| 进入力学界近三十年的一对中年伉俪两年前突发奇想，想要知道：力学界的两院院士关于力学都说了些什么?于是，利用20个月的业余时间，孜孜矻矻，探微索隐，精心编纂，推出了这本62万字的《院士谈力学》。此书一经发行，不久即告售罄，坊间好评不绝于耳。为什么这本大部头科普著作如此受欢迎?且听笔者慢慢道来。 无处不在的力学 这是因为力学无处不在。正如郑哲敏院士为该书所写的序言中所说：“力学是关于物质世界宏观机械运动的科学，包括诸如物体的受力、运动、流体的流动、固体的变形、断裂、损伤等研究。它既是一门基础学科，又是一门技术学科。回顾新中国成立以来的重大成就，如两弹一星，具有自主知识产权的飞机、潜艇，还有高层建筑、巨型轮船、高水平的桥梁(如跨江跨海的各种吊桥斜拉桥)、海洋平台、海港与栈桥、精密机械、机器人、高速列车等，都有力学工作者的指导与参与，包含着我国数万力学工作者的心血和贡献。” 的确，大到浩瀚的宇宙太空，小到纤细的尘埃细胞，到处能见到力学的影子。通过宇宙气体动力学(特别是星系密度波)的研究，人们可以精细地描绘出我们所在的银河系的双臂螺旋结构;采用行星际动力学，可以精准地给出各个行星的运动规律;采用细胞力学，可以探索植物的微细结构;借助多相流力学，可以"窥见"空中的尘埃和水中的沙粒;有了力学，可上九天揽月，可下五洋捉鳖;有了力学，人类可以创造种种奇迹。 关于力学应用的广泛性，不妨引用周培源先生的精辟论述：“力学的发生和发展一开始就是由生产决定的。恩格斯曾经举出了古代力学发展的背景是农业经济的某一阶段，城市和大建筑的产生，手工业的发展，航海和战争等例子。1686 年牛顿对力学的总结最初是从天体运动的研究开始的，当时天文学、数学和力学是自然科学中仅有的三个成熟的伙伴。它们互相渗透，互相促进。牛顿力学的发展为大工业准备了基础，也对物理学其他分支的发展起过巨大的推动作用。一直到现在，力学在工程方面的应用越发深入，在绝大部分的工程(包括建筑、水利、交通、机械、采矿、冶金、化工、石油、军事、空间工程)中，处处都需要力学。工程向力学提出了层出不穷的问题，力学也不断以新的成果，深刻地改变工程设计的思想。近年来，力学又在认识自然方面，恢复和扩大了过去的老传统。力学工作者投身到宇宙论、天体演化、星系结构、天体爆炸、太阳风、行星磁场等研究，也投身到大气、洋流、海浪、地壳运动、地幔对流等的研究。生物力学出现了，它将为力学和农业及医学建立越来越紧密的联系。可以这样说，近代力学的发展，正深入到自然科学的许多部门，力学在物质运动范围内处理的问题，所以有这样的广泛性，起因于力学是研究自然界中最基本、最简单的运动形式，即位置移动。” 正因为有这样的广泛性，力学学科一直受到普遍关注，人们渴望了解力学的方方面面，于是，本书面世受到如此热烈的欢迎，也就不足为奇了。 众说纷纭的力学 这是因为国内学界对力学学科常有不同的认识，经常众说纷纭，莫衷一是，甚至无视这一学科的存在。从世界范围看来，作为基础科学的力学学科的存在性稳如泰山。试看，国际理论和应用力学联盟 (IUTAM) 有上百个成员国，它组织的国际理论和应用力学大会 (ICTAM)，即"力学奥运会"，每届有千余人参加，第23届ICTAM就于2012年在我国北京召开;国际上力学类的刊物成百上千;知名力学家为数甚众，这些都是明证。可是，在我国，本不该成问题的问题，却老是成问题。虽说在国家自然科学基金委员会，数理化力天地生这七大基础学科的地位从来就非常明确，力学始终占据着重要的位置，但在制订全国性的科学规划时，总会遇到一些问题. 