無處不在的力學，眾說紛紜的力學，魅力無窮的力學——漫評《院士談力學》

進入力學界近三十年的一對中年伉儷兩年前突發奇想，想要知道：力學界的兩院院士關於力學都說了些什麼？於是，利用20 個月的業餘時間，孜孜矻矻，探微索隱，精心編纂，推出了這本62 萬字的《院士談力學》[1]. 此書今年10 月上網發行，不久即告售罄，坊間好評不絕於耳.為什麼這本大部頭科普著作如此受歡迎？且聽筆者慢慢道來.

1 無處不在的力學

這是因為力學無處不在.

正如鄭哲敏院士為該書所寫的序言中所說："力學是關於物質世界宏觀機械運動的科學，包括諸如物體的受力、運動、流體的流動、固體的變形、斷裂、損傷等研究. 它既是一門基礎學科，又是一門技術學科. 回顧新中國成立以來的重大成就，如兩彈一星，具有自主知識產權的飛機、潛艇，還有高層建築、巨型輪船、高水平的橋樑(如跨江跨海的各種弔橋斜拉橋)、海洋平台、海港與棧橋、精密機械、機器人、高速列車等，都有力學工作者的指導與參與，包含著我國數萬力學工作者的心血和貢獻. "

的確，大到浩瀚的宇宙太空，小到纖細的塵埃細胞，到處能見到力學的影子. 通過宇宙氣體動力學(特別是星系密度波) 的研究，人們可以精細地描繪出我們所在的銀河系的雙臂螺旋結構；採用行星際動力學，可以精準地給出各個行星的運動規律；採用細胞力學，可以探索植物的微細結構；藉助多相流力學，可以"窺見"空中的塵埃和水中的沙粒；有了力學，可上九天攬月，可下五洋捉鱉；有了力學，人類可以創造種種奇蹟.

關於力學應用的廣泛性，不妨引用周培源先生的精闢論述："力學的發生和發展一開始就是由生產決定的. 恩格斯曾經舉出了古代力學發展的背景是農業經濟的某一階段，城市和大建築的產生，手工業的發展，航海和戰爭等例子. 1686 年牛頓對力學的總結最初是從天體運動的研究開始的. 當時，天文學、數學和力學是自然科學中僅有的三個成熟的夥伴. 它們互相滲透，互相促進. 牛頓力學的發展為大工業準備了基礎，也對物理學其他分支的發展起過巨大的推動作用. ......一直到現在，力學在工程方面的應用越發深入，在絕大部分的工程(包括建築、水利、交通、機械、採礦、冶金、化工、石油、軍事、空間工程) 中，處處都需要力學. 工程向力學提出了層出不窮的問題，力學也不斷以新的成果，深刻地改變工程設計的思想. 近年來，力學又在認識自然方面，恢復和擴大了過去的老傳統. 力學工作者投身到宇宙論、天體演化、星繫結構、天體爆炸、太陽風、行星磁場等研究，也投身到大氣、洋流、海浪、地殼運動、地幔對流等的研究. 生物力學出現了. 它將為力學和農業及醫學建立越來越緊密的聯繫. 可以這樣說，近代力學的發展，正深入到自然科學的許多部門. 力學在物質運動範圍內處理的問題，所以有這樣的廣泛性，起因於力學是研究自然界中最基本、最簡單的運動形式，即位置移動. "[1].

正因為有這樣的廣泛性，力學學科一直受到普遍關注，人們渴望了解力學的方方面面，於是，本書面世受到如此熱烈的歡迎，也就不足為奇了.

2 眾說紛紜的力學

這是因為國內學界對力學學科常有不同的認識，經常眾說紛紜，莫衷一是，甚至無視這一學科的存在.

