哥廷根应用力学学派

哥廷根应用力学学派及其对我国近代力学发展的影响•众所周知，周培源、钱学森、郭永怀和钱伟长四院士是我国近代力学事业的奠基人，他们为我国的力学发展贡献了毕生的精力，究其生平，我们不难发现他们都与国际上著名的哥廷根应用力学学派有千丝万缕的关系。哥廷根应用力学学派的起源和发展哥廷根应用力学学派的特点对我国近代力学发展的影响哥廷根应用力学学派的起源和发展•哥廷根应用力学学派于20世纪初发源于德国的哥廷根大学。数学的麦加高斯（C.F.Gauss,1777-1855）数学家、物理学家、天文学家、大地测量学家。有数学王子的美誉18岁发现了质数分布定理和最小二乘法。19岁时，第一个成功的用尺规构造出了规则的17角形。独立发现了二项式定理的一般形式、数论上的“二次互反律”、素数定理、及算术-几何平均数。第一本著名的著作《算术研究》成为数论继续发展的重要基础。创立测量平差理论，测算天体的运行轨迹。测算出了谷神星的运行轨迹。近20篇对现代大地测量学具有重大意义的论文。为微分几何的始祖（高斯、雅诺斯和罗巴切夫斯基）之一。发明了日光反射仪、磁强计。画出了世界第一张地球磁场图，并且定出了地球磁南极和磁北极的位置。数学的麦加黎曼（G.F.B.Riemann,1826-1866）数学家，物理学家，不仅是非欧几何的创始人之一，而且他的研究成果为50年后爱因斯坦的广义相对论提供了数学框架。“几何学中的哥白尼”数学的麦加克莱因（FelixKlein,1849-1925）实现了重建哥廷根大学作为世界数学研究的重要中心数学的麦加希尔伯特（D.Hilbert,1862-1943）德国《自然》杂志发表过这样的观点：现在世界上难得有一位数学家的工作不是以某种途径导源于希尔伯特的工作。1900年，希尔伯特在巴黎数学家大会上提出了23个最重要的问题供二十世纪的数学家们去研究，这就是著名的希尔伯特23个问题。数学的麦加闵可夫斯基（H.Minkowski,1864-1909）相对论的武器库数学的麦加朗道（E.Landau,1877-1938）“朗道十诫”•工科大学生不仅要有坚实的理论基础，而且还要真正懂得科学研究的方法。另一方面，数学家也要具备一些工程技术基础知识。•克莱因在世纪之交，在哥廷根大学建立了应用力学系、应用数学系和技术物理系和相应的研究所•1900年，著名的荷兰物理学家H.A.洛伦兹被任命为技术物理学教授•1904年，路德维希·普朗特发表了著名的边界层理论这项工作引起了克莱因的注意，将普朗特聘任工程力学教授。•哥廷根大学应用数学副教授席位空缺，克莱为这一学科设立正教授的席位。在德国，专门为应用数学设立教授席位这还是第一次。克莱因心目中的候选人是卡尔·龙格•在克莱因和普朗特的领导下，哥廷根大学应用力学研究所人才辈出。许多国际知名的力学大师，如冯·卡门、铁木辛柯、普拉格、邓哈托、纳戴等，都出自普朗特的门下。•在哥廷根大学冯·卡门跟随普朗特教授研究材料力学和流体力学；和后来获得诺贝尔奖的德国物理学家马克斯·玻恩合作搞过晶体原子结构模型；参加由克莱因组织的学术讨论会；聆听过诺贝尔奖金获得者能斯特、纯粹数学明星希尔伯特、欧洲大陆上第一位应用数学教授龙格等人的精彩绝伦的讲课；作为普朗特的助手，冯·卡门参加了哥廷根第一个风洞的筹建和“齐柏林”飞船的设计。•卡门涡街•1926年冯·卡门移居美国，到加州理工学院任职，开始了为美国空军研制飞机、火箭、导弹的生涯。他在古根海姆基金会的资助下，建立了古根海姆空气动力学实验室（GALCIT）。后又建立喷气推进研究所（JPL）。在30－50年代，他集聚了世界上最优秀的空气动力学家，在航空航天技术方面取得了突破性进展，为人类进入空间时代奠定了科学基础。•我国的钱学森、郭永怀、钱伟长、林家翘就是曾在那里学习、工作过的杰出人才，周培源教授也曾在冯·卡门处访问有年。哥廷根应用力学学派的特点•它的领袖具备科学知识权威性、科学导师号召力、科学组织凝聚力和科学气质吸引力。