武际可:也谈“力学十大进展”

选择字号:   本文共阅读 3666 次 更新时间:2008-07-22 11:16

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武际可 (进入专栏)  

摘要 文章在肯定《力学进展》举办的《20世纪理论和应用力学十大进展“评选活动的同时,也对评选程序和结果提出了一些不同的看法。特别是对,结果中没有包含相对论、没有包含实验的成果,没有包含引导航空和航天领域诞生与改进的力学进展等缺陷发表了意见。文章还对一些项目的解释文字不够准确表达了一些看法。

关键词 力学,重大进展,20世纪,评选,《力学进展》

§1 十项重大进展的评选是一种群众评选科技成果的创举

为了纪念创刊30周年,《力学进展》杂志举办了“20世纪理论和应用力学十大进展” 评选活动。评选结果刊登在该刊2001年第3期上。在谈及评选过程时说:“本次活动历时半年多,经过编委会提名、初步筛选,确定出入围的20世纪理论和应用力学进展17项,分别请有关方面专家精心撰写了条目介绍,最后请从事力学及与力学相关学科的研究人员投票。评选活动得到了广大热心读者的极大支持,共发出选票994张,收回有效选票409张。”

在看到了评选结果后,有些看法想说一说。

组织评选活动,无疑是一件好事。因为它会引发人们对过去一个世纪中力学各种成果的意义进行讨论。激发人们除了关心本人狭小的研究领域之外,也从学科发展的全局考虑问题。而学术界的全局观点的提高,对于力学界的整体素质是非常重要的。

评选活动本应当有各种各样的,不仅在时间上,可以每隔若干年进行一次,而且可以在不同的参加群体中进行。如我国电影的评奖活动就有在专家群体中的“金鸡奖”和在广大观众群体中评出的“百花奖”。在世界范围内,有从1901年开始的一年一度的诺贝尔奖,还有1992年开始的每年一度的世界性的“最差诺贝尔奖”(又称Ig奖)。我国现行的科技评奖制度,只是在非常狭小的专家范围内进行的。对于在适当扩大的范围内评选优秀成果,而且是对全世界整个世纪的研究成果来评论,虽然没有设奖,这恐怕在我国还是第一次,它是一种创举。我想,国家可以对科技成果设奖和评奖,不同的杂志、学术组织、群众团体,也应当都可以从不同的角度对科技成果进行评论或评奖。这才有益于科学技术的健康地繁荣和发展,它是科技民主的一种表现形式。

§2 从评选的程序和评选的结果来看似乎还有可商讨的余地

从这次评选的程序和结果来看,我个人有一些不同的看法。

第一、 评选程序上说,事先由更少的专家(编委)提名、筛选,确定出17项。这就大大限制了入选项目的范围。例如在17项中,湍流就占了两项:“湍流统计理论”和“湍流拟序结构”。“边界层”和“奇异摄动理论”,这两项其实应当看作一项,后者是前者的推广和一般化。由于这种限制,一些比较更重要的进展反而没有包含在其中。这就大大降低了投票人的积极性。笔者就曾经收到了评选选票。但是考虑到所提的17项中,有若干我认为十分重要的项目未包含在其中,所以就弃权了。我想,发出了994张票,而收回却只有409张,回收率仅为41.1%,还不到一半,是否其中有许多人也和我一样,是基于对于初选17项不满意而弃权的。

第二、 就评选结果来看,也有不尽如人意地方。

在评价一个科技成果的重要性时,不仅要从后继于它发表的论文数量来看,而且要从它改变人们的认识、推动社会进步、改进生产的实际效果上来看。从这些方面来衡量,所选的项目还是有可以商讨的余地的。它突出反映在以下几个方面:

首先,对于力学学科的范围的了解偏窄。目前一般认为,力学是研究宏观机械运动规律的科学。如果按照这个定义,爱因斯坦狭义(1905)和广义(1916)相对论的提出以及1919年的观察证实,就应当属于理论与应用力学的重要进展。不仅是力学学科中的重要进展,而且是人类文化史上的重要进展。钱学森先生说:“从过去100年来力学发展的情况看,力学是一门处理宏观问题的学问。它包括相对论,但它不包括量子理论。它是用理论,通过具体数字计算解答一个个实际问题。这些问题在过去都来自工程技术,但今后也会来自自然科学的研究,如对星系的运动发展。” 其实,力学从历史上看,不只是过去100年,而是从力学学科的开始,就一方面来自技术需要,另一方面来自对星系运动的观察,牛顿力学就是这样的。

不错,20世纪是力学与物理分家分别发展的世纪,分家后,力学从事于物质宏观运动规律的研究,物理从事于微观运动规律的研究。须知,力学和物理是分家,而不是被物理所开除。分家必然要从原有的经典力学与物理共有的部分继承一些内容过来,这犹如分家继承财产一样,而不是像被清出门户那样一无所有。经典力学就是力学所继承的部分,对这部分的宏观发展,自然也应当看作力学的发展。相对论是对经典力学改进和发展,既然可以认为是理论物理的成果,为什么不能认为也是力学学科的成果呢。