從世界範圍看來，作為基礎科學的力學學科的存在性穩如泰山. 試看，國際理論和應用力學聯盟(IUTAM) 有上百個成員國，它組織的國際理論和應用力學大會(ICTAM)，即"力學奧運會"，每屆有千餘人參加，第23 屆ICTAM 就於2012 年在我國北京召開；國際上力學類的刊物成百上千；知名力學家為數甚眾. 這些都是明證. 可是，在我國，本不該成問題的問題，卻老是成問題. 雖說在國家自然科學基金委員會，數理化力天地生這七大基礎學科的地位從來就非常明確，力學始終佔據著重要的位置，但在制訂全國性的科學規劃時，總會遇到一些問題. 最明顯的例子是：1978 年，在制訂新一輪科學規劃時，一開始，只提"數理化天地生"，偏偏把力學學科排除在外，幸好以周培源、錢偉長、談鎬生等院士為代表的老一代力學家據理力爭，爭回了力學作為重要的基礎學科的地位(詳見《談鎬生文集》[2] 的錢偉長序和第402 ～ 420 頁). 可是，在2008 年的我國中長期科學規劃中又出現了類似問題；在2009 年的科技部一些規劃中重又把力學排除在基礎學科之外，經過新一代力學界的院士們再次鼓與呼，問題才得到解決.

之所以出現這種情況，有如下原因：

(1) 對力學學科的內涵及其發展史不甚了解，即使在學界也是如此；

(2) 誤認為力學僅僅是物理學的一個分支，殊不知早在一百多年前，力學就與物理學"分了家"，成了一門獨立的學科；

(3) 缺乏對力學學科內涵的普及性介紹，又有一些不準確的信息的誤導，使人們產生模糊認識.

武際可在《力學史》[3] 中，經過一番引經據典，歸納出關於力學的如下認識：

(1) 力學起源於工具、工藝的改進，同時也是人類追求認識自然界客觀運動的普遍規律，特別是追求對天體運動規律認識的必然歸宿.

(2) 在力學研究上，從古代開始，就有兩種傳統.如牛頓所說，一方面是理性的或理論的，另一方面是應用的，可見理論力學與應用力學的分工，早在牛頓時代就有了.

(3) 對力學的研究對象，有一個逐步拓寬的過程. 早期著重於重力、平衡，即靜力學，後來著重於運動，即動力學. 到了牛頓，對力學有了最一般的認識，將力同運動相聯繫，而且這裡運動是最一般意義的運動，它包含一切變化.

(4) 數學是同力學密不可分的，牛頓將幾何學看作力學，達芬奇將力學看作數學，而鄧玉函將數、度、力三學看為親密三兄弟，不可分離. 力學同數學從古以來一直緊密聯繫，它們是人類認識客觀事物運動的質與量的兩個不可分的側面.

(5) 自20 世紀開始，力學和物理學開始分工，力學研究宏觀世界的規律.

(6) 把力學作為科學的一個分支，而不單是作為技術，是近代科學界的共識.

他還進一步指出："1900 年量子論與1905 年相對論相繼產生，標誌著物理學與力學的分家. 從此力學專門解決宏觀世界的問題，而物理學專門從事微觀世界的研究，力學家與物理學家、天文學家、數學家便分道揚鑣了. 這一階段力學學科的研究特點是：由於力學的基本理論在許多方面已經趨於成熟，理論難題僅有湍流、強度等少數課題，所以與理論力學相比，應用力學的研究隊伍占較大比重. "正因為如此，在力學界，由於各自的側重領域和各種重點不同，對力學學科究竟是基礎科學，還是技術科學，尚有歧見，經過反覆討論，逐步形成一致的認識，正如文獻[4] 中所述：

"力學原是物理學的一個分支. 物理科學的建立則是從力學開始的. 在物理科學中，人們曾用純粹力學理論解釋機械運動以外的各種形式的運動，如熱、電磁、光、分子和原子內部的運動等. 當物理學擺脫了這種機械(力學) 的自然觀而獲得健康發展時，力學則在工程技術的推動下按自身邏輯進一步演化，逐漸從物理學中獨立出來. 20 世紀初，相對論指出，牛頓力學不適用於速度接近於光速或者宇宙尺度內的物體運動；20 年代，量子論指出牛頓力學不適用於微觀世界. 這反映了人們對力學的深化，即認識到物質在不同層次上的機械運動的規律是不同的. 通常理解的力學只以研究宏觀的機械運動為主，因而許多帶"力學"名稱的學科如熱力學、統計力學、相對論力學、電動力學、量子力學等在習慣上被稱為是物理學的分支，而不屬於力學的範圍. 但由於歷史上的原因，力學和物理學仍有著特殊的親緣關係，特別是在以上各 力學"分支和牛頓力學之間，許多概念、方法、理論都有不少相似之處.