一个学派的领袖是该学派理论纲领或科研风格的缔造者、传播者和教导者，是学派顺利运行的组织者，他不仅要做出杰出的科学贡献，而且还应极力传播学派的理论纲领，培养事业的接班人。•理论与实际、科学与技术、数理科学与应用科学密切结合是哥廷根应用力学学派极具代表性的治学理念和学术风格他们主张从复杂的扑朔迷离的问题中，寻找出最基本的物理过程，然后再运用简化了的数学方法加以分析，从而把理论与设计结合起来。•良好的学术交流环境和民主作风普朗特领导的应用力学研究所理的学术活动有声有色，他组织的seminar里群英荟萃。他总是心平气和地与同僚和学生讨论问题，从不以势压人，冯·卡门说，在热烈的讨论中，人们总可以领略他的聪明睿智。因此他身边的英才越聚越多，包括后来的著名的女学生陆士嘉。对我国近代力学发展的影响•周培源、钱学森、郭永怀和钱伟长都曾在冯·卡门教授身边学习或工作过，从而成为了哥廷根应用力学学派思想在我国的传播者和实践者，对我国近代力学的发展做出了不可磨灭的巨大贡献。•他们对科学的贡献为我国近代力学的发展奠定了基础。二十世纪初我国物理界的学子抱着科学救国的壮志开始了他们的赴海外求学的历史，钱学森、郭永怀和钱伟长都加入了这个浪潮中。钱学森（1911-2009）•浙江省杭州市人，中国空气动力学家，中国科学院、中国工程院院士。曾任美国麻省理工学院教授、加州理工学院教授、加州理工学院喷气推进实验室创始人之一。钱学森是中国火箭、导弹及航天技术发展的重要人物，两弹一星功勋奖章获得者之一。•美国海军次长金布尔声称：“钱学森无论走到哪里，都抵得上5个师的兵力，我宁可把他击毙在美国，也不能让他离开。”•1934年于国立交通大学毕业，并于8月赴国立中央大学参加清华大学庚款留美公费生考试。10月成为20名庚子赔款留美公费生之一。•1935年留学美国，入麻省理工学院航空系学习。•1936年获麻省理工学院航空工程硕士学位，后转入加州理工学院航空系学习，在冯·卡门教授指导下深造。•1939年获美国加州理工学院航空、数学博士学位。•1943年任加州理工学院助理教授。•1945年任加州理工学院副教授。•1947年任麻省理工学院教授。•1949年任加州理工学院喷气推进中心主任、教授。•1955年返回祖国。•在1939～1953年这十多年的时间里，钱学森先生在应用力学领域，紧密联系高速飞行，为突破“声障”和“热障”所面临的前沿难题，几乎全方位的进行探索，并做出了重大贡献。与冯·卡门合作进行的可压缩边界层的研究，揭示了这一领域的一些温度变化情况，创立了“卡门—钱近似”方程。钱伟长（1912-2010）•江苏无锡人，中国力学家、应用数学家、教育家，中国科学院院士，上海大学校长，耀华中学名誉校长。中国近代力学、应用数学的奠基人之一。中国人民政治协商会议第六届、七届、八届和九届全国委员会副主席，民盟中央副主席、名誉主席。1931年以中文和历史两个100分的成绩进入了清华大学历史系1931—1937年在清华大学物理系、研究生院学习1937年，钱伟长入选中国国家足球队1940年赴加拿大1941年获得多伦多大学硕士学位后，10月即完成博士论文，1942年获得博士学位1943至1946年，在美国加州理工学院航空系及喷气推进研究所，在冯.卡门教授领导下研究火箭弹道、火箭的气动及传热设计、气象火箭、人造卫星轨道、降落伞运动规律、火箭的飞行稳定性、对称超音速锥型流及回转体流场计算、圆柱体的变扭率扭转等问题。1946年5月，回国，在清华大学任教郭永怀（1909-1968）•山东省荣成县。•受钱学森之邀，1956年10月回国后任中国科学院力学研究所副所长。1957年任中国力学学会副理事长，同年聘为中国科学院数学物理学化学部学部委员。他是中国大陆力学事业的奠基人之一，在力学、应用数学和航空事业方面有卓越贡献，是科技工作的领导人和组织实施者。1958年参与创建中国科学技术大学，为化学物理系主任。•1968年12月5日，郭永怀从青海省执行任务返回北京时，在飞至北京上空约400米高度时飞机突然因发动机故障而坠毁。