張 舵 魏斌斌 莫云飛

(國防科技大學文理學院 湖南 長沙 410073)

1 引言

21世紀是創(chuàng)新的世紀，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，許多重大的科技、經(jīng)濟、社會問題具有綜合性，如人口、資源、環(huán)境和能源等問題的研究和解決，要求眾多的社會科學和自然科學用各自理論、思維、觀念、技術和方法協(xié)同合作方能解決，這就需要科技人員應當能在交叉領域彼此交流各自的學術思想，從而對科學問題能更加客觀、全面地認識[1].例如：生物學家沃森和物理學家克里克通過一起合作而發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)；當科學家將量子理論應用于物質(zhì)科學和能源科學時，半導體、激光、核技術等重要高新技術相繼被開拓出來；艾滋病毒的攻克，除了病毒和免疫學方面的專家外，還應該吸引更多的生物物理學家、組合化學、結(jié)構(gòu)生物學、信息學等方面的年輕專家.

當代社會發(fā)展需要的是具有創(chuàng)造力的復合型人才.為了培養(yǎng)復合型人才：武漢大學的政治與公共管理學在二級學科的基礎上完成跨學科研究生的招生工作[2]； 北京大學成立了很多貫穿于整個科學的研究中心，同時開展了生物和醫(yī)學方面的跨學科研究生培養(yǎng)，并且在原來的基礎上建設了“前沿交叉學科研究院”[2]；國防科技大學設立了前沿交叉學科學院.而軍隊院校隨著現(xiàn)代化建設的深入發(fā)展，高技術武器裝備，軍事訓練，作戰(zhàn)指揮等迫切需要發(fā)展新理論和技術，而這些理論和技術都不是單一學科所能支撐的，都需要多學科交叉融合產(chǎn)生[3].如雷達系統(tǒng)的研制，制造原子彈的“曼哈頓工程”等項目的順利完成都依賴于多學科、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和科研過程中的一些感受以及英國訪問學習的經(jīng)歷來講述交叉學科和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要性.

從大學四年級學習爆炸技術的理論基礎這門課程開始，筆者算是正式進入工程力學的領域，到進入爆炸力學方向攻讀研究生，再到后來博士畢業(yè)參加工程力學方面的教學和科研工作.不時地總會遇到一些該領域科學家的名字，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，通常會對應一個公式、一項技術或者一種現(xiàn)象，比如瑞利表面波、伯努利方程、霍普金森桿實驗、彭賽勒公式等等，都會充滿敬佩，感嘆這些優(yōu)秀的科學家做出了這么漂亮的工作.通常情況下，這些科學家的名字如果出現(xiàn)在跨度較大的不同的領域甚至同一領域時，對應的往往并不是同一個人，比如伯努利家族在不同領域中涌現(xiàn)出了一批優(yōu)秀的科學家，他們的貢獻和成果往往都是以伯努利來命名.這里舉一個和沖擊動力學關系比較密切的例子，那就是霍普金森父子，他們分別是J.Hopkinson和B.Hopkinson，其中J.Hopkinson設計完成了第一個動態(tài)力學演示實驗，即著名的霍普金森桿實驗，用來演示如圖1所示裝置的動力學效應，在落槌撞擊下鐵絲的斷裂發(fā)生在B點.這個實驗幾乎成了國內(nèi)外沖擊動力學相關課程教學中教師在第一堂課上啟發(fā)學生思考的必用例子.B.Hopkinson子承父業(yè)，在1914年設計了一套實驗裝置，利用應力波效應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態(tài)特性測試技術——SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)奠定了基礎，這項測試技術因此也被取名為分離式霍普金森桿技術.