其次,对于力学学科的性质的认识上,偏向于理论推演,即在方法论上来说,着重演绎而忽视归纳。众所周知,力学尽管有一个庞大的理论大厦,但本质上仍然是一门以实验和观察为基础的科学。从这个观点看问题,初评得到的17项进展中,没有一项是属于实验的,在项目的介绍上,也没有充分反映实验或观察归纳的进展,这不能不是一点遗憾。例如,我们的流体力学尽管在19、20世纪得到了空前的发展,可是至今在设计和制造飞机火箭时,仍然离不开风洞,在升力阻力问题上,至今风洞具有最后的发言权。风洞的发明是19世纪的事,但是它的改进,各种不同风速、不同要求、不同尺寸风洞的出现,和风洞大量在航空航天事业以及其它事业中的应用,不能不说是20世纪力学进展中的大事。这件事的意义恐怕不会比边界层的发现来得更不重要吧。

相反,在初选17项中,却把“力学公理化体系”列为一项。1900年巴黎召开的世界数学家大会上,著名的德国数学家希尔伯特(D. Hilbert,1862 1943)提出了23个数学难题。人们说这23个难题左右了整个20世纪数学研究的主导方向。其中第六个难题是:物理公理的数学处理。他说:“几何基础的研究提示了这样的问题:用同样的方法借助公理来研究那些在其中数学起重要作用的物理科学,首先是概率论和力学。”就是说,他提出要像在几何学中应用公理那样来研究力学。希尔伯特第六难题对概率论公理化,已经为前苏联的科尔莫戈罗夫于1933年解决,而对于力学来说,迄今却很难说得到了什么公认的重要的进展。理论力学中关于质点动力学的公理体系,早在希尔伯特提出之前就有人进行过,他们把牛顿三大定律和静力学平行四边形定律合称为动力学公理。至于连续介质力学的公理体系,尽管有各种各样的体系提出,至今除客观性公理为人们所认同外,其它公理还是各说各的。更谈不上公认的公理“体系”了。例如对于所谓的变形局部化公理,就有许多人不承认。

这种情况表明,把概率论这样的特殊的数学模型公理化是能够实现的,而要想把整个力学纳入一个公理体系,是很难办到的。事实上,即使在数学中,公理化方法,也只是适用于某些类型的数量模型。如等价关系,归结为返身性、对称性、传递性三条公理。而对像计算方法这样的数学领域,公理化恐怕就很难有所作为了。人们近来说,计算数学越来越像艺术。所以希尔伯特的第六问题也许对数学学科,在许多方向上(但不是全部)是可行的,而对于力学来说,在希尔伯特的时代,或者是也许如希尔伯特当时所了解的力学,的确是表现得和数学很相像。但是力学在20世纪的发展表明公理化方法,进展很慢,更谈不上是主流进展,把它列入十大进展,很难说是合适的。所以,如果说把连续介质力学中关于本构关系的客观性原理,提为一项重要进展,也许是无可厚非的,而把整个“力学公理化体系”提为一项,就显得过于勉强了。至于说到在物理学中的公理化方法,则更是很难说有什么进展了。

再有,就力学学科对人类社会生活的影响来说,恐怕没有比航空和航天事业的出现更为重大的进展了。有人说发明飞机的莱脱兄弟不懂力学,这话是不准确的。莱脱兄弟收集研究了从达 芬奇、乔治 凯利、兰利等人的经验,并且自己建造了风洞,研究比较了200种以上的机翼。虽然他们还不能称得上是力学家,但是他们当时所具有的力学知识,对于当时他们制造初级水平的飞机来说,是绝对必须的。火箭则世界公认是从齐奥尔科夫斯基的研究开始的,他1903年发表的论文《利用喷气工具研究空间》以及1919年发表的论文《太空火箭列车》,奠定了后来航天火箭的基础,同时也是变质量力学的开始。这些事实,足以说明20世纪航空和航天事业的发展是在力学指导下的产物,它是力学引导人类扩大活动领域的重大进展。17项初选进展中既没有包含航空,也没有包含航天,不能不令人遗憾。然而它却包含了与航空、航天有关的“克服声障与热障的力学基础”“举力线理论”项目。不错,力学在克服声障和热障中以及在计算升力阻力上,是起了重要的作用,但这种作用比起整个航空和航天的诞生与发展来说,无疑是不足道的了。它应当包括升力阻力计算与实验、热障声障克服、惯性导航、喷气推进、复合材料、结构工程、变质量力学、燃烧问题、飞行稳定性、星际轨道计算与观测,再入大气层问题、鸟撞问题等等,一系列与航空和航天有关的力学领域的研究。