最明显的例子是：1978年，在制订新一轮科学规划时，一开始，只提"数理化天地生"，偏偏把力学学科排除在外，幸好以周培源、钱伟长、谈镐生等院士为代表的老一代力学家据理力争，争回了力学作为重要的基础学科的地位(详见《谈镐生文集》的钱伟长序和第402～420页)。 可是，在2008年的我国中长期科学规划中又出现了类似问题;在2009年的科技部一些规划中重又把力学排除在基础学科之外，经过新一代力学界的院士们再次鼓与呼，问题才得到解决。 之所以出现这种情况，有如下原因： 1、对力学学科的内涵及其发展史不甚了解，即使在学界也是如此; 2、误认为力学仅仅是物理学的一个分支，殊不知早在一百多年前，力学就与物理学"分了家"，成了一门独立的学科; 3、缺乏对力学学科内涵的普及性介绍，又有一些不准确的信息的误导，使人们产生模糊认识。 武际可在《力学史》中，经过一番引经据典，归纳出关于力学的如下认识： 1、力学起源于工具、工艺的改进，同时也是人类追求认识自然界客观运动的普遍规律，特别是追求对天体运动规律认识的必然归宿。 2、在力学研究上，从古代开始，就有两种传统。如牛顿所说，一方面是理性的或理论的，另一方面是应用的，可见理论力学与应用力学的分工，早在牛顿时代就有了。 3、对力学的研究对象，有一个逐步拓宽的过程。早期着重于重力、平衡，即静力学，后来着重于运动，即动力学. 到了牛顿，对力学有了最一般的认识，将力同运动相联系，而且这里运动是最一般意义的运动，它包含一切变化。 4、数学是同力学密不可分的，牛顿将几何学看作力学，达芬奇将力学看作数学，而邓玉函将数、度、力三学看为亲密三兄弟，不可分离。力学同数学从古以来一直紧密联系，它们是人类认识客观事物运动的质与量的两个不可分的侧面。 5、自20 世纪开始，力学和物理学开始分工，力学研究宏观世界的规律。 6、把力学作为科学的一个分支，而不单是作为技术，是近代科学界的共识。 他还进一步指出：“1900年量子论与1905年相对论相继产生，标志着物理学与力学的分家。从此力学专门解决宏观世界的问题，而物理学专门从事微观世界的研究，力学家与物理学家、天文学家、数学家便分道扬镳了。这一阶段力学学科的研究特点是：由于力学的基本理论在许多方面已经趋于成熟，理论难题仅有湍流、强度等少数课题，所以与理论力学相比，应用力学的研究队伍占较大比重。”正因为如此，在力学界，由于各自的侧重领域和各种重点不同，对力学学科究竟是基础科学，还是技术科学，尚有歧见，经过反复讨论，逐步形成一致的认识，正如文献[4]中所述： “力学原是物理学的一个分支，物理科学的建立则是从力学开始的。在物理科学中，人们曾用纯粹力学理论解释机械运动以外的各种形式的运动，如热、电磁、光、分子和原子内部的运动等. 当物理学摆脱了这种机械(力学)的自然观而获得健康发展时，力学则在工程技术的推动下按自身逻辑进一步演化，逐渐从物理学中独立出来。20世纪初，相对论指出，牛顿力学不适用于速度接近于光速或者宇宙尺度内的物体运动;20年代，量子论指出牛顿力学不适用于微观世界。这反映了人们对力学的深化，即认识到物质在不同层次上的机械运动的规律是不同的。通常理解的力学只以研究宏观的机械运动为主，因而许多带'力学'名称的学科如热力学、统计力学、相对论力学、电动力学、量子力学等在习惯上被称为是物理学的分支，而不属于力学的范围。但由于历史上的原因，力学和物理学仍有着特殊的亲缘关系，特别是在以上各'力学'分支和牛顿力学之间，许多概念、方法、理论都有不少相似之处。”“力学与数学在发展中始终相互推动，相互促进。