張 舵 魏斌斌 莫云飛

(國防科技大學(xué)文理學(xué)院 湖南 長沙 410073)

1 引言

21世紀(jì)是創(chuàng)新的世紀(jì)，國家間的競爭，最終決定于科技人才和創(chuàng)新能力的競爭.目前不同學(xué)科間的交叉與融合比以往更為緊密，且呈現(xiàn)出高度綜合的趨勢(shì)，許多重大的科技、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)問題具有綜合性，如人口、資源、環(huán)境和能源等問題的研究和解決，要求眾多的社會(huì)科學(xué)和自然科學(xué)用各自理論、思維、觀念、技術(shù)和方法協(xié)同合作方能解決，這就需要科技人員應(yīng)當(dāng)能在交叉領(lǐng)域彼此交流各自的學(xué)術(shù)思想，從而對(duì)科學(xué)問題能更加客觀、全面地認(rèn)識(shí)[1].例如：生物學(xué)家沃森和物理學(xué)家克里克通過一起合作而發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)；當(dāng)科學(xué)家將量子理論應(yīng)用于物質(zhì)科學(xué)和能源科學(xué)時(shí)，半導(dǎo)體、激光、核技術(shù)等重要高新技術(shù)相繼被開拓出來；艾滋病毒的攻克，除了病毒和免疫學(xué)方面的專家外，還應(yīng)該吸引更多的生物物理學(xué)家、組合化學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、信息學(xué)等方面的年輕專家.

當(dāng)代社會(huì)發(fā)展需要的是具有創(chuàng)造力的復(fù)合型人才.為了培養(yǎng)復(fù)合型人才：武漢大學(xué)的政治與公共管理學(xué)在二級(jí)學(xué)科的基礎(chǔ)上完成跨學(xué)科研究生的招生工作[2]； 北京大學(xué)成立了很多貫穿于整個(gè)科學(xué)的研究中心，同時(shí)開展了生物和醫(yī)學(xué)方面的跨學(xué)科研究生培養(yǎng)，并且在原來的基礎(chǔ)上建設(shè)了“前沿交叉學(xué)科研究院”[2]；國防科技大學(xué)設(shè)立了前沿交叉學(xué)科學(xué)院.而軍隊(duì)院校隨著現(xiàn)代化建設(shè)的深入發(fā)展，高技術(shù)武器裝備，軍事訓(xùn)練，作戰(zhàn)指揮等迫切需要發(fā)展新理論和技術(shù)，而這些理論和技術(shù)都不是單一學(xué)科所能支撐的，都需要多學(xué)科交叉融合產(chǎn)生[3].如雷達(dá)系統(tǒng)的研制，制造原子彈的“曼哈頓工程”等項(xiàng)目的順利完成都依賴于多學(xué)科、多行業(yè)的科技人員共同協(xié)作[4].

下面通過介紹筆者在教學(xué)和科研過程中的一些感受以及英國訪問學(xué)習(xí)的經(jīng)歷來講述交叉學(xué)科和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要性.

從大學(xué)四年級(jí)學(xué)習(xí)爆炸技術(shù)的理論基礎(chǔ)這門課程開始，筆者算是正式進(jìn)入工程力學(xué)的領(lǐng)域，到進(jìn)入爆炸力學(xué)方向攻讀研究生，再到后來博士畢業(yè)參加工程力學(xué)方面的教學(xué)和科研工作.不時(shí)地總會(huì)遇到一些該領(lǐng)域科學(xué)家的名字，這些名字里面有瑞利、伯努利、霍普金森、泰勒、彭賽勒等等.每遇到這樣的名字，通常會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)公式、一項(xiàng)技術(shù)或者一種現(xiàn)象，比如瑞利表面波、伯努利方程、霍普金森桿實(shí)驗(yàn)、彭賽勒公式等等，都會(huì)充滿敬佩，感嘆這些優(yōu)秀的科學(xué)家做出了這么漂亮的工作.通常情況下，這些科學(xué)家的名字如果出現(xiàn)在跨度較大的不同的領(lǐng)域甚至同一領(lǐng)域時(shí)，對(duì)應(yīng)的往往并不是同一個(gè)人，比如伯努利家族在不同領(lǐng)域中涌現(xiàn)出了一批優(yōu)秀的科學(xué)家，他們的貢獻(xiàn)和成果往往都是以伯努利來命名.這里舉一個(gè)和沖擊動(dòng)力學(xué)關(guān)系比較密切的例子，那就是霍普金森父子，他們分別是J.Hopkinson和B.Hopkinson，其中J.Hopkinson設(shè)計(jì)完成了第一個(gè)動(dòng)態(tài)力學(xué)演示實(shí)驗(yàn)，即著名的霍普金森桿實(shí)驗(yàn)，用來演示如圖1所示裝置的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，在落槌撞擊下鐵絲的斷裂發(fā)生在B點(diǎn).這個(gè)實(shí)驗(yàn)幾乎成了國內(nèi)外沖擊動(dòng)力學(xué)相關(guān)課程教學(xué)中教師在第一堂課上啟發(fā)學(xué)生思考的必用例子.B.Hopkinson子承父業(yè)，在1914年設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)裝置，利用應(yīng)力波效應(yīng)巧妙地測量了爆炸產(chǎn)生的壓力波形.霍普金森父子開創(chuàng)性的工作，為現(xiàn)代廣為使用的材料動(dòng)態(tài)特性測試技術(shù)——SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)奠定了基礎(chǔ)，這項(xiàng)測試技術(shù)因此也被取名為分離式霍普金森桿技術(shù).

