么樣的發(fā)動(dòng)機(jī)和燃燒方案可使火箭經(jīng)濟(jì)而高效地達(dá)到更高的高度。1939年他發(fā)表了“Flight analysis of a sounding rocket with special reference to propulsion by successive impulses”（他的博士學(xué)位論文的第4部分），探討和論證了采用逐次推進(jìn)的方案可達(dá)30km的高度，以便觀測(cè)大氣層的結(jié)構(gòu)以及大氣層外的物理現(xiàn)象。
1938年5月，美國(guó)陸軍航空兵司令阿諾德親臨Caltech對(duì)火箭研究表示關(guān)心；秋天，阿諾德進(jìn)一步要求他們研制用火箭助推重型轟炸機(jī)起飛的裝置。經(jīng)火箭小組的努力，終于在1941年8月的試飛中取得成功。錢(qián)學(xué)森在研究計(jì)劃的制訂和研究實(shí)踐中，都做出了重要貢獻(xiàn)。
馮·卡門(mén)、馬林納、錢(qián)學(xué)森和索莫菲爾德除了研究火箭外，對(duì)其他推進(jìn)方式也很感興趣。1944年，他們的研究得出結(jié)論：無(wú)論導(dǎo)彈或航天飛行，最好采用由渦輪式和沖壓式兩種噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的組合作為第一級(jí)動(dòng)力裝置，以便充分利用大氣層中足夠的氧氣；而火箭裝置應(yīng)該在越出大氣層后才開(kāi)動(dòng)。這年春天，他們向軍方呈交了研制沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)的建議報(bào)告。
1945年，以馮·卡門(mén)為首的科學(xué)咨詢團(tuán)為美國(guó)陸軍航空兵完成了題為《Toward New Horizon（邁向新高度）》共9卷的帶有展望和規(guī)劃性的報(bào)告，為二戰(zhàn)結(jié)束后美國(guó)空軍的現(xiàn)代化提供了遠(yuǎn)景發(fā)展藍(lán)圖。
作為咨詢團(tuán)核心成員的錢(qián)學(xué)森為《邁向新高度》提供了他自己的觀點(diǎn)和思想。他總結(jié)了歐洲國(guó)家的研究經(jīng)驗(yàn)，并且結(jié)合美國(guó)的研究經(jīng)驗(yàn)，特別是他們自己的工作，在該報(bào)告的第3、4、6、7和8卷以及技術(shù)情報(bào)附錄中，詳細(xì)論述了有關(guān)高速空氣動(dòng)力學(xué)、脈沖式空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭、超聲速箭形翼導(dǎo)彈以及核能作為飛行動(dòng)力的可能性等方面的研究概貌、存在問(wèn)題以及發(fā)展前景。
這份報(bào)告為二次大戰(zhàn)后美國(guó)代替德國(guó)在航空科技的領(lǐng)先地位，以及在20世紀(jì)下半葉美國(guó)空軍稱霸世界奠定了重要基礎(chǔ)。錢(qián)學(xué)森對(duì)美國(guó)航空科學(xué)的發(fā)展所做的貢獻(xiàn)是不可抹殺的，也為他后來(lái)回到祖國(guó)發(fā)展中國(guó)人民自己的航空航天事業(yè)做好了充分準(zhǔn)備。
1949年，哥根海姆基金會(huì)任命錢(qián)學(xué)森為加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)中心主任，并且賦予他以美國(guó)火箭先驅(qū)R. H. Goddard命名的噴氣推進(jìn)教授的榮譽(yù)稱號(hào)。
該中心有以下三個(gè)主要任務(wù)：
①培訓(xùn)青年，為將航空技術(shù)推向新階段培養(yǎng)先驅(qū)者；
②研究噴氣推進(jìn)新思想，為新階段的堅(jiān)實(shí)發(fā)展提供基礎(chǔ)知識(shí)；
③促進(jìn)噴氣推進(jìn)在和平時(shí)期的商業(yè)和科學(xué)方面的應(yīng)用。
在很大程度上由于錢(qián)學(xué)森的堅(jiān)持，中心的學(xué)科對(duì)象是航空工程和機(jī)械工程之間的交叉學(xué)科。中心設(shè)置的課程全面覆蓋噴氣推進(jìn)系統(tǒng)的基本原理和飛行器的性能；研究課題則圍繞噴氣推進(jìn)飛行器研究的前沿課題，諸如熱應(yīng)力和高溫材料，熱交換和冷卻，燃燒穩(wěn)定性和化學(xué)反應(yīng)的平衡和動(dòng)力學(xué)，噴氣推進(jìn)飛行器的性能等。