一种力学理论往往和一个数学分支相伴产生，如运动基本定律与微积分，运动方程的求解和常微分方程，弹性力学及流体力学的基本方程和数学分析理论，天体力学中运动稳定性和微分方程定性理论等。有人甚至认为力学是一门应用数学，但是力学和物理学一样，还有需要实验基础的一面，而数学寻求的是比力学更带普遍性的数学关系，两者有各自的研究对象。”“力学同物理学、数学等学科一样，是一门基础科学，它所阐明的规律带有普遍的性质。”“力学又是一门技术科学，它是许多工程技术的理论基础，又在广泛应用中不断得到发展。当工程学还只分民用工程学(即土木工程学)和军事工程学两大分支时，力学在这两个分支中已起举足轻重的作用。工程学越分越细，各个分支中许多关键性的进展都有赖于力学中有关运动规律、强度、刚度等问题的解决。力学与工程学的结合促使工程力学各个分支的形成和发展，现在，无论是历史较久的土木工程、建筑工程、水利工程、机械工程、船舶工程等还是后起的航空工程、航天工程、核技术工程、生物医药工程等都或多或少有工程力学的活动场地。力学作为一门技术科学，并不能代替工程学，只指出工程技术中解决力学问题的途径，而工程学则从更综合的角度考虑具体任务的完成。同样地，工程力学也不能代替力学，因为力学还有探索自然界一般规律的任务。”“力学既是基础科学又是技术科学这种二重性，有时也难免会引起侧重基础一面和侧重应用研究一面的力学家之间的不同看法。当然这种二重性也使力学家感到自豪，他们为沟通人类认识自然和改造自然两个方面做出了贡献。”尽管如此，在国内学界，对力学的内涵及其二重性依然有不少片面认识，尤其是一些颇具影响的工具书对“力学” 词条做了不恰当的诠释，对一些糊涂认识的加深起了推波助澜的作用。有鉴于此，2009年，一批资深力学工作者借着国家自然科学基金委员会数理科学部组织的研讨“2011～2020年我国科学发展战略”的机会，对力学学科的定义、特性和发展战略进行了深入讨论，进一步形成了共识。 上述情况在《院士谈力学》中得到了充分反映，院士们对力学的内涵及其二重性做了全方位的阐述。 扛鼎之作是周培源先生发表于《力学与实践》创刊号的文章。他明确地指出：“力学是关于物质宏观运动规律的科学。 ” 文中透彻地分析了物质的宏观运动和微观运动之间的关系;基础研究和应用研究的关系;新老学科的关系;理论和实验的关系。他旗帜鲜明地陈述：“从力学长期发展历史来看，我们可以得出这样一个初步结论，就是力学具有很强的基础性，又有极为广泛的应用性，两者相辅相成，互相促进，所以，力学既是基础科学，又是应用科学。这和数学、物理学、化学、生物学等门科学，并没有什么两样的地方”。“如果上面的结论可以成立，我们能否这样说，力学属于基础科学，和数、理、化、天、地、生一起共称七大基础科学;同时，我们也能否这样说：就它的应用范围的广泛性来说，力学也属于技术科学。因此，我们既要充分重视力学的基础研究，又要十分注意力学的广泛应用。”时至今日，此文仍是发展力学学科的纲领性文件，重温起来仍有一种亲切感。 各位院士从不同侧面对上述观点做了阐释。 老一代院士陈述了他们对力学的深层次理解.钱伟长认为：“力学既是应用性很强的技术科学，更是一个深藏玄机的基础学科，力学事业的发展必须从基础研究入手，为国民经济建设服务，决不能就事论事，照抄照搬，而必须狠下功夫，大力从事机理性探索，只有这样，力学才能在实践中发挥其无与伦比的巨大作用。”谈镐生强调指出：“我们必需看到，力学是一门应用性极强的基础科学。没有一项工程技术，能够离开力学而存在。所以，力学既是大工业的基础，又是物理科学的理论基础。”