"力學與數學在發展中始終相互推動，相互促進.一種力學理論往往和一個數學分支相伴產生，如運動基本定律與微積分，運動方程的求解和常微分方程，彈性力學及流體力學的基本方程和數學分析理論，天體力學中運動穩定性和微分方程定性理論等.有人甚至認為力學是一門應用數學. 但是力學和物理學一樣，還有需要實驗基礎的一面，而數學尋求的是比力學更帶普遍性的數學關係，兩者有各自的研究對象.

"力學同物理學、數學等學科一樣，是一門基礎科學，它所闡明的規律帶有普遍的性質.

"力學又是一門技術科學，它是許多工程技術的理論基礎，又在廣泛應用中不斷得到發展. 當工程學還只分民用工程學(即土木工程學) 和軍事工程學兩大分支時，力學在這兩個分支中已起舉足輕重的作用. 工程學越分越細，各個分支中許多關鍵性的進展都有賴於力學中有關運動規律、強度、剛度等問題的解決. 力學與工程學的結合促使工程力學各個分支的形成和發展. 現在，無論是歷史較久的土木工程、建築工程、水利工程、機械工程、船舶工程等還是後起的航空工程、航天工程、核技術工程、生物醫藥工程等都或多或少有工程力學的活動場地. 力學作為一門技術科學，並不能代替工程學，只指出工程技術中解決力學問題的途徑，而工程學則從更綜合的角度考慮具體任務的完成. 同樣地，工程力學也不能代替力學，因為力學還有探索自然界一般規律的任務.

"力學既是基礎科學又是技術科學這種二重性，有時也難免會引起側重基礎一面和側重應用研究一面的力學家之間的不同看法. 當然這種二重性也使力學家感到自豪，他們為溝通人類認識自然和改造自然兩個方面做出了貢獻."

儘管如此，在國內學界，對力學的內涵及其二重性依然有不少片面認識，尤其是一些頗具影響的工具書對"力學" 詞條做了不恰當的詮釋，對一些糊塗認識的加深起了推波助瀾的作用. 有鑒於此，2009年，一批資深力學工作者借著國家自然科學基金委員會數理科學部組織的研討"2011～2020 年我國科學發展戰略"的機會，對力學學科的定義、特性和發展戰略進行了深入討論，進一步形成了共識. (詳見文[5-6]).

上述情況在《院士談力學》中得到了充分反映，院士們對力學的內涵及其二重性做了全方位的闡述.

扛鼎之作是周培源先生髮表於《力學與實踐》創刊號的文章. 他明確地指出："力學是關於物質宏觀運動規律的科學. " 文中透徹地分析了物質的宏觀運動和微觀運動之間的關係；基礎研究和應用研究的關係；新老學科的關係；理論和實驗的關係. 他旗幟鮮明地陳述："從力學長期發展歷史來看，我們可以得出這樣一個初步結論，就是力學具有很強的基礎性，又有極為廣泛的應用性，兩者相輔相成，互相促進，所以，力學既是基礎科學，又是應用科學. 這和數學、物理學、化學、生物學等門科學，並沒有什麼兩樣的地方"."如果上面的結論可以成立，我們能否這樣說，力學屬於基礎科學，和數、理、化、天、地、生一起共稱七大基礎科學；同時，我們也能否這樣說：就它的應用範圍的廣泛性來說，力學也屬於技術科學. 因此，我們既要充分重視力學的基礎研究，又要十分注意力學的廣泛應用. "時至今日，此文仍是發展力學學科的綱領性文件，重溫起來仍有一種親切感.

各位院士從不同側面對上述觀點做了闡釋.