圖1 霍普金森桿實(shí)驗(yàn)示意圖

2 維多利亞時(shí)代最后的博學(xué)者——瑞利爵士

在工程力學(xué)領(lǐng)域中，有這么一批以瑞利(Rayleigh)命名的科學(xué)成就，它們始終指向同一個(gè)人，那就是被通用電氣(GEC)總工程師A.T.Humphrey譽(yù)為維多利亞時(shí)代最后的博學(xué)者(the Last of the Great Victorian Polymaths)、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者約翰·威廉·斯特拉特(John William Strutt，瑞利原名).由于瑞利本人出身英國貴族，英文文獻(xiàn)中也常常稱他為瑞利爵士(Lord Rayleigh)，圖2即為瑞利爵士的畫像.

圖2 瑞利爵士畫像

瑞利是卡文迪許實(shí)驗(yàn)室第二任實(shí)驗(yàn)室主任，并且為卡文迪許實(shí)驗(yàn)室贏得了第一枚諾貝爾獎(jiǎng)(1904年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))，為了紀(jì)念他，實(shí)驗(yàn)室圖書館被命名為瑞利圖書館.卡文迪許實(shí)驗(yàn)室圖書館里老一點(diǎn)的圖書內(nèi)頁都有這么一個(gè)精美的標(biāo)記，如圖3所示.圖中文字為“Cavendish Laboratory,Cambridge,Rayleigh Library”，翻譯成中文即為“卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，劍橋，瑞利圖書館”.

圖3 印在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室圖書館藏書內(nèi)頁的標(biāo)記

在大學(xué)學(xué)習(xí)沖擊波的理論描述時(shí)，第一次接觸到瑞利這個(gè)名字.利用間斷面上的相容關(guān)系式可以推導(dǎo)出，強(qiáng)間斷的傳播速度可以用瑞利弦的斜率來表示，如圖4所示.

圖4 應(yīng)力應(yīng)變曲線上強(qiáng)間斷前后狀態(tài)點(diǎn)的連線即瑞利弦

筆者在學(xué)習(xí)這個(gè)內(nèi)容的時(shí)候就感覺到這種表述非常直觀，讓人印象深刻，在畢業(yè)后做教師工作時(shí)，每次講授到這個(gè)內(nèi)容的時(shí)候也都能感受到一種理論上的簡潔之美.

畢業(yè)參加工作后，筆者在2009年時(shí)曾參與一項(xiàng)關(guān)于水中空蝕的科研項(xiàng)目的聯(lián)合申請(qǐng)工作.通過查閱空蝕相關(guān)文獻(xiàn)，了解到瑞利的另一項(xiàng)工作，那就是Rayleigh-Plesset方程.Rayleigh-Plesset方程源于英國皇家海軍在1917年委托瑞利爵士解決船只槳片老化的問題.經(jīng)過調(diào)研之后，瑞利發(fā)現(xiàn)槳片高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的水中空泡是造成空蝕的原因[5].槳片攪動(dòng)產(chǎn)生的低壓區(qū)造成水的氣化并形成空泡.當(dāng)壓力恢復(fù)時(shí)，空泡收縮潰滅，對(duì)槳面產(chǎn)生沖擊等破壞作用，如圖5所示.