钱学森的《论技术科学》一文有很大影响，他在阐述了技术科学的概念、发展和研究方法后指出，力学本身是技术科学的一个范例，也是我们现在对技术科学这一概念的来源。他所给出的技术科学的十个发展新方向中，有一半与力学相关。郑哲敏则对“理论力学”和“应用力学”做了界定：“一般说，如果主要是为了深入探讨与认识某种力学规律，并无明确的应用目标，或者研究某种规律的必要性是从众多可能的应用中提炼出来的，在现阶段又并不限于某一特定应用，则可称之为理论力学，另一方面如果是为了解决实际应用中的某些特定的问题，则属于应用力学的范畴。” 新一代院士也表述了他们对力学的深刻理解。李家春和方岱宁根据学科发展的新态势，给力学下了更细致的定义：“力学是有关力、运动和介质(固体、液体、气体和等离子体)宏、细/微观力学性质的学科，研究以机械运动为主及其同物理、化学、生物运动耦合的现象。” 并指出：“力学学科是自然科学的先导和基础，它在学科自身发展和实际工程应用的驱动下不断发展，为人类社会的进步做出了巨大贡献，应用和理论力学学派的光辉成就已载入科学史册。毫无疑问，现代力学仍将是一门具有广泛应用和强大生命力的重要基础学科。” 白以龙通过例证指明：“力学不仅广泛推动工程学的进展，又是新自然观的重要起源。”这是因为“首先，自牛顿以后，自然科学又经历了几次伟大的理论综合和概括;其次，力学涉及的是我们周围的宏观世界。从土地、大气、海洋、生物到人类及其生产活动，构成了复杂的宏观世界，我们身处其中，往往见怪不怪，经常受到惩罚。”“因此，以认识这个宏观世界一般运动规律为目标的力学的作用，看来也需要我们给予再认识。或许，我们应当恢复牛顿把力学作为‘自然哲学的数学原理的精神’。” 综上所述，对于刚进入力学领域或想进入力学领域的年轻朋友，对于想了解力学的所有朋友，本书的问世无疑是雪中送炭，使得他们一入门就能了解，力学究竟是一门什么样的学科。 魅力无穷的力学 这还因为力学五彩缤纷，魅力四射。《院士谈力学》收集了我国力学界35位院士的55篇文章，可谓精彩纷呈，美不胜收，因为作者都是力学各个领域里的著名专家，他们学有专长，写文章驾轻就熟，举重若轻。 谓予不信，笔者带着大家漫游一下此书的奇境吧! 钱学森先回国后开创了物理力学研究，这种宏微观结合的力学带来一种新境界. 郭永怀回国后不久，把现代空气动力学理念带了过来，听听他通俗地讲解什么是激波和激波管，什么是高超声速流动，什么是高速流动中的电离和离解效应;他用雪崩来比喻激波，告诉我们激波有时有害，有时却有利，至少可以在激波管里制造高温环境;飞行器以马赫数12再入大气层时会发生什么现象。吴承康则进一步发挥，全面生动地描述了高速再入飞行器的等离子体问题，特别是弹头炽热时的烧蚀问题，而且提出了对付这种“等离子体鞘”的防热措施，顺便讲述了神秘的空间电推进器的原理;庄逢甘讲了力学在航天中如何发挥作用;崔尔杰则讲述了生物运动仿生力学和智能微型飞行器的故事，告诉我们如何像鸟类和昆虫那样扑翼飞行。 我国最早的流体力学家周培源则全面介绍了流体动力学，从滚滚洪水和潮起潮落中看到了它，在高速飞行、桥梁工程、石油工程中发现了它，而流动规律又如此扑朔迷离。李家春全面综述了流体动力学的机遇和需求，全面述及了航空航天工程、海洋工程、能源工程、环境工程、生物医学工程中的流体力学，介绍了相关的交叉学科。何友声介绍了船舶流体力学的新进展，特别是引人入胜的空泡流。吴有生则以“力学的永恒魅力与贡献——与时俱进的船舶力学” 为题，向我们展示了五光十色的舰船及其力学问题。