周培源院士：我所認識的力學

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作者：周培源（中國科學院院士）

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發展的某一階段、城市和大建築的產生、手工業的發展、航海和戰爭等等例子。

海王星

一六八六年，牛頓對力學的總結，最初是從天體運動開始的。 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。

海王星的發現是牛頓力學科學預見的光輝範例，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。

牛頓力學的驚人成就，甚至影響了人們的世界觀。

當人們克服了機械唯物論思想，繼續前進的時候，力學並沒有消失，只是採取了新的思想，取得了新的形式。甚至，經典力學本身的力量也依然在到處發揮著作用。

那麼，在力學本身力量的作用下，各個力學運動之間的關係是什麼樣的呢？

物質宏觀運動和微觀運動的關係

我們首先要解決的是物質的宏觀運動和微觀運動的關係。

我們知道，（在經典物理中）力學是關於物質宏觀運動規律的科學，力學的運動規律是牛頓的運動規律。

依據牛頓運動規律的運動是機械運動，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，深刻地改變著工程設計的思想。

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，隨之還出現了生物力學，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，已深入到自然科學的許多領域。

力學在物質宏觀運動範圍內所處理的問題，之所以這樣的廣泛，是因為力學是研究自然界中最基本、最簡單的運動形式，也就是位置移動。

從這個意義上來說，大尺度宇宙空間的天體運動，也包含位置的移動。狹義或廣義相對論力學所處理的物質宏觀運動問題，也是力學所處理的問題。

分子、原子的運動與結構，屬於物質的微觀運動，它們的規律為量子力學和量子電動力學。

這些規律是從力學和電動力學的規律上分別發展出來的，但又不同於力學的規律。這是由於物質的微觀運動已不是單純的位移，而具有了新的形式，如：從一個穩定態躍遷到另一個穩定態。

基礎研究和應用研究的關係

說起基礎研究和應用研究的關係，那就要先從力學研究和其他一切科學研究所共有的認識過程說起。

我們都知道，科學研究都有一個從特殊到一般，從一般到特殊的往複循環的認識過程，具體到力學上，就是生產實踐和科學實驗( 觀察) 提出具體問題，對之研究、概括、提高、總結，成為力學的基礎理論。之後將基礎理論應用到尚未研究過的具體問題，找出它的特殊本質，藉以補充、豐富和發展出共同性的力學原理。

自古以來，力學研究就有基礎研究和應用研究兩條途徑。

牛頓在《自然哲學的數學原理》序言中談到：古人用兩種方法演述力學，其一是純理的，用論證精確地推進；其一是實用的，一切技術方面的事情都屬於後者，力學這個名稱也由此得來。

牛頓的《自然哲學的數學原理》

我們的革命導師馬克思把力學叫做「大工業的真正科學的基礎」，而另一位革命導師恩格斯則把力學叫做「最基本的自然科學」。

他們從不同的側面來說明力學的地位和作用，學習他們的教導，對我們力學界是非常有益的。我們不必重複十八世紀，那段力學黃金時代的歷史，以為力學可以包打天下；我們也不必妄自菲薄，以為力學已經古老，力學的原理、原則已經完成。只要自然界存在著機械運動, 以及機械運動和其他高級運動形式的相互聯繫。力學就永遠有無止無境的研究課題, 就永遠有無限光輝的前景。

從力學長期發展的歷史來看，我們可以得出這樣一個初步的結論，就是力學具有很強的基礎性，又有極為廣泛的應用性，兩者相反相成，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。

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。

為什麼說要充分重視？

如果我們不重視基礎研究，我們只能亦步亦趨，永遠談不上趕超。

又為什麼要十分注意應用研究呢？因為大量應用工作都直接和工業、農業、國防的現代化有關。

我們一方面要注意抓住四個現代化所需要解決的重大的關鍵性的力學問題，重點安排力量，充分利用現代化的計算工具和實驗手段，多快好省地加以解決。

另一方面要妥善作出全面安排，廣泛調動應用力學工作研究的積極性。

現在，很多產業部門已經開始從單純按產品組織科研，進而重視同時按學科組織應用基礎的研究。因而工程力學得到很大的重視，這是十分可喜的現象。只有力學的應用研究壯大了，力學的基礎研究才能上得去。

新老學科的關係

在力學領域中，有幾個歷史悠久的傳統學科，如質點和剛體力學，流體力學，固體力學和土力學等。

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近年來，國外在這些學科中，不論是理論、方法、現象方面都不斷有所突破，例如：立波理論、失穩分岔理論、有限元法、斷裂力學、剪切湍流、變形體熱力學、彈黏性介質中的記憶衰退理論等。

我國在這些方面需要向縱深發展，擴大戰果，要繼續發現新的突破口，要決心去攻克難關，要避免目前的「淺水區擁擠不堪，深水區無人問津」的現象。

近年來，在國內外陸續出現一些新興學科，如岩體力學，地球力學，物理力學，等離子體動力學，宇宙氣體動力學，化學流體力學，爆炸力學，生物力學，理性力學等等。

這些學科多半是和其他學科相互滲透建立起來的，它們的崛起，好像雨後春筍，有旺盛的生命力。這些學科又像未開墾的處女地一樣，到處有吸引人的前景，老學科有責任來扶植新學科。新學科領域裡的同志要學習老學科的經驗和我們所不熟悉的相鄰學科的知識，新學科中的新發現，有可能反過來促進老學科的突破。

理論和實驗的關係

理論必須以實驗為基礎，實驗必須有理論作指導。

一個新理論，必須能夠解釋舊理論能解釋的現象，還必須能夠解釋舊理論所不能解釋的現象。

同時，新理論必須預見到尚未出現的現象，並通過科學實驗的實踐得到證實。

因此，理論工作是離不開實驗的，實驗是理論的前提，科學實驗的實踐，又是檢驗理論是否正確的唯一標準。

然而，在我國目前的力學工作中，實驗研究沒有得到應有的重視，特別是實驗研究工作中技術系統的建立沒有受到重視，必須認真地加以解決。

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