圖5 螺旋槳在水中產(chǎn)生的空泡和槳面產(chǎn)生的空蝕破壞

普萊賽特(Plesset)在瑞利的研究基礎(chǔ)上給出了著名的Rayleigh-Plesset方程[6]，該方程能夠很好地描述空泡的運(yùn)動(dòng)，甚至可以描述通過擠壓高速水射流而產(chǎn)生的空泡[7].后來科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)空泡還可以通過聲波來激發(fā)，在聲波的作用下，空泡中心可以達(dá)到很高的溫度，甚至導(dǎo)致發(fā)光，這就是聲致發(fā)光效應(yīng)(sonoluminescence).實(shí)驗(yàn)測得空泡潰滅沖擊波的速度可以達(dá)到3 500 m/s，潰滅中心壓力可以達(dá)到40 000大氣壓，溫度可以達(dá)到105～106K.在空泡的周圍竟然可以找到過氧化氫(H2O2).空泡潰滅中心的高溫高壓已經(jīng)引起了人們極大興趣，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家希望通過空泡中心的高溫高壓實(shí)現(xiàn)核聚變[8]，從而提供一種簡易、低成本的核聚變反應(yīng)裝置.

2010年以后，由于承擔(dān)固體中的應(yīng)力波的課程建設(shè)和教學(xué)工作，筆者進(jìn)一步了解到了瑞利在應(yīng)力波領(lǐng)域所作的貢獻(xiàn).除了前面提到的利用瑞利弦來描述強(qiáng)間斷的傳播速度，他還推導(dǎo)了考慮橫向慣性效應(yīng)的一維應(yīng)力波速度近似解，如式(1)所示.

(1)

其中C為相速度，ν為材料的泊松比，a為圓柱桿的半徑，λ為波長.該方程可以很好地描述長桿中應(yīng)力波的幾何彌散效應(yīng).除此之外，瑞利首先在理論上描述了一種在固體表面?zhèn)鞑サ膽?yīng)力波——表面波.在地震中，體波(壓縮波P和剪切波S)的速度較快，首先到達(dá)，但是表面波(瑞利波和勒夫波)卻攜帶著主要的振動(dòng)能量，這是造成破壞的主要原因.在一些爆炸力學(xué)的學(xué)術(shù)講座中，作者還了解到了Rayleigh- Taylor不穩(wěn)定性的概念，Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性是指在兩種不同密度的液體之間的界面上，當(dāng)一種流體向另一種流體加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，液體間的界面將失穩(wěn)，使得兩種流體發(fā)生混合，如圖6所示[9].對(duì)Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性的理解和控制是核武器設(shè)計(jì)過程中非常關(guān)注的問題之一，這一現(xiàn)象在水中核爆炸產(chǎn)生的氣泡加速膨脹時(shí)也會(huì)發(fā)生.

圖6 流體界面的 Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性數(shù)值模擬

以上這些和瑞利有關(guān)的成果或多或少和工程力學(xué)(爆炸力學(xué))是相關(guān)的，這使得筆者曾經(jīng)一度認(rèn)為瑞利應(yīng)該是力學(xué)領(lǐng)域一位著名的科學(xué)家.直到偶然間了解到，這位瑞利爵士還提出了一種光的散射模型(瑞利散射).該模型回答了無數(shù)人心中的疑問，那就是“天空為什么是藍(lán)的？”.這時(shí)你可能不禁要問，這么多的Rayleigh出現(xiàn)在不同科研領(lǐng)域，他們是同一個(gè)人嗎？ 答案是肯定的，他們都是憑借分離并發(fā)現(xiàn)氬氣的出色工作而獲得1904年諾貝爾獎(jiǎng)的Lord Rayleigh.

除了上述的力學(xué)和物理領(lǐng)域之外，瑞利還在數(shù)學(xué)、氣象學(xué)、雷達(dá)設(shè)計(jì)方面都有出色的工作，限于筆者的知識(shí)和篇幅所限，表1僅給出部分以瑞利命名的科學(xué)成果的一個(gè)列表.這其中有些成果實(shí)際上在筆者本科學(xué)習(xí)期間早已接觸到，只是后來才知道瑞利的成就很多.

表1 以瑞利命名的科學(xué)成果列表

從表1可以看出，瑞利可謂是一個(gè)效率很高的科學(xué)家，這位出生在英國艾塞克斯郡的偉大的科學(xué)家，在77歲(1919年6月)時(shí)死于心臟病發(fā)作，然而在1918年和1919年瑞利分別發(fā)表了5篇和7篇論文，可謂是為科學(xué)奉獻(xiàn)了一生.由于瑞利的博學(xué)和多產(chǎn)，瑞利被譽(yù)為維多利亞時(shí)代最后的博學(xué)者(Lord Rayleigh——the Last of the Great Victorian Polymaths)[10].在驚嘆于瑞利的諸多科學(xué)成就之余，筆者也為瑞利開闊的視野和廣泛的興趣所折服.通過對(duì)瑞利在如此之多的科研領(lǐng)域中所作的工作做一個(gè)簡單的回顧，本文也許能為現(xiàn)在所提倡的學(xué)科交叉提供一些啟發(fā).