老一代院士陳述了他們對力學的深層次理解.錢偉長[7] 認為："力學既是應用性很強的技術科學，更是一個深藏玄機的基礎學科，......，力學事業的發展必須從基礎研究入手，為國民經濟建設服務，決不能就事論事，照抄照搬，而必須狠下功夫，大力從事機理性探索，只有這樣，力學才能在實踐中發揮其無與倫比的巨大作用. "談鎬生強調指出："我們必需看到，力學是一門應用性極強的基礎科學. 沒有一項工程技術，能夠離開力學而存在. 所以，力學既是大工業的基礎，又是物理科學的理論基礎. "錢學森的《論技術科學》一文有很大影響，他在闡述了技術科學的概念、發展和研究方法後指出，力學本身是技術科學的一個範例，也是我們現在對技術科學這一概念的來源. 他所給出的技術科學的十個發展新方向中，有一半與力學相關. 鄭哲敏則對"理論力學"和"應用力學"做了界定："一般說，如果主要是為了深入探討與認識某種力學規律，並無明確的應用目標，或者研究某種規律的必要性是從眾多可能的應用中提煉出來的，在現階段又並不限於某一特定應用，則可稱之為理論力學，另一方面如果是為了解決實際應用中的某些特定的問題，則屬於應用力學的範疇. "

新一代院士也表述了他們對力學的深刻理解.李家春和方岱寧根據學科發展的新態勢，給力學下了更細緻的定義："力學是有關力、運動和介質(固體、液體、氣體和等離子體) 宏、細/微觀力學性質的學科，研究以機械運動為主及其同物理、化學、生物運動耦合的現象. " 並指出："力學學科是自然科學的先導和基礎，它在學科自身發展和實際工程應用的驅動下不斷發展，為人類社會的進步做出了巨大貢獻，應用和理論力學學派的光輝成就已載入科學史冊. 毫無疑問，現代力學仍將是一門具有廣泛應用和強大生命力的重要基礎學科. " 白以龍通過例證指明："力學不僅廣泛推動工程學的進展，又是新自然觀的重要起源."這是因為"首先，自牛頓以後，自然科學又經歷了幾次偉大的理論綜合和概括. ......其次，力學涉及的是我們周圍的宏觀世界. ......從土地、大氣、海洋、生物到人類及其生產活動，構成了複雜的宏觀世界, 我們身處其中，往往見怪不怪，經常受到懲罰. ""因此，以認識這個宏觀世界一般運動規律為目標的力學的作用，看來也需要我們給予再認識. 或許，我們應當恢復牛頓把力學作為『自然哲學的數學原理的精神』. "

綜上所述，對於剛進入力學領域或想進入力學領域的年輕朋友，對於想了解力學的所有朋友，本書的問世無疑是雪中送炭，使得他們一入門就能了解，力學究竟是一門什麼樣的學科.

3 魅力無窮的力學

這還因為力學五彩繽紛，魅力四射.

《院士談力學》收集了我國力學界35 位院士的55 篇文章，可謂精彩紛呈，美不勝收，因為作者都是力學各個領域裡的著名專家，他們學有專長，寫文章駕輕就熟，舉重若輕.

謂予不信，筆者帶著大家漫遊一下此書的奇境吧！

錢學森先回國後開創了物理力學研究，這種宏微觀結合的力學帶來一種新境界. 郭永懷回國後不久，把現代空氣動力學理念帶了過來，聽聽他通俗地講解什麼是激波和激波管，什麼是高超聲速流動，什麼是高速流動中的電離和離解效應；他用雪崩來比喻激波，告訴我們激波有時有害，有時卻有利，至少可以在激波管里製造高溫環境；飛行器以馬赫數12 再入大氣層時會發生什麼現象. 吳承康則進一步發揮，全面生動地描述了高速再入飛行器的等離子體問題，特別是彈頭熾熱時的燒蝕問題，而且提出了對付這種"等離子體鞘"的防熱措施，順便講述了神秘的空間電推進器的原理. 庄逢甘講了力學在航天中如何發揮作用. 崔爾傑則講述了生物運動仿生力學和智能微型飛行器的故事，告訴我們如何像鳥類和昆蟲那樣撲翼飛行.