渗流专家郭尚平等向我们揭示了渗流力学的方方面面，告诉大家它不仅在传统的水利工程、地下水资源开发和石油工程等传统领域发挥巨大作用，而且相继渗透到建筑、环境保护、化工、冶金、机械、原子能工业、膜分离技术、染料颜料、制糖等工业技术部门，乃至生物医学工程，数学建模和新型实验为这个学科分支带来了强大的生命力。胡文瑞在介绍空间的物理学时，描述了微重力环境下的光怪陆离的现象，特别阐述了微重力流体力学的内涵和应用。传热学专家过增元阐释了微细尺度传热的怪异特点和处理方法，这是国际前沿性问题。 不少固体力学专家向我们展示了它的巨大魅力.钱伟长讲述了非线性力学的异军突起和蓬勃生机，描绘了力学工作者向非线性力学进军的累累战果.黄克智等综述了我国经济、社会发展中急需解决的重大基础性力学问题，特别是，材料科学、微电子机械过程、能源工程中的力学问题，并总结出固体力学跨世纪优先发展的领域，即 1、宏、细、微观材料本构理论与破坏过程; 2、精微力-电系统耦合细观力学; 3、大规模计算力学仿真. 对固体力学研究有指导作用。 专注于材料科学中的力学问题研究的方岱宁等人写了两篇长文剖析了先进复合材料和功能铁磁材料的变形与断裂的研究动态及其发展趋势，特别对学术思想、基本问题和研究方法做了详尽分析。其中《功能铁磁材料的变形与断裂的研究进展》一文引述了149篇文献，对实验研究设备和方法以及理论建模过程作了细致描述。断裂力学专家王自强对界面断裂力学做了全方位的介绍，指出了相应的热门课题。资深固体力学家、地球动力学专家王仁对地质材料的力学问题做了权威性阐述，尤其对地质材料的非线性变形和破裂做了生动描绘，并转述了十一个相关的热门课题。他还写了三篇科普文章，对研究中出现的反演问题等进行了通俗的介绍。 本书收录了著名的计算力学专家钱令希、钟万勰、程耿东的两篇文章，论述了这一个因为计算技术发展而突飞猛进的分支学科的历史和现状，特别述及有限元构造及其数学基础、适合于计算机上的算法、结构优化和各类耦合问题的求解以及软件的开发与应用、计算动力学等问题，特别展望了我国计算力学的发展。值得一提的是弹性力学专家胡海昌写了一篇文章专门谈对振动工程的看法，他认为：“基础科学能够而且应该发展出相应的工程科学。” 他还认为，像振动工程这样的新工程的诞生和发展，应归功于计算机、微电子技术、系统论、控制论和信息论的发展。铁路工程动力学专家翟婉明及其合作者撰文叙述高铁中的一些典型的力学问题：高速铁路轮轨滚动接触力学问题、高速列车关键结构部件疲劳问题、高速列车与线路结构动态相互作用问题，这些问题源于实践，相当复杂，却饶有兴味，充分显示了力学的魅力。本书的另一篇有趣的文章是郑晓静和周又和写的关于风沙运动研究中的力学问题的长文，这两位固体力学专家近十几年转向研究与沙尘暴相关的风沙运动，这是一个颇具挑战性的研究领域，实验观测和理论分析都极其困难，至今尚无可靠的预测模型，他们认为，有必要将风沙运动系统作为非线性、多场耦合、跨尺度的复杂动力系统，并总结出四个关键力学问题. 本书还收录了郑晓静等人写的两篇科普文章《力学与沙尘暴》和《关于鸣沙》，可读性极好。 在《院士谈力学》的第四部分中还收录十四篇力学科普文章，内容包罗万象，涉及核武器研制，机械设备的“健康检测”，海洋内波探测，鱼类游动，体育运动，乃至拐杖的使用...... 五光十色，美不胜收。难能可贵的是：钱令希等五位院士在世纪之交写了一封倡议信，发动大家努力撰写科普文章，宣传力学贡献。并且建议“立即组织起一套丛书"。他们的倡议得到了积极广泛的响应，近十几年来，力学科普的文章书籍大批涌现. 