温景嵩:简介《创新话旧》:缘起和目录

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温景嵩 (进入专栏)  

简介《创新话旧》(缘起)

本书谈的都是往事,所以叫“话旧”。但不是什么往事都谈,而是环绕在我2000年获国家自然科学奖(1999年度,三等,1962-1997)中的8 个创新点上,所以叫“创新话旧”。这些创新点是我在微大气物理中主要在气溶胶物理等方面做出的一些成果。此前它们还曾分别获得过三项国家教委科技进步奖,一项中国科学院重大成果奖,一项美国传记协会国际文化荣誉奖。1998年,国家教育部地球科学专家评审组,对以上8个创新点,给予了很高的评价,称之为“闪光的8个创新点。”又说我“历35年之研究工作,有此大成!”(惊叹号为评审意见原文所用)。 2000年,中国科学院大气物理研究所的资深院士,我国天气动力学和天气预报的权威陶诗言先生,对我们这些成果也给予了很高的评价。他在给我的来信中指出,这不仅是我个人的光荣,而且,“这是我国大气科学界的光荣” 。“温故而知新”,把这些经验总结一下应该是有意义的事。

昨天我满71岁,不久前刚从工作岗位上退下来。长江后浪推前浪。现在我也加入到这支已被“后浪”推下历史舞台的离退休“前浪”大军中。然而我现在还能工作,一些朋友建议我继续搞一些研究课题。经过考虑,我现在决定开展另一类研究:从思想方法上总结我这一辈子的研究工作。这比我现在再继续从事某一项具体的课题研究更有意义。我这一辈子从事的是大气物理基础理论研究,然而我的基础并不好。1953年我考入北京大学物理系,被分配到物理系的气象专业。在迎新的时候,老同学告诉我们,说我们是最幸福的一代。那时正值52年全国院系调整刚刚结束,学习苏联先进科学技术刚刚开始。老同学说,我们要学的将是,他们都没学过的崭新的全套苏联老大哥的先进教材。可是后来才知道,这是全套列宁格勒水文气象学院培养天气预报员的教材。结果我们学了很多上自天文,下到地理,杂七杂八的课程。而后来在研究工作中所需要的物理和数学基础知识却学得很少。形成了后来搞基础理论研究时经常感到的基础知识的不足。另一方面,我们毕业参加工作以后,直到改革开放为止,正赶上以“阶级斗争为纲”的时代。政治运动接二连三,下放劳动锻炼也很多。真正能从事科学研究工作的时间却很少。加之理论工作在那个时代遇到的阻力更大。运动一来,首当其冲,就会被扣上“理论脱离实际”,“修正主义苗子”的帽子,承受着巨大的压力,使人无法工作下去。此外,1971年6月以后又被迫从北京的中国科学院大气物理所随课题组集体搬迁,到了合肥中国科学院安徽光机所。那可真是连根拔,从编制到户口,从人员到家属,从课题到设备,一股脑地从北京搬到合肥。从此我的学术环境就发生了一个逆转。因为大气物理所和安徽光机所分别属于地球科学和技术科学两个不同学部,学术环境从大气科学界一下子转到光学界,专业从此就一直对不上口了。1979年10月到英国剑桥大学进修后又从光学界转到流体力学界。1984年4月转到南开大学后,又从流体力学界转到理论物理界。总之,一生可说是漫游了四界。从1971年开始直到现在,我就陷入一种在非大气物理学术环境中搞大气物理的逆境。尽管不论在安徽光机所,还是在南开大学,都有许多领导和朋友们对我的工作给予了关心和支持,使我的工作能够取得成果。对此,我要借着这个机会向他们表示深切的谢意。然而客观上存在的,非大气物理环境和大气物理方向的基本矛盾却一直无法解决,这就使得我们的工作,总是在一种很困难的条件下前进,事倍功半,形成不了学术梯队和集体。就在这样的不利条件下,居然能幸有所成,取得了如前所述的一些成果。这成果的总名称是“微尺度大气运动中气溶胶物理等过程的研究(1962─1997)”,所含的8个创新点分别是:

(1)突破了斯莫鲁霍夫斯基(Smoluchowski)的悬浮粒子对流碰并的轨迹分析法限制,建立了悬浮粒子对流碰并的统计理论(1984─1985);

(2)突破了斯莫鲁霍夫斯基 的悬浮粒子两种极限碰并理论限制,建立了悬浮粒子重力对流和布朗运动耦合碰并的统计理论(1990-1996);

(3)突破了巴切勒(Batchelor)1972单分散悬浮粒子沉降的统计理论限制,建立了多分散悬浮粒子沉降的统计理论(1982);