按理说,不同的人群参加评选会得到不同的结果,这次评选的最初项目推荐人是以力学进展的编委会为主进行的。他们都是力学专家,较多地从学科内部的发展来考虑问题是无可厚非的。不过,就是从学科发展来说,也还是有一些重要的项目应当提及的。例如,弹性力学平面问题的复变函数方法,以及流体力学中的复变函数方法,在30、40年代曾经是最重要的求解问题的方法,而且,即使到现在,为了得到准确的分析解,它仍然是一种重要的手段。不仅如此,它的发展还推动了数学中的广义解析函数和奇异积分方程的发展。

§3 在对所推荐项目的文字介绍上,存在不够准确的地方

既然要发动广大力学界的同人投票,对所推荐项目的介绍就应当尽可能地准确,何况每一个项目的介绍只有数百字,整个过程有半年之久,反复斟酌、力求准确是能够做到的。不尽如人意的是,在项目的叙述上,存在不少不够准确的地方。以下举一些例子。

在介绍“生物力学的创立”时,用了“创立”这个词是不妥的。生物力学在20世纪只能说是形成而不能说是创立。因为学科的形成,既不是一人之功,也不是一批人约好了在某个时候来创立。冯元祯先生最早提出了生物力学的学科并且做了许多重要的研究,但是这门学科还不能说就是由冯元祯先生创立的。正如,我们今天说牛顿力学,虽然表明牛顿在其中完成了重要的贡献,但是我们不能说动力学是牛顿创立的。

在介绍断裂力学时,一开始就提到Griffith的能量释放理论。紧接着还介绍了不少其它理论。其实断裂力学的产生,首先是脆性材料强度分散性的实验发现。具体来说,是关于玻璃棒的拉伸实验结果的分散性的发现,后来在高强度钢材和其它高强度脆性材料上也有发现,许多断裂理论就是针对这种分散现象的不同的理论猜测性的解释。这些理论一方面是维象的,另一方面还在不断发展,至今还没有一种理论可能被认为是最后的,而且,即使是已经有了这许多理论,在今天,判断脆性材料的强度极限,最后还得诉诸于实验。这些不同的理论只不过是提供了一种整理实验结果的不同办法而已。在介绍断裂力学时,对实验的作用没有提到足够的地位,给人一种印象,好像只要凭这些理论就可以进行脆性材料的或含裂纹材料的结构设计。

在介绍有限元方法时,没有强调有限元程序或软件的作用和发展。其实有限元的重要性,不只是开始的表述方法的一批论文,更为重要的是从1963年在克拉夫指导下,威尔孙的平面弹性力学有限元通用程序的完成,随后有限元软件不仅很快得到在工程界的普及,而且形成了有一定规模的软件产业和数以千计的有限元商用软件的出现。有限元的方法产生还促进了和标志着整个计算力学新学科的形成。

结束语

以上个人的一些看法,可能有片面之处。这次评选活动一些不尽人意的地方,可能是和前无先例有关,没有已有经验可循。当然也和我们力学界对于力学学科的范围、对于力学学科所发生的影响、对于自身的历史、对于力学成果的评价标准、对于力学学科的子学科分类标准等等问题从没有认真展开过较大规模的讨论,因而在认识上很分散有关。它启发我们的杂志、和学术团体、学会今后应当加强有关这些方面的工作,使以后的类似活动搞得更好。

附录

现将《力学进展》编辑部提交投票的17项20世纪力学重大进展与投票结果开列在下面:

推荐的17项进展

1.边界层理论

2.有限元方法

3.混沌理论

4.断裂力学

5.塑性力学和位错理论

6.湍流统计理论

7.湍流拟序结构

8.奇异摄动理论

9.举力线理论

10.点源强爆炸解

11.力学的公理化体系

12.星系螺旋结构的密度波理论

13.稳定性与分岔

14.生物力学的创立

15.哈密顿系统的辛(symplectic)表示

16.孤立子与反演散射方法

17.声障、热障的克服

投票结果得票最多的10项 得票数

1.有限元方法――――――――――――――――――384

2.断裂力学―――――――――――――――――――343

3.生物力学的创立――――――――――――――――337

4.稳定性、分岔和混沌理论――――――――――――337

5.边界层理论――――――――――――――――――323

6.塑性力学和位错理论――――――――――――――312

7.湍流统计理论―――――――――――――――――259

8.奇异摄动理论―――――――――――――――――222

9.力学的的公理化体系――――――――――――――199

10.克服声障、热障的力学理论――――――――196

注:本文受到国家自然科学基金10172002项目的资助,特致谢意。

参考文献

1.20世纪理论和应用力学十大进展,《力学进展》,第31卷, 第3期, 2001年8月, 第322-326页

2.钱学森,我对今日力学的认识,《力学与实践》,1995年,第17卷,第4期。

刊登于《力学与实践》,MECHANICS IN ENGINEERING,2002 Vol.24 No.2 P.67-70

On “ten great achievements of mechanics”

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