我國最早的流體力學家周培源則全面介紹了流體動力學，從滾滾洪水和潮起潮落中看到了它，在高速飛行、橋樑工程、石油工程中發現了它，而流動規律又如此撲朔迷離. 李家春全面綜述了流體動力學的機遇和需求，全面述及了航空航天工程、海洋工程、能源工程、環境工程、生物醫學工程中的流體力學，介紹了相關的交叉學科. 何友聲介紹了船舶流體力學的新進展，特別是引人入勝的空泡流. 吳有生則以"力學的永恆魅力與貢獻——與時俱進的船舶力學" 為題，向我們展示了五光十色的艦船及其力學問題. 滲流專家郭尚平等向我們揭示了滲流力學的方方面面，告訴大家它不僅在傳統的水利工程、地下水資源開發和石油工程等傳統領域發揮巨大作用，而且相繼滲透到建築、環境保護、化工、冶金、機械、原子能工業、膜分離技術、染料顏料、製糖等工業技術部門，乃至生物醫學工程，數學建模和新型實驗為這個學科分支帶來了強大的生命力. 胡文瑞在介紹空間的物理學時，描述了微重力環境下的光怪陸離的現象，特別闡述了微重力流體力學的內涵和應用. 傳熱學專家過增元闡釋了微細尺度傳熱的怪異特點和處理方法，這是國際前沿性問題.

不少固體力學專家向我們展示了它的巨大魅力.錢偉長講述了非線性力學的異軍突起和蓬勃生機，描繪了力學工作者向非線性力學進軍的累累戰果.黃克智等綜述了我國經濟、社會發展中急需解決的重大基礎性力學問題，特別是，材料科學、微電子機械過程、能源工程中的力學問題，並總結出固體力學跨世紀優先發展的領域，即(1) 宏、細、微觀材料本構理論與破壞過程；(2) 精微力-電系統耦合細觀力學；(3) 大規模計算力學模擬. 對固體力學研究有指導作用. 專註於材料科學中的力學問題研究的方岱寧等人寫了兩篇長文剖析了先進複合材料和功能鐵磁材料的變形與斷裂的研究動態及其發展趨勢，特別對學術思想、基本問題和研究方法做了詳盡分析.其中《功能鐵磁材料的變形與斷裂的研究進展》一文引述了149 篇文獻，對實驗研究設備和方法以及理論建模過程作了細緻描述. 斷裂力學專家王自強對界面斷裂力學做了全方位的介紹，指出了相應的熱門課題. 資深固體力學家、地球動力學專家王仁對地質材料的力學問題做了權威性闡述，尤其對地質材料的非線性變形和破裂做了生動描繪，並轉述了十一個相關的熱門課題. 他還寫了三篇科普文章，對研究中出現的反演問題等進行了通俗的介紹.

本書收錄了著名的計算力學專家錢令希、鍾萬勰、程耿東的兩篇文章，論述了這一個因為計算技術發展而突飛猛進的分支學科的歷史和現狀，特別述及有限元構造及其數學基礎、適合於計算機上的演算法、結構優化和各類耦合問題的求解以及軟體的開發與應用、計算動力學等問題，特別展望了我國計算力學的發展. 值得一提的是彈性力學專家胡海昌寫了一篇文章專門談對振動工程的看法，他認為："基礎科學能夠而且應該發展出相應的工程科學. " 他還認為，像振動工程這樣的新工程的誕生和發展，應歸功於計算機、微電子技術、系統論、控制論和資訊理論的發展. 鐵路工程動力學專家翟婉明及其合作者撰文敘述高鐵中的一些典型的力學問題：高速鐵路輪軌滾動接觸力學問題、高速列車關鍵結構部件疲勞問題、高速列車與線路結構動態相互作用問題，這些問題源於實踐，相當複雜，卻饒有興味，充分顯示了力學的魅力. 本書的另一篇有趣的文章是鄭曉靜和周又和寫的關於風沙運動研究中的力學問題的長文，這兩位固體力學專家近十幾年轉向研究與沙塵暴相關的風沙運動，這是一個頗具挑戰性的研究領域，實驗觀測和理論分析都極其困難，至今尚無可靠的預測模型，他們認為，有必要將風沙運動系統作為非線性、多場耦合、跨尺度的複雜動力系統，並總結出四個關鍵力學問題. 本書還收錄了鄭曉靜等人寫的兩篇科普文章《力學與沙塵暴》和《關於鳴沙》，可讀性極好.