(4)从多粒子流体动力相互作用出发,对以上三项成果进行了系统、全面的总结,出版了一本英文专著:《The Fundamentals of Aerosol Dynamics》, World Scientific,Singapore,1996(气溶胶动力学基础,世界科学出版社,新加坡,1996)。这本书的出版标志着气溶胶力学从经典的富克斯(Fuchs)孤粒子动力学到现在多粒子相互作用下的动力学的新进展;

(5)澄清了对流暖云中湍流起伏场对云滴增长的作用,建立了对流暖云大云滴随机增长的马尔柯夫(Markov)过程理论(1965─1966,1987);

(6)发现了湍流的不连续性,揭示出它和国际公认的柯尔莫果洛夫(Kolmogorov) 湍流理论中的物理模型有矛盾(1972─1978);

(7)建立了我国整层大气湍流强度分布的一个模型,并发现在一定条件下, 它对我国远程激光工程会有严重影响(1972─1982);

(8)在系统、全面地总结以上气溶胶力学的三项成果,以及湍流大气物理三项成果基础上,出版了两本专著:《微大气物理学导论》(科学出版社,北京,1989),《概率论和微大气物理学》(气象出版社,北京,1995)。这两本书的出版,标志着对微尺度大气运动的研究,从经典的萨顿(Sutton)的微气象学,发展到现在的微大气物理学的新阶段。

回顾往事,之所以能从逆境中冲杀出来,有幸取得这样一些成就,就我个人的主观条件而言,和自己在科学研究中的思想方法比较对头有关。应该认真总结一下,这将是我送给后来者一项最好的礼物。我感到身处逆境恐怕不单是我一个人才会碰上的事。一个人一生都处在顺境之中,这种幸运儿不敢说没有,即使有也是极少数。大多数人一辈子恐怕多多少少总要碰到一些不如意的事,所谓“不如意者十八九”,“家家都有本难念的经”。那么如何才能从逆境中杀出来,这本领却是一般学校的课程中不曾讲授。 在这个意义上,我希望这本小书能对后来者有所帮助。长江后浪推前浪,一代更比一代强。如果这本小书,对后来者的更加辉煌的事业,有所助益,那我就感到十分荣幸。

全书共十章。第一章是全书的总纲,这一章以研究工作中的思想方法为中心,做了全面的论述,包括了思想境界,研究方法和研究方向的选择三个问题。并把8个创新点拆散了,揉进去讲。根据讲方法论的需要,也讲了8个创新点以外的一些工作,其中也包括了有关的前人的工作。从第二章起到第九章,这八章则分别以8个创新点为中心,从方法论的角度出发,讲述了它们各自的诞生历程。这其中前四章讲的是改革开放以后的,后三章则是改革开放以前的,第九章是个总结。为了使非本专业人员也能读懂这本书,我们在这八章中每一章的开头部分,都先讲一下与这个创新点有关的基本知识,有关的术语和基本概念。科学创新不可能是无源之水,无本之木,它既有创新的一面,又有继承的一面。因此,在这后面的八章之中,除了要先讲一点ABC的东西以外,还要讲一点历史。这样,才能看清这个创新点在学科发展中的意义。我们感到研究工作中的境界、方法、方向选择等问题不仅在理工农医各科之中有共同之处,即令在文理两大科之间,在社会科学与自然科学两大类之间也有共同之处。我们在第一章的境界中曾引用了我国国学大师王国维先生的见解,在研究方法中引用了另一位国学大师胡适先生的经验就是证明。因此,为了使更多的读者也能受益,我们在行文中将避开数学公式和数学推导,虽然这8个创新点之中有不少数学理论。在行文中我们将力求深入浅出,通俗易懂。以便使文、理、工、农、医各科人员都能读懂它。第十章“更上一层楼”则是想超越我这8个创新点的经验,提出一些更有普遍意义的东西来。第一章讲的问题完全是我个人从事大气物理的基础理论研究中得到的经验总结。所以肯定也有局限性。第十章就是想超越它,争取从更高的和更全面的角度出发,来重新审视一下这些经验,以尽可能地为更广大的科技战线上的朋友们做些服务。当然,要实现这个宏愿是一件非常困难的事,所谓隔行如隔山。所以,肯定本书还会有不少缺点,错误和问题,敬请广大读者批评指出,不吝赐教,以便能进一步改进本书。谢谢。

本书蒙国际气象学大师,世界气象组织(WMO)最高声望奖项:第48届(2003年)国际气象组织奖获得者,中国科学院资深院士,原中国科学院副院长,中国气象学会名誉理事长,中国科学院大气物理研究所名誉所长叶笃正先生,中国科学院院士,中国气象学会理事长,南京大学大气科学系的伍荣生教授,以及长江学者特聘教授,上海物理学会副理事长,上海交通大学理论物理研究所所长马红孺教授做序,作者谨向他们表示衷心的谢意。本书的出版还得到了南开大学物理学院副教授张连众博士的资助,作者谨向他表示衷心的谢意。我的中学和大学的老同学周孝安和许焕斌教授,以及气象出版社苏振生责任编辑分别阅读了原稿,提出了宝贵的意见,改进了本书,作者也谨向他们表示衷心的谢意。南开大学的有关领导同意我们在本书的封面上使用,由他们热情提供的学校校标,以及由李星皎拍摄的学校主楼和周总理塑像照片,作者在这里也向他们表示衷心的谢意。