經(jīng)過(guò)中心培養(yǎng)的許多人員后來(lái)成為美國(guó)航空技術(shù)研究單位或軍事部門(mén)的骨干。
1949年，維納（N. Wiener）的“Cybernetics or Control and Communication in the Animal and the Machine”（控制論）一書(shū)出版，開(kāi)創(chuàng)了控制論這樣一門(mén)新的學(xué)科，其對(duì)象是研究一個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部分之間相互作用的定性性質(zhì)及整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
錢(qián)學(xué)森具有從彈道火箭到可控和制導(dǎo)火箭技術(shù)的豐富的研究經(jīng)驗(yàn)，敏銳地認(rèn)識(shí)到維納開(kāi)創(chuàng)的控制論的重要性，很快便運(yùn)用控制論的原理解決了一批噴氣技術(shù)中穩(wěn)定和制導(dǎo)系統(tǒng)的問(wèn)題，諸如火箭噴管的傳遞函數(shù)、遠(yuǎn)程火箭的自動(dòng)導(dǎo)航以及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的伺服穩(wěn)定等問(wèn)題。
錢(qián)學(xué)森意識(shí)到，不僅在火箭技術(shù)領(lǐng)域，而且在整個(gè)工程技術(shù)范圍內(nèi)，幾乎到處存在著被控制的系統(tǒng)，很有必要用一種統(tǒng)觀全局的方法，來(lái)充分了解和發(fā)揮上述導(dǎo)航技術(shù)和控制技術(shù)等新技術(shù)的潛在力量，以更廣闊的眼界用更系統(tǒng)的方法來(lái)觀察有關(guān)問(wèn)題，從而揭示前所未有的前景。
于是，錢(qián)學(xué)森提出了一門(mén)新的技術(shù)科學(xué)——工程控制論。1953年底在Caltech開(kāi)設(shè)了“工程控制論”課，接著于1954年出版了專著“Engineering Cybernetics”（工程控制論）。該書(shū)的出版在世界科技界引起廣泛注目，隨即被譯成多種文字出版發(fā)行。
錢(qián)學(xué)森在探索超聲速飛機(jī)以及噴氣推進(jìn)飛行器的性能和原理的過(guò)程中，需要用到介質(zhì)和材料在高速和高溫狀態(tài)下的成分和性能，可是實(shí)驗(yàn)得不到這些數(shù)據(jù)。錢(qián)學(xué)森應(yīng)用統(tǒng)計(jì)力學(xué)、光譜學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)，研究了氣體和液體的平衡和輸運(yùn)性質(zhì)以及氣體的熱輻射性質(zhì)等，開(kāi)辟了一條通過(guò)技術(shù)科學(xué)解決工程技術(shù)問(wèn)題的新途徑。
第二次世界大戰(zhàn)中原子彈的使用，引出了核反應(yīng)工程的新領(lǐng)域，這里需要知道介質(zhì)和材料在極高的壓力和溫度狀態(tài)下的性能和行為，同樣存在上述缺乏數(shù)據(jù)的困難。
錢(qián)學(xué)森敏銳地意識(shí)到，在火箭技術(shù)、核能技術(shù)等重要領(lǐng)域，迫切需要高溫、高壓、超高溫、超高壓及放射線作用等條件下介質(zhì)和材料的性質(zhì)，諸如本構(gòu)關(guān)系、輸運(yùn)性質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)的平衡和動(dòng)力學(xué)的數(shù)據(jù)等；然而實(shí)驗(yàn)卻遇到很大困難。
錢(qián)學(xué)森考慮到近代物理和化學(xué)的發(fā)展，對(duì)物質(zhì)在原子核以外的微觀結(jié)構(gòu)已有相當(dāng)?shù)牧私?，有條件建立一門(mén)新的技術(shù)科學(xué)，即物理力學(xué)。其目的是通過(guò)對(duì)物質(zhì)的微觀分析，把有關(guān)物質(zhì)宏觀性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以總結(jié)和整理，找出規(guī)律，得到需要的數(shù)據(jù)，而且可以預(yù)見(jiàn)新型材料的宏觀性質(zhì)，為發(fā)展新材料和新工藝服務(wù)。