值得一提的是，2008年，中国力学学会发起组织出版《大众力学丛书》，至今已出版了15种，在全社会得到了普遍好评和欢迎。 通过上述漫游，我们可以体会到，力学不仅无奇不有，无处不在，而且婀娜多姿，丰富多彩。可以说，学习力学、研究力学是一种享受，细细品味这本书也是一种享受。 任重道远的力学 读完这本书，掩卷沉思，浮想联翩。尽管学力学是一种享受，但是，说起来容易，做起来难，应用好力学知识更是一种挑战。院士们无不认识到这一点，因此，他们倾尽全力从事力学的研究和应用，更是呕心沥血专注于力学教育。他们认识到，力学事业任重道远，必须后继有人。他们希望“长江后浪推前浪，江山代有才人出”。本书的第三部分专门谈力学教育，三代院士在这方面也发表了真知灼见。 张维撰文说：“力学要为国民经济的发展服务，就要有一支良好的力学工作者队伍，存在力学队伍培养成长的问题。”他认为着重要解决好专业和课程设置问题和培养方法问题。为此，他对欧美的力学教育进行了广泛调研，并提出了具体建议。 刘人怀调查分析了我国力学教育的现状，得出结论：近年来力学专业所培养的人才质量总体来说有所提高，特别是计算能力、外语能力和知识面宽度有所上升，但理论分析能力有所下降。并相应地提出四点建议：稳定规模;多层次多模式培养;加宽加厚数学和力学基础;加强创新能力培养. 特别对创新教育进行了深层次的思考。 胡海岩从建设创新型国家对高等工程教育的需求出发进行力学教育设计，特别强调了研究型工程师的培养，并且主张从技术科学的统一性看力学理论教学，从实践与创新的统一性看力学实践教学。他认为，大学无法孤立地、直接地培养工程师。即使是按照6年制本硕连读方式培养学生，也仅是未来的研究型工程师，或称作研究工程师的毛坯，还需要经过长期的工程实践锻炼方能成才。这一观点与老一代力学家完全一致。 时代在进步，社会在变化. 许多急需解决的实际问题向力学提出严峻的挑战，任重而道远。这本书可以成为我们接受挑战、所向披靡的指路明灯。 结束语 概括地说，该书有如下优点：· 材料详尽，内容翔实; · 选材合理，观点鲜明; · 编纂有方，分类恰当; · 印制精当，几无错讹。 笔者由衷地认为，《院士谈力学》是一本不可多得的好书。也许本人孤陋寡闻，迄今似乎尚未见到其他学科有同类著作。 此书的问世，是我国力学界的福音。感谢两位编者的辛勤劳动! 参考文献： [1] 刘俊丽，刘曰武. 院士谈力学. 北京：科学出版社，2016 [2] 谈镐生. 谈镐生文集. 北京：科学出版社，2006 [3] 武际可. 力学史. 上海：上海辞书出版社，2010 [4] 钱令希，钱伟长，郑哲敏等. 中国大百科全书(力学). 北京、上海：中国大百科全书出版社，1985 [5] 戴世强. 力学学科在中国To be, or not to be (1) 力学是什么?科学网博客，http://blog.sciencenet.cn/blog-330732-364422.html，2010-09-19 [6] 戴世强. 力学学科在中国To be, or not to be (2) 千呼万唤始出来的78 个字，科学网博客，http://blog.sciencenet.cn/blog-330732-364423.html，2010-09-19 [7] 钱伟长. 《谈镐生文集》序. 北京：科学出版社，2006 来源：力学与实践公众号(ID：lxysj_cstam)，作者：戴世强教授 上海大学。本文刊载于《力学与实践》2016年第6期 |
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