温景嵩2004/2/5初稿开始写于南开园。

2005/5/5 定稿于南开园。

简介《创新话旧》(章节目录)

目录

叶笃正院士序

伍荣生院士序

马红孺教授序

缘起

第一章 境界、方法和方向的选择

1.1 四个境界

1.1.1 王国维的三境界

1.1.2 第一境“西风凋碧树”

1.1.2.1 “西风”和“碧树”的新解

1.1.2.2 如何才能发现现有理论的问题

1.1.2.3从理论体系自身矛盾中发现问题

1.1.2.4 从实验中去发现问题

1.1.2.5来自工程实践的问题

1.1.2.6 理论创新之路

1.1.3 第二境“衣带渐宽”与第三境“蓦然回首”

1. 1. 4 第四境 “西风再凋碧树”

1.2 正确的方法

1.2.1 胡适的大胆假设

1. 2. 1. 1从哥白尼的日心说谈起

1.2.1.2 斯莫鲁霍夫斯基如何开辟悬浮粒子碰并过程研究道路

1.2.1.3弗瑞德兰德假设的命运

1. 2. 2 巴切勒的经验──把物理思想注入于数学之中

1.2.2.1 用物理模型化解数学难点

1.2.2.2 用各种近似化解数学难点

1.2.2.3 用各种变换化解数学难点

1.2.3 在研究工作中继续学习

1. 2.3.1继续学习之必要性

1.2.3.2 要抓住重点

1.2.3.3要理解透彻,特别对概念问题

1.2.3.4 要勤于问人

1.2.3.5 要记两遍笔记

1. 3 选择好研究方向

1. 3.1 两个人的三句话

1.3.2 从大方向一直到选题

1.3.3 一年磨十剑与十年磨一剑之争

1.3.4 找大师去请教

1.3.5 投身于国内外高水平的学术交流之中

1.3.6不要把“抱大西瓜”绝对化

1.4 致年轻的朋友们

第二章 创新点(1)──突破斯莫鲁霍夫斯基理论的一个限制

2.1初到剑桥

2.1.1 第一批受益者

2.1.2 最大的障碍

2.1.3 伦敦的英语学校和巴切勒的否决

2.1.4巴切勒的“英语学校”

2.2 一些ABC的问题

2.2.1 悬浮体,胶体,气溶胶和云

2.2.2 单分散和多分散体系

2.2.3 悬浮粒子的碰并和胶体的稳定性

2.2.4 对分布方程和皮克列特数

2.2.4.1 双球模型

2.2.4.2 对分布函数

2.2.4.3 进入正题

2.2.5 斯莫鲁霍夫斯基的轨迹分析法

2.2.5.1 轨迹法的成功之处

2.2.5.2 轨迹分析法的局限性

2.2.5.3 我们的想法

2.3 悬浮粒子对流碰并统计理论的诞生

2.3.1悬浮体力学与云物理的结合

2.3.2 初次的成功

2.3.3内外域解匹配的难题

2.3.4 MLB方法的成功应用

2.3.5 战胜戴维斯的挑战

2.3.6 新理论的意义、检验和影响

2.4 再谈“西风再凋碧树”