1953年，錢(qián)學(xué)森發(fā)表了“Physical mechanics——a new field in engineering science”，正式提出了物理力學(xué)這門(mén)新的技術(shù)科學(xué)。1956年在他創(chuàng)建的中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所里成立了物理力學(xué)研究組，他親自下工夫培養(yǎng)第一批物理力學(xué)的研究人員。
1962年他編著的《物理力學(xué)講義》出版，系統(tǒng)介紹物理力學(xué)的基本概念和研究方法，也介紹了他自己所做的有代表性的工作。1958年，中國(guó)科技大學(xué)成立，由錢(qián)學(xué)森主持，設(shè)置了物理力學(xué)專業(yè)。1963一1965年三屆學(xué)生連續(xù)畢業(yè)，許多人被輸送到力學(xué)研究所，成為該所物理力學(xué)研究室的生力軍。
從錢(qián)學(xué)森倡導(dǎo)物理力學(xué)的研究至今已有半個(gè)世紀(jì)。自然科學(xué)界的方方面面都已認(rèn)識(shí)到，研究復(fù)雜的問(wèn)題均需要走宏觀與微觀相結(jié)合的道路?；叵氘?dāng)年，錢(qián)學(xué)森曾把潘納（S. S. Penner）請(qǐng)到加州理工學(xué)院，用光譜方法探測(cè)和研究噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程。1961年，潘納創(chuàng)辦了新的學(xué)術(shù)期刊“Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer” ，這標(biāo)志錢(qián)學(xué)森所提倡的“定量光譜學(xué)”已成為一門(mén)新學(xué)科，物理力學(xué)在美國(guó)早已開(kāi)花結(jié)果。
但是，令人遺憾的是，在錢(qián)學(xué)森親自創(chuàng)建的力學(xué)研究所，由他親手培植的物理力學(xué)研究室在1993年被解散了。
今天，錢(qián)學(xué)森所倡導(dǎo)的物理力學(xué)這門(mén)宏觀、微觀相結(jié)合的學(xué)科的核心思想正在更廣泛的范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展。
對(duì)中國(guó)發(fā)展技術(shù)科學(xué)的貢獻(xiàn)
從上面介紹的錢(qián)學(xué)森回國(guó)前在美國(guó)的一段研究經(jīng)歷中，我們可以看到，錢(qián)學(xué)森的科學(xué)工作早已越出力學(xué)這個(gè)領(lǐng)域，而把力學(xué)與其他學(xué)科結(jié)合起來(lái)，開(kāi)創(chuàng)出像稀薄氣體力學(xué)、噴氣推進(jìn)技術(shù)、工程控制論、物理力學(xué)等新的技術(shù)科學(xué)，并提倡核動(dòng)力工程等其他技術(shù)科學(xué)。
早在1947年夏天，錢(qián)學(xué)森回國(guó)給浙江大學(xué)、交通大學(xué)和清華大學(xué)三所著名大學(xué)做“工程和工程科學(xué)”的講演，目的是宣傳工程科學(xué)的重要性，反映出他急盼祖國(guó)繁榮昌盛的赤子之心。講演回顧了20世紀(jì)上半葉科學(xué)技術(shù)的研究越發(fā)成為決定國(guó)家和國(guó)際事務(wù)中的關(guān)鍵這一震撼人心的歷史事實(shí)，其中最富戲劇性的實(shí)例乃是第二次世界大戰(zhàn)中雷達(dá)和原子彈的發(fā)展，對(duì)世界民主力量的偉大勝利所作出的卓越貢獻(xiàn)。
錢(qián)學(xué)森意識(shí)到：純科學(xué)的發(fā)現(xiàn)與工業(yè)應(yīng)用之間的距離已經(jīng)很短，而留長(zhǎng)發(fā)的科學(xué)家和留短發(fā)的工程師之間的差別也非常之小，他們之間緊密合作的實(shí)際需要產(chǎn)生了一類新人，那就是工程科學(xué)家，他們?cè)诩兛茖W(xué)與工程之間架起橋梁，運(yùn)用基礎(chǔ)科學(xué)知識(shí)解決工程問(wèn)題。錢(qián)學(xué)森在講演中系統(tǒng)介紹了工程科學(xué)的內(nèi)涵、工程科學(xué)家的任務(wù)以及培養(yǎng)工程科學(xué)家需要接受什么樣的教育和訓(xùn)練。
