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也谈力学——基础和前沿

2021-1-6 14:07| 发布者: weixin| 查看: 89| 评论: 0|原作者: weixin|来自: 声振之家公众号

摘要: 最近一个时期常听见对力学的两种评价:一种是力学过时了,没什么好研究了;另一种是力学不解决问题,时髦的说法是不能转化为生产力。
最近一个时期常听见对力学的两种评价:一种是力学过时了,没什么好研究了;另一种是力学不解决问题,时髦的说法是不能转化为生产力。不论哪一种都是力学无用论。因此,力学要被排除在基础学科之外,研究所和大学的系要改名字,考大学不念力学,力学真的不时兴了,真的无用了?实际不是如此,这里简单说说力学既是科学的基础和前沿,也是工程技术的基础和前沿。

有人认为力学不是基础学科,而物理是最基础的学科。那么,请问物理学的定义是什么,它包含什么内容?我看不容易答好。顾名思义,物理学是研究和反映物质(或物体)本性和运动规律的科学。如果进一步问,物质、本性和运动又是指什么?那就太广泛了,物质可以小到基本粒子,大到宇宙,而运动形态则从宏观机械运动、光、电、磁、量子效应等等,可谓包罗万象。在这些形态中,机械运动是人类最能直接观察和感知的,力学是研究物质机械运动规律的科学,可见力学是物理学的一个分支,而且是最大最具基础性的分支。

试想,如果大学的物理课不先讲力学,那么先讲什么呢? 记得谈镐生先生在1978年时就说过“为什么物理学家命名量子力学、热力学、统计力学、相对论力学等等,都称力学;而力学家却退退缩缩,不敢理直气壮提力学”。美国生物力学之父的知名科学家冯元桢先生在中科院力学所做题为“力学园地的源泉”的讲演,说20世纪上半叶出现了牛顿力学、量子力学、相对论力学、统计力学等,都以力学命名,那么下半叶有哪几样科学也是由力学唱主角呢?冯先生没有直接回答,只是说100年以后力和运动还在,只要力学家自己安定下来,便有做力学的灵感。为说得更确切,他便讲自己做生物力学的一段历史,也介绍了在分子、细胞、组织和个体各层次中存在的问题。可见生物也要以力学作其基础,而力学家在各层次中都大有用武之地。

长时期以来,中国科学院内存在一种偏见,谈起基础学科总是谈数理化天地生,唯独没有力学,这里先不说天地生属基础还是应用科学,前面已谈到生物和力学的关系,再说几句力学和其他几门科学之间的关系。想想天文学,人类最早研究行星和恒星的运动,提出物体运动的第一个模型:质点和质点系运动,牛顿从行星运动的规律出发建立了牛顿力学,从那时起力学模型不断发展,从质点、刚体、变形体、流体、直到等离子体等,说明探讨星体、星系和宇宙的起源和演化离不开力学。

谈到数学,在历史上数学和力学简直是孪生兄弟不可分离,牛顿研究力学,同时发明了微积分。数学家吴新谋先生曾经说过,百分之九十几的微分方程可以在力学中找到。求解非线性方程的有力工具,如摄动法就要提到力学家郭永怀、钱伟长的名字;又如反演散射法则从研究水波中来;至于地学,有地球动力学、大陆动力学、海洋动力学,它们与力学没有 什么两样;再谈化学,化学现象不只是单个分子内部或分子与分子之间的作用和变化,实际反应总伴随大量分子的物质扩散和混合运动,均与力学不可分。

所以说,数理化天地生缺不了力学,而力学又是它们的基础部分。最近二、三十年来,从力学研究中发现了混沌,并已经成为数学、光学、化学等非线性科学的一个非常活跃的研究前沿。至于流体中的湍流和固体中的破坏,更是大家关心的基础和前沿难题。

关于力学和工程技术的关系,工程师最有发言权,他们公认力学是工程技术的基础,而前面提到的湍流和强度则是迫切需要研究解决的前沿。工学院的学生都要学力学,美国第一流的工学院中的机械系、航空系、土木系、动力系、化工系、环境系等等,如果愿意改名为力学系也未尝不可,在这些系里出现优秀的力学教授是不足为奇的,想想我们所处的喷气推进时代的由来,这和自称是工程师的力学大师von Karman 分不开。郑哲敏先生在1992年的力学学会理事会上做过一个重要报告,他举von Karman 和钱学森先生在三、四十年代所做的力学杰作为例,说明优秀的力学工作要超前工业技术二、三十年,由于他们的工作,才有今天的航空、航天时代。这正是力学研究最终必然会创造巨大生产力的典范,如果设想当年要Karman 和钱到市场上去转化为生产力,那么喷气飞机和导弹又怎么来呢?

现在政治家中的有识之士已经认识到基础研究、应用研究和技术之间存在密切关系,而把某项具体活动绝对划入任何一个领域常使人误入歧途。我国决定到本世纪末将科研投资增大到国民经济总产值的1.5%。除了投资以外,还应注意下面两个急需扭转的危险倾向:一个是科研队伍的中空现象,很多科研骨干已向技术开发转移,重要的课题组解散或不配套;另一个是后继乏人,现在的高材生不愿学力学,他们奔外语、生物、经济去了,不少工学院教授常微方程只是一带而过,使弹性力学的教授无法讲授,相当多的研究生热衷于学外语和计算机课,认为学数学和力学吃力不讨好。数学和力学的基础没学好,哪来高水平的科技队伍。希望领导重视,动员全社会的力量早日扭转上述倾向。

来源:声振论坛,原文来自力学与实践,作者:谈庆明 中国科学院力学研究所。

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