圖1 霍普金森桿實驗示意圖

2 維多利亞時代最后的博學者——瑞利爵士

在工程力學領域中，有這么一批以瑞利(Rayleigh)命名的科學成就，它們始終指向同一個人，那就是被通用電氣(GEC)總工程師A.T.Humphrey譽為維多利亞時代最后的博學者(the Last of the Great Victorian Polymaths)、諾貝爾獎獲得者約翰·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

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

圖3 印在卡文迪許實驗室圖書館藏書內(nèi)頁的標記

在大學學習沖擊波的理論描述時，第一次接觸到瑞利這個名字.利用間斷面上的相容關系式可以推導出，強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 應力應變曲線上強間斷前后狀態(tài)點的連線即瑞利弦

筆者在學習這個內(nèi)容的時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，每次講授到這個內(nèi)容的時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年時曾參與一項關于水中空蝕的科研項目的聯(lián)合申請工作.通過查閱空蝕相關文獻，了解到瑞利的另一項工作，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].槳片攪動產(chǎn)生的低壓區(qū)造成水的氣化并形成空泡.當壓力恢復時，空泡收縮潰滅，對槳面產(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動，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，空泡中心可以達到很高的溫度，甚至導致發(fā)光，這就是聲致發(fā)光效應(sonoluminescence).實驗測得空泡潰滅沖擊波的速度可以達到3 500 m/s，潰滅中心壓力可以達到40 000大氣壓，溫度可以達到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，美國橡樹嶺國家實驗室的科學家希望通過空泡中心的高溫高壓實現(xiàn)核聚變[8]，從而提供一種簡易、低成本的核聚變反應裝置.

2010年以后，由于承擔固體中的應力波的課程建設和教學工作，筆者進一步了解到了瑞利在應力波領域所作的貢獻.除了前面提到的利用瑞利弦來描述強間斷的傳播速度，他還推導了考慮橫向慣性效應的一維應力波速度近似解，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力波的幾何彌散效應.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Σā砻娌?在地震中，體波(壓縮波P和剪切波S)的速度較快，首先到達，但是表面波(瑞利波和勒夫波)卻攜帶著主要的振動能量，這是造成破壞的主要原因.在一些爆炸力學的學術講座中，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，當一種流體向另一種流體加速運動時，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Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性的理解和控制是核武器設計過程中非常關注的問題之一，這一現(xiàn)象在水中核爆炸產(chǎn)生的氣泡加速膨脹時也會發(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的成果或多或少和工程力學(爆炸力學)是相關的，這使得筆者曾經(jīng)一度認為瑞利應該是力學領域一位著名的科學家.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“天空為什么是藍的？”.這時你可能不禁要問，這么多的Rayleigh出現(xiàn)在不同科研領域，他們是同一個人嗎？ 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年諾貝爾獎的Lord Rayleigh.

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

表1 以瑞利命名的科學成果列表

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

3 工程力學領域的一些其他“跨界”科學家

由于工程力學的知識背景，筆者了解到在科學領域做出勇敢“跨界”的人還有一些典型代表，比如侵徹力學的創(chuàng)始人，法國著名數(shù)學家彭賽勒(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被俘，在1814年獲釋之后擔任力學教授，并在侵徹力學領域創(chuàng)建了著名的彭賽勒侵徹公式.彭賽勒設計了大量實驗，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界廣泛使用.他也因此被認為是終點彈道學創(chuàng)始人.然而彭塞勒更加廣為人知的是在投影幾何學方面的工作，并被譽為是現(xiàn)代投影幾何學之父(a reviver of projective geometry).

在侵徹力學方面，還有3位著名的英國物理學家，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)期間投身侵徹力學的研究，并創(chuàng)立了空腔膨脹理論(Cavity Expansion Theory，簡稱CET，1945)，為復雜的侵徹過程建立了嚴格的理論模型.其中莫特在1959-1971年之間任卡文迪許實驗室主任，由于其在磁性和無序體系中的電子結(jié)構(gòu)的相關工作而在1977年獲得諾貝爾獎.