3 工程力學(xué)領(lǐng)域的一些其他“跨界”科學(xué)家

由于工程力學(xué)的知識(shí)背景，筆者了解到在科學(xué)領(lǐng)域做出勇敢“跨界”的人還有一些典型代表，比如侵徹力學(xué)的創(chuàng)始人，法國著名數(shù)學(xué)家彭賽勒(Jean-Victor Poncelet，1788.7.1-1867.12.22).彭賽勒在1812年隨拿破侖東征俄羅斯時(shí)被俘，在1814年獲釋之后擔(dān)任力學(xué)教授，并在侵徹力學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)建了著名的彭賽勒侵徹公式.彭賽勒設(shè)計(jì)了大量實(shí)驗(yàn)，首次定量地研究了侵徹過程，所總結(jié)出的彭賽勒公式至今仍在侵徹力學(xué)界廣泛使用.他也因此被認(rèn)為是終點(diǎn)彈道學(xué)創(chuàng)始人.然而彭塞勒更加廣為人知的是在投影幾何學(xué)方面的工作，并被譽(yù)為是現(xiàn)代投影幾何學(xué)之父(a reviver of projective geometry).

在侵徹力學(xué)方面，還有3位著名的英國物理學(xué)家，他們分別是畢肖普(R.F.Bishop)，希爾(R.Hill)和莫特(N.F.Mott)，他們3人在第二次世界大戰(zhàn)期間投身侵徹力學(xué)的研究，并創(chuàng)立了空腔膨脹理論(Cavity Expansion Theory，簡稱CET，1945)，為復(fù)雜的侵徹過程建立了嚴(yán)格的理論模型.其中莫特在1959-1971年之間任卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任，由于其在磁性和無序體系中的電子結(jié)構(gòu)的相關(guān)工作而在1977年獲得諾貝爾獎(jiǎng).

在華人力學(xué)家里，馮元楨(Yuan- Zhen Feng，美籍，1919.9-2019.12)也可謂是一個(gè)勇于“跨界”的人.20世紀(jì)40年代，馮元楨來到美國后，對(duì)塔科馬吊橋被大風(fēng)吹垮一事產(chǎn)生了極大的研究興趣，創(chuàng)造性地提出了“空氣彈性力學(xué)理論”，從而解決了航空架構(gòu)和空氣動(dòng)力互相作用的問題，這是空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域突破性的成果.他的專著《Theory of Aero Elasticity》(《空氣彈性力學(xué)》)，在1955年出版，這本書至今仍有很大的影響力.此外它所著的《A First Course in Contimuum Mechanics》(《連續(xù)介質(zhì)力學(xué)導(dǎo)論》)也被譽(yù)為力學(xué)領(lǐng)域的一本經(jīng)典教材.1957年，38歲的馮元楨在航空和空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)功成名就，并成為加州理工學(xué)院航空系教授.一次偶然的機(jī)會(huì)，馮元楨對(duì)醫(yī)學(xué)進(jìn)行了一些了解，并敏銳地覺察到生物體內(nèi)蘊(yùn)涵著豐富的新的力學(xué)問題.1966年，47歲的馮元楨開始全面致力于新興交叉領(lǐng)域——生物力學(xué)(Biomechanics)的研究，并最終在生物軟組織的本構(gòu)關(guān)系、肺微循環(huán)及肺血流動(dòng)力學(xué)、生物組織應(yīng)力和生長之間的關(guān)系3個(gè)方面取得了標(biāo)志性成果[11].馮元楨現(xiàn)為美國國家科學(xué)院院士、美國國家工程院院士、美國國家醫(yī)學(xué)院院士，曾獲得美國機(jī)械工程師學(xué)會(huì)“百年大獎(jiǎng)”(1981)、國際微循環(huán)學(xué)會(huì)最高獎(jiǎng)Landis獎(jiǎng)、美國國家工程院“創(chuàng)始人獎(jiǎng)”(1998)、美國科學(xué)最高榮譽(yù)“美國國家科學(xué)獎(jiǎng)?wù)隆?2000)和堪與諾貝爾獎(jiǎng)媲美的“拉斯獎(jiǎng)”(2007).陶祖萊先生為馮元楨90華誕撰寫的賀文中稱馮先生“年過不惑，棄已獲卓越成果的氣動(dòng)彈性力學(xué)領(lǐng)域，敢為天下先，開拓生物力學(xué)這一大跨度交叉的新領(lǐng)域”，贊譽(yù)馮元楨先生在學(xué)術(shù)和人格上達(dá)到了“獨(dú)上高樓，望盡天涯路”的境界[12].