郭和同机警卫当场丧生。在清理飞机遗骸时，人们发现郭永怀和他的警卫紧抱在一起，两人身体之间紧夹着刚刚获得的氢弹试验数据。•1931年考入南开大学物理系•1935年北京大学物理系毕业•1940年赴加拿大多伦多大学应用数学系留学并获硕士学位。•1941年到美国加利福尼亚州理工学院研究可压缩流体力学，•1945年获博士学位后留校任研究员•1946年起在美国康奈尔大学任副教授、教授。•1956年10月，回国郭永怀先生和钱伟长先生一同进多伦多大学应用数学系，在数学系主任辛吉（J.L.Synge）教授指导下从事科学研究。郭永怀仅以半年时间就完成了“可压缩粘性流体在直管中的流动”的论文，并获硕士学位。1941年5月，他又来到美国西岸加州理工学院古根海姆航空实验室，在冯·卡门教授指导下工作，他主动提出要进行当时空气动力学的前沿问题―跨声速流动不连续解的研究，并于1945年获得博士学位。1946年，W.R.Sears教授在康乃尔大学创办航空研究生院。他特聘郭永怀先生前去工作，到1956年这十年间历任副教授、教授之职，也是康乃尔大学创办航空研究院的三个主持人（即Sears，郭永怀，Kantrowitz，常被称为“三剑客”）之一。回国后的主要贡献应用力学钱学森在应用力学的空气动力学方面和固体力学方面都做过开拓性的工作；与冯·卡门合作进行的可压缩边界层的研究，揭示了这一领域的一些温度变化情况，创立了“卡门—钱近似”方程。与郭永怀合作最早在跨声速流动问题中引入上下临界马赫数的概念。喷气推进与航天技术从40年代到60年代初期，钱学森在火箭与航天领域提出了若干重要的概念：在40年代提出并实现了火箭助推起飞装置(JATO)，使飞机跑道距离缩短；在1949年提出了火箭旅客飞机概念和关于核火箭的设想；在1953年研究了行星际飞行理论的可能性；在1962年出版的《星际航行概论》中，提出了用一架装有喷气发动机的大飞机作为第一级运载工具，用一架装有火箭发动机的飞机作为第二级运载工具的天地往返运输系统概念。工程控制论工程控制论在其形成过程中，把设计稳定与制导系统这类工程技术实践作为主要研究对象。钱学森本人就是这类研究工作的先驱者。物理力学钱学森在1946年将稀薄气体的物理、化学和力学特性结合起来的研究，是先驱性的工作。1953年，他正式提出物理力学概念，主张从物质的微观规律确定其宏观力学特性，改变过去只靠实验测定力学性质的方法，大大节约了人力物力，并开拓了高温高压的新领域。1961年他编著的《物理力学讲义》正式出版。现在这门科学的带头人是苟清泉教授，1984年钱学森向苟清泉建议，把物理力学扩展到原子分子设计的工程技术上。系统工程钱学森不仅将中国航天系统工程的实践提炼成航天系统工程理论，并且在80年代初期提出国民经济建设总体设计部的概念，还坚持致力于将航天系统工程概念推广应用到整个国家和国民经济建设，并从社会形态和开放复杂巨系统的高度，论述了社会系统。钱学森从而提出把社会系统划分为社会经济系统、社会政治系统和社会意识系统三个组成部分。相应于三种社会形态应有三种文明建设，即物质文明建设(经济形态)、政治文明建设(政治形态)和精神文明建设(意识形态)。社会主义文明建设应是这三种文明建设的协调发展。从实践角度来看，保证这三种文明建设协调发展的就是社会系统工程。从改革和开放的现实来看，不仅需要经济系统工程，更需要社会系统工程。系统科学钱学森对系统科学最重要的贡献，是他发展了系统学和开放的复杂巨系统的方法论。思维科学人工智能已成为国际上的一大热门，但学术思想却处于混乱状态。在这样的背景下，钱学森站在科技发展的前沿，提出创建思维科学(noeticscience)这一科学技术部门，把30年代中国哲学界曾议论过，有所争论，但在当时条件下没法讲清楚的主张，科学地概括成为思维科学。比较突出的贡献为：(1)钱学森在80年代初提出创建思维科学技术部门，认为思维科学是处理意识与大脑、精神与物质、主观与客观的科学，是现代科学技术