在華人力學家里，馮元楨(Yuan- Zhen Feng，美籍，1919.9-2019.12)也可謂是一個勇于“跨界”的人.20世紀40年代，馮元楨來到美國后，對塔科馬吊橋被大風吹垮一事產(chǎn)生了極大的研究興趣，創(chuàng)造性地提出了“空氣彈性力學理論”，從而解決了航空架構(gòu)和空氣動力互相作用的問題，這是空氣動力學領域突破性的成果.他的專著《Theory of Aero Elasticity》(《空氣彈性力學》)，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)力學導論》)也被譽為力學領域的一本經(jīng)典教材.1957年，38歲的馮元楨在航空和空氣動力學領域已經(jīng)功成名就，并成為加州理工學院航空系教授.一次偶然的機會，馮元楨對醫(yī)學進行了一些了解，并敏銳地覺察到生物體內(nèi)蘊涵著豐富的新的力學問題.1966年，47歲的馮元楨開始全面致力于新興交叉領域——生物力學(Biomechanics)的研究，并最終在生物軟組織的本構(gòu)關系、肺微循環(huán)及肺血流動力學、生物組織應力和生長之間的關系3個方面取得了標志性成果[11].馮元楨現(xiàn)為美國國家科學院院士、美國國家工程院院士、美國國家醫(yī)學院院士，曾獲得美國機械工程師學會“百年大獎”(1981)、國際微循環(huán)學會最高獎Landis獎、美國國家工程院“創(chuàng)始人獎”(1998)、美國科學最高榮譽“美國國家科學獎章”(2000)和堪與諾貝爾獎媲美的“拉斯獎”(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彈性力學領域，敢為天下先，開拓生物力學這一大跨度交叉的新領域”，贊譽馮元楨先生在學術和人格上達到了“獨上高樓，望盡天涯路”的境界[12].

可喜的是，新一代華人力學家中，也涌現(xiàn)出了一批勇于挑戰(zhàn)新領域的優(yōu)秀科學家，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和分子馬達等方面的研究.還有鎖志剛和黃永剛，這兩位年輕的力學家目前也從事大量的與生物、新材料、醫(yī)學和電子學相關的交叉學科研究，并在研究領域內(nèi)已經(jīng)取得了很好的成績，在國際上享有盛譽.

4 幾點思考

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

(1)扎實的數(shù)理基礎和深刻的洞察力

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

(2)開闊的視野和卓越的見識

其次，他們都具有開闊的視野和卓越的見識，對科學發(fā)展的自身規(guī)律和科學技術的整體面貌也有清晰的把握和認識，并且能夠準確地判斷科學的發(fā)展方向和社會對于科學技術的發(fā)展需求，從而敏銳地發(fā)掘出新的科研方向.當然這也需要一些開辟新領域的勇氣和魄力.

(3)本學院培養(yǎng)人才的方式

最后，結(jié)合本學院實際情況談談一些粗淺的想法，國防科技大學理學院融數(shù)學、物理、化學、生物、力學于一身，這些學科均為基礎性學科，在培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)方面具有很大的優(yōu)勢，同時這些學科也極具交叉融合的潛力.筆者在本科時獲物理學士學位，在此期間經(jīng)歷了數(shù)理學科的熏陶以及專業(yè)學習，雖現(xiàn)在從事工程力學方面的研究，但現(xiàn)在的科研工作從本科階段的學習中獲益良多.目前學院提倡本科教育“數(shù)理打通”，在這種培養(yǎng)理念下，為學生打下厚實的數(shù)理基礎奠定了很好的條件.如果學院在研究生教育中能夠打破學科壁壘，提倡交叉創(chuàng)新，給學生創(chuàng)造一個學科交叉融合的環(huán)境，必定能夠取得更多、更好的教學科研成果，為軍隊培養(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)展的動力，而創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)最根本需要培養(yǎng)學生扎實的數(shù)理基礎、深刻的洞察力、開闊的視野和卓越的見識.目前針對很多高校大學生只注重專業(yè)知識的學習，卻忽略數(shù)理基礎的提升這一現(xiàn)象，筆者希望各高校能從老一輩科學家的成功經(jīng)驗中得到一些啟發(fā)，重視數(shù)理教育，積極籌建交叉學科，營造多學科氛圍，推動跨學科本科生、研究生和博士生教育的發(fā)展.

致謝

本文在國家留學基金委的支持下完成了部分調(diào)研工作,特表謝意.