第三章 创新点(2)──突破斯莫鲁霍夫斯基理论又一局限

3.1 我的使命

3.2弱重力和强布朗耦合碰并

3.2.1 一个奇异扰动问题

3.2.2 王永光的贡献

3.2.3 发表在巴切勒的《JFM》 上

3.2.4 检验弗瑞德兰德假设

3.3 强重力和弱布朗耦合碰并

3.3.1 一个规则扰动问题

3.3.2 规则扰动的特点

3.3.3 弗瑞德兰德假设的又一次失败

3.4 中皮克列特数下的耦合碰并

3.5 检验

3.5.1 对低和高皮克列特数的检验

3.5.2 来自航天事业的关注

3.6 悬浮粒子荷电后的影响

3.6.1 气溶胶与水溶胶的不同点

3.6.2 DLVO理论

3.6.3 对重力碰并的影响

3.6.4 对布朗碰并的影响

第四章 创新点(3)── 突破巴切勒单分散沉降理论的限制

4.1 从亚里士多德到斯托克斯

4.2 巴切勒1972年单分散沉降的统计理论

4.3 多分散沉降理论的建立

4.3.1 我的贡献

4.3.2 杰弗瑞和大西善元的重要贡献

4.3.3 揭开多分散沉降神秘面纱

4.3.3.1 两个十分重要的参数l和g

4.3.3.2 高皮克列特数下的多分散沉降系数Sij特征

4.3.3.3 低皮克列特数下的多分散沉降系数Sij特征

4.3.3.4 高和低皮克列特数下的沉降系数Sij之间的比较

4.3.3.5 对分布pij和沉降系数Sij极限不唯一

4.3.4 检验和影响

4.3.4.1 来自自己人的检验

4.3.4.2 戴维斯和埃克里沃斯的综合述评

4.3.4.3 高皮克列特数下沉降的实验研究

4.3.4.4 第一次载入国际胶体科学的发展史

4.3.4.5 低皮克列特数下沉降的实验研究

4.3.4.6 再一次载入国际胶体科学发展史

4.3.4.7 强大的生命力

4.3.5 粒子间相互作用势的影响

4.3.6非极限沉降

4.4 小结

4.5 任重而道远

第五章 创新点(4)── 气溶胶力学的新发展

5.1 爱因斯坦等人开辟的道路

5.2 气溶胶科学之父──富克斯

5.3 巴切勒的悬浮体力学

5.4气溶胶力学的新发展

5.5 软物质

第六章 创新点(5)──我的第一个理论创新

6.1 初入科学殿堂

6.1.1 时值1957年反右之后

6.1.2 下乡与上山

6.2 转折

6.2.1 《十四条》的到来

6.2.2 《十四条》与《SCI》

6.3 在顾震潮先生的领导下

6.3.1 投身于人工降水的飞行作业

6.3.2 人工影响天气的进一步发展

6.3.3 建立湖南衡山高山云雾站

6.3.4 抓住云的微物理的中心问题

6.4我的第一个理论创新

6.4.1 早期云滴随机增长理论的功过是非

6.4.2 我的“对流暖云大云滴随机增长的马尔柯夫过程理论”

6.5 在国际云物理舞台上引发的一场风波

6.5.1 巴特莱特的发难

6.5.2 转折点-莱塞姆的实验

6.5.3 曼顿的新发展

6.5.4 莱德尔说:对不起

6.5.5 赢得了剑桥朋友们的喝彩

6.6 载入国际云物理发展史册

6.6.1 两度被载入

6.6.2 曲折的道路,光明的前景

第七章 创新点(6)──湍流不连续性的发现

7.1 我国第一颗原子弹的爆炸

7.1.1 组建了大气扩散课题组

7.1.2 北京天堂河农场实验

7.2 “文革”爆发

7.2.1 “修正主义苗子”

7.2.2 两度第一批“五七”干校生

7.3 重新发现北京实验的价值

7.4 105组和搬迁

7.4.1 调入105组

7.4.2 搬迁合肥

7.5 引出光学界的一位大人物

7.5.1 来自河南某单位的请求

7.5.1.1 在逆境中坚持学习

7.5.1.2 初步的回应

7.5.2 王大珩先生来了

7.6 长春实验的意外收获

7.6.1 曾宗泳的重要贡献

7.6.2湍流不连续性的发现

7.7 湍流研究简史

7.7.1 普朗托的半经验混合长理论

7.7.2 G.I.泰勒的统计理论和均匀各向同性湍流理论

7.7.3 卡尔曼-霍沃思方程

7.7.4 柯尔莫果洛夫局地各向同性湍流理论

7.7.5 柯尔莫果洛夫理论的意义与问题

7.8 来自叶笃正先生的支持

7.8.1 碰壁

7.8.2 自己的摸索

7.8.3 没有想到的事

7.9 故事还没有结束

7.9.1 柯尔莫果洛夫自己的修正

7.9.2 镇住剑桥人的人

7.9.3 弗里什跨国小组的工作

第八章 创新点(7)── 一个知识创新

8.1 为激光工程服务

8.1.1 知识创新与理论创新

8.1.2 现在轮到了我们

8.2 知识创新之一

8.3 知识创新之二

8.4 同样强的生命力

第九章 创新点(8) ── 一门新学科分支的建立

9.1 物理学中的尺度

9.2 流体运动的尺度

9.3 大气运动的尺度

9.4微尺度大气运动的研究

9.5 微大气物理学的建立

9.5.1 总结

9.5.2 变化万千的世界

9.5.3 微大气物理学的三大共同特征

第十章 更上一层楼

10.1 超越

10.2 叶笃正先生的一席话

10.2.1 重温叶先生的话

10.2.2 张光直先生的例子

10.2.3 关于“选择”

10.3 科学地“凋”

10.3.1 用科学的语言讲

10.3.2 批判和继承

10.3.3 另一种提法

10.3.4 中美教育之比较

10.4 灵感与其他

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