1949年祖國(guó)解放，錢(qián)學(xué)森歷盡美國(guó)政府的阻撓和迫害，終于在1955年回到祖國(guó)。從此以后，錢(qián)學(xué)森積極提倡并指導(dǎo)工程科學(xué)的研究。在回國(guó)的第二個(gè)月里，就受命創(chuàng)建中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所。他當(dāng)時(shí)的建所模式不只限于力學(xué)，還包括自動(dòng)控制、工程經(jīng)濟(jì)、物理力學(xué)等新學(xué)科，實(shí)際上是按照工程科學(xué)的框架模式來(lái)建所的。
1956年起，錢(qián)學(xué)森和錢(qián)偉長(zhǎng)一起創(chuàng)辦了三期工程力學(xué)研究班；1958年錢(qián)學(xué)森和郭沫若、嚴(yán)濟(jì)慈、華羅庚等一起組建了中國(guó)科技大學(xué)，開(kāi)始大批培養(yǎng)工程科學(xué)家的工作。1957年錢(qián)學(xué)森在《科學(xué)通報(bào)》上發(fā)表了題為《論技術(shù)科學(xué)》的論文，按國(guó)內(nèi)的習(xí)慣將“工程科學(xué)”改名為“技術(shù)科學(xué)” 。
論文進(jìn)一步全面地論述了技術(shù)科學(xué)的范圍、方法論以及人才培養(yǎng)和科學(xué)技術(shù)工作的組織等各個(gè)方面。他認(rèn)為，雖然自然科學(xué)是工程技術(shù)的基礎(chǔ)，但它又不能包括工程技術(shù)中的規(guī)律。要把自然科學(xué)的理論應(yīng)用到工程技術(shù)上去，并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的推演工作，應(yīng)該做科學(xué)理論和工程技術(shù)的綜合工作。因此，有科學(xué)基礎(chǔ)的工程理論既不是自然科學(xué)也不是工程技術(shù)，而是兩部分有機(jī)組織的總和，這就是人類知識(shí)的一個(gè)新部門(mén)：技術(shù)科學(xué)。
錢(qián)學(xué)森這里指的自然科學(xué)包括數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)，以及生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)等科學(xué)。在談到技術(shù)科學(xué)的研究方法時(shí)，錢(qián)學(xué)森強(qiáng)調(diào)技術(shù)科學(xué)研究離不開(kāi)數(shù)學(xué)，但提醒青年注意，數(shù)學(xué)并不是技術(shù)科學(xué)的關(guān)鍵。真正的關(guān)鍵是對(duì)所研究問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，要認(rèn)識(shí)和分清現(xiàn)象的主要因素和次要因素。
首先要收集有關(guān)問(wèn)題的資料，特別是實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在分析資料的過(guò)程中充分依靠自然科學(xué)的規(guī)律，將它當(dāng)作摸索道路的指南針，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)的理論和實(shí)驗(yàn)交錯(cuò)認(rèn)識(shí)的過(guò)程，找出解決問(wèn)題的途徑。在上述基礎(chǔ)上，就可以建立模型，模型不等于現(xiàn)象本身，但卻吸收了一切主要因素，反映現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)理。下一步乃是由模型演算得到具體的數(shù)據(jù)結(jié)果，最后還需要將理論結(jié)果和事實(shí)相對(duì)照，經(jīng)受考驗(yàn)。
在關(guān)于研究方法的一節(jié)中，他預(yù)見(jiàn)到電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展前景及其應(yīng)用威力，特別說(shuō)明了電子計(jì)算機(jī)將會(huì)對(duì)技術(shù)科學(xué)的研究方法帶來(lái)重要的變化。今天，人們已經(jīng)普遍使用了“分析一實(shí)驗(yàn)一數(shù)值實(shí)驗(yàn)或分析”三位一體的研究方 法，這說(shuō)明半個(gè)世紀(jì)前錢(qián)學(xué)森的上述預(yù)見(jiàn)確實(shí)是高瞻遠(yuǎn)矚。