可喜的是，新一代華人力學(xué)家中，也涌現(xiàn)出了一批勇于挑戰(zhàn)新領(lǐng)域的優(yōu)秀科學(xué)家，比如中科院的趙亞溥教授，曾師從鄭哲敏院士研究爆炸力學(xué)和結(jié)構(gòu)沖擊，并提出了著名的Zhao無量綱數(shù)，目前主要從事跨尺度力學(xué)和分子馬達(dá)等方面的研究.還有鎖志剛和黃永剛，這兩位年輕的力學(xué)家目前也從事大量的與生物、新材料、醫(yī)學(xué)和電子學(xué)相關(guān)的交叉學(xué)科研究，并在研究領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)取得了很好的成績，在國際上享有盛譽(yù).

4 幾點(diǎn)思考

對(duì)以上著名力學(xué)家的一些科研成果和經(jīng)歷的簡單回顧，會(huì)讓人不禁發(fā)問，為什么他們能夠在如此多的領(lǐng)域產(chǎn)生這么多具有普遍理論指導(dǎo)意義的成果？這些科學(xué)家的成長是否具有一些可以供我們學(xué)習(xí)的共同特質(zhì)？思索良久，給出一些粗淺想法，供大家批評(píng)指正.

(1)扎實(shí)的數(shù)理基礎(chǔ)和深刻的洞察力

首先，這些科學(xué)家們?nèi)季哂性鷮?shí)的數(shù)理基礎(chǔ)，并對(duì)事物的物理本質(zhì)有著深刻的洞察能力.我想這是他們勇于探索新領(lǐng)域并取得驕人成績的必要條件.學(xué)科的劃分是具有一定的人為性的，而科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)正是要培養(yǎng)人們對(duì)于科學(xué)具有統(tǒng)一性的認(rèn)識(shí)，學(xué)科的融合則能夠促進(jìn)科研工作者探究科學(xué)的本質(zhì).

(2)開闊的視野和卓越的見識(shí)

其次，他們都具有開闊的視野和卓越的見識(shí)，對(duì)科學(xué)發(fā)展的自身規(guī)律和科學(xué)技術(shù)的整體面貌也有清晰的把握和認(rèn)識(shí)，并且能夠準(zhǔn)確地判斷科學(xué)的發(fā)展方向和社會(huì)對(duì)于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展需求，從而敏銳地發(fā)掘出新的科研方向.當(dāng)然這也需要一些開辟新領(lǐng)域的勇氣和魄力.

(3)本學(xué)院培養(yǎng)人才的方式

最后，結(jié)合本學(xué)院實(shí)際情況談?wù)勔恍┐譁\的想法，國防科技大學(xué)理學(xué)院融數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、力學(xué)于一身，這些學(xué)科均為基礎(chǔ)性學(xué)科，在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)這些學(xué)科也極具交叉融合的潛力.筆者在本科時(shí)獲物理學(xué)士學(xué)位，在此期間經(jīng)歷了數(shù)理學(xué)科的熏陶以及專業(yè)學(xué)習(xí)，雖現(xiàn)在從事工程力學(xué)方面的研究，但現(xiàn)在的科研工作從本科階段的學(xué)習(xí)中獲益良多.目前學(xué)院提倡本科教育“數(shù)理打通”，在這種培養(yǎng)理念下，為學(xué)生打下厚實(shí)的數(shù)理基礎(chǔ)奠定了很好的條件.如果學(xué)院在研究生教育中能夠打破學(xué)科壁壘，提倡交叉創(chuàng)新，給學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)學(xué)科交叉融合的環(huán)境，必定能夠取得更多、更好的教學(xué)科研成果，為軍隊(duì)培養(yǎng)出更多具有交叉創(chuàng)新能力的新型軍事科技干部.

5 結(jié)束語

創(chuàng)新是國家發(fā)展的動(dòng)力，而創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)最根本需要培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的數(shù)理基礎(chǔ)、深刻的洞察力、開闊的視野和卓越的見識(shí).目前針對(duì)很多高校大學(xué)生只注重專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)，卻忽略數(shù)理基礎(chǔ)的提升這一現(xiàn)象，筆者希望各高校能從老一輩科學(xué)家的成功經(jīng)驗(yàn)中得到一些啟發(fā)，重視數(shù)理教育，積極籌建交叉學(xué)科，營造多學(xué)科氛圍，推動(dòng)跨學(xué)科本科生、研究生和博士生教育的發(fā)展.

致謝

本文在國家留學(xué)基金委的支持下完成了部分調(diào)研工作,特表謝意.