在《院士談力學》的第四部分中還收錄十四篇力學科普文章，內容包羅萬象，涉及核武器研製，機械設備的"健康檢測"，海洋內波探測，魚類遊動，體育運動，乃至拐杖的使用，...... 五光十色，美不勝收.難能可貴的是：錢令希等五位院士在世紀之交寫了一封倡議信，發動大家努力撰寫科普文章，宣傳力學貢獻. 並且建議"立即組織起一套叢書". 他們的倡議得到了積極廣泛的響應，近十幾年來，力學科普的文章書籍大批湧現. 值得一提的是，2008 年，中國力學學會發起組織出版《大眾力學叢書》，至今已出版了15 種，在全社會得到了普遍好評和歡迎.

通過上述漫遊，我們可以體會到，力學不僅無奇不有，無處不在，而且婀娜多姿，豐富多彩. 可以說，學習力學、研究力學是一種享受，細細品味這本書也是一種享受.

4 任重道遠的力學

讀完這本書，掩卷沉思，浮想聯翩. 儘管學力學是一種享受，但是，說起來容易，做起來難，應用好力學知識更是一種挑戰.

院士們無不認識到這一點，因此，他們傾盡全力從事力學的研究和應用，更是嘔心瀝血專註於力學教育. 他們認識到，力學事業任重道遠，必須後繼有人. 他們希望"長江後浪推前浪，江山代有才人出".本書的第三部分專門談力學教育，三代院士在這方面也發表了真知灼見.

張維撰文說："力學要為國民經濟的發展服務，就要有一支良好的力學工作者隊伍，存在力學隊伍培養成長的問題."他認為著重要解決好專業和課程設置問題和培養方法問題. 為此，他對歐美的力學教育進行了廣泛調研，並提出了具體建議.

劉人懷調查分析了我國力學教育的現狀，得出結論：近年來力學專業所培養的人才質量總體來說有所提高，特別是計算能力、外語能力和知識面寬度有所上升，但理論分析能力有所下降. 並相應地提出四點建議：穩定規模；多層次多模式培養；加寬加厚數學和力學基礎；加強創新能力培養. 特別對創新教育進行了深層次的思考.

胡海岩從建設創新型國家對高等工程教育的需求出發進行力學教育設計，特彆強調了研究型工程師的培養，並且主張從技術科學的統一性看力學理論教學，從實踐與創新的統一性看力學實踐教學. 他認為，大學無法孤立地、直接地培養工程師. 即使是按照6年制本碩連讀方式培養學生，也僅是未來的研究型工程師，或稱作研究工程師的毛坯，還需要經過長期的工程實踐鍛煉方能成才. 這一觀點與老一代力學家完全一致.

時代在進步，社會在變化. 許多急需解決的實際問題向力學提出嚴峻的挑戰. 任重而道遠. 這本書可以成為我們接受挑戰、所向披靡的指路明燈.

5 結束語

概括地說，該書有如下優點：

——材料詳盡，內容翔實；

——選材合理，觀點鮮明；

——編纂有方，分類恰當；

——印製精當，幾無錯訛.

筆者由衷地認為，《院士談力學》是一本不可多得的好書. 也許本人孤陋寡聞，迄今似乎尚未見到其他學科有同類著作.

此書的問世，是我國力學界的福音.

感謝兩位編者的辛勤勞動！

參考文獻

1 劉俊麗，劉曰武. 院士談力學. 北京：科學出版社，2016

2 談鎬生. 談鎬生文集. 北京：科學出版社，2006

3 武際可. 力學史. 上海：上海辭書出版社，2010

4 錢令希，錢偉長，鄭哲敏等. 中國大百科全書(力學). 北京、上海：中國大百科全書出版社，1985

7 錢偉長. 《談鎬生文集》序. 北京：科學出版社，2006

（本文刊載於《力學與實踐》2016年第6期）

《力學與實踐》編輯部

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