《論技術(shù)科學(xué)》這篇論文還開(kāi)列出一些新的發(fā)展方向，它們是：化學(xué)流體力學(xué)、物理力學(xué)、電磁流體力學(xué)、流變學(xué)、土和巖石力學(xué)、核反應(yīng)堆理論、工程控制論、計(jì)算技術(shù)、工程光譜學(xué)、運(yùn)用學(xué)（即運(yùn)籌學(xué)）等。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)的實(shí)踐證明，這些新的技術(shù)科學(xué)確實(shí)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中發(fā)揮了重大的作用。
錢(qián)學(xué)森認(rèn)為，科學(xué)研究應(yīng)當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)工業(yè)前進(jìn)，走在生產(chǎn)前頭。但是不能不看到，當(dāng)前技術(shù)科學(xué)的研究形勢(shì)很不能令人滿意。科學(xué)界、政府和民眾對(duì)技術(shù)科學(xué)的性質(zhì)、作用、重要性并沒(méi)有充分的認(rèn)識(shí)。
一個(gè)極端是按基礎(chǔ)科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)指導(dǎo)和要求技術(shù)科學(xué)；另一個(gè)極端是把技術(shù)科學(xué)研究統(tǒng)統(tǒng)當(dāng)成生產(chǎn)問(wèn)題，干脆把研究工作撂在一旁。其嚴(yán)重后果是不斷引進(jìn)，而談不上不斷創(chuàng)新，又怎能做到科教興國(guó)。今天，我們重溫錢(qián)學(xué)森先生關(guān)于技術(shù)科學(xué)的論述是何等的必要。
結(jié)語(yǔ)
從錢(qián)學(xué)森先生的科學(xué)實(shí)踐中可以看出，他不但是一位造詣廣博而精深的應(yīng)用力學(xué)家和技術(shù)科學(xué)家，而且是一位具有遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)的戰(zhàn)略科學(xué)家。他的深遠(yuǎn)的科學(xué)思想為我們這個(gè)時(shí)代的科學(xué)事業(yè)提供了豐碩的寶藏。我們應(yīng)該深入學(xué)習(xí)和充分應(yīng)用，在新世紀(jì)里把祖國(guó)建成繁榮富強(qiáng)的科技大國(guó)。
歸納起來(lái)，我們應(yīng)當(dāng)：
（1）學(xué)習(xí)和發(fā)揚(yáng)他一生進(jìn)行科學(xué)研究的超前意識(shí)和務(wù)實(shí)作風(fēng)。
（2）繼承和發(fā)揚(yáng)力學(xué)大師普朗特一馮·卡門(mén)一錢(qián)學(xué)森的應(yīng)用力學(xué)學(xué)派的優(yōu)良傳統(tǒng)。
（3）努力開(kāi)拓他所倡導(dǎo)的研究近代力學(xué)的方向和道路，即：宏觀和微觀相結(jié)合，力學(xué)與其他學(xué)科相結(jié)合，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)和理論分析相結(jié)合。
（4）大力開(kāi)展他所倡導(dǎo)的技術(shù)科學(xué)的研究，提高我國(guó)的綜合實(shí)力。
（5）刻不容緩地貫徹和落實(shí)他所強(qiáng)調(diào)的理工結(jié)合的教育方針。
致謝：李佩教授、鄭哲敏教授、朱兆祥教授和朱照宜教授對(duì)本文的撰寫(xiě)提出過(guò)很好的意見(jiàn)，作者在此表示感謝。
注：本文原載于《中國(guó)工程科學(xué)》2001年10月第3卷第10期，賽先生經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載。
參考文獻(xiàn)
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