近日,我国已故著名科学家钱伟长突然爆红。原来,他旧文中一句“本文不必参考任何文献。”让自己“破圈”成功。网友本来是想好好“批判”他一番,结果却发现“小丑竟然是我自己”,赶紧“原地投降”。在这个过程中,钱伟长的传奇事迹也被大家熟知。拙作地下党引路,叶企荪支招—钱伟长成功转入清华物理系的历史瞬间考证了钱伟长进入清华,弃文从理的历史瞬间。而本文则想聚焦他人生的另一“高光时刻”,也就是他被爱因斯坦“点赞”的历史瞬间。
钱伟长
首先,我们必须承认,爱因斯坦是伟大的物理学家。他1900年毕业于瑞士苏黎世联邦理工学院, 1905年获苏黎世大学物理学博士学位,并提出光子假设、成功解释了光电效应,并因此获得1921年诺贝尔物理学奖。同年创立狭义相对论,之后又于1915年创立广义相对论。
爱因斯坦
但是,正所谓“闻道有先后,术业有专攻”,爱因斯坦虽然是伟大的理论物理学家,但这并不代表他懂得或者能够解决浩瀚物理学世界的每一个问题。爱因斯坦的研究重点是在于极为抽象和艰深的时间和空间关系(相对论),而其他问题,则不是他主要的研究领域。当然,我并不是说爱因斯坦没有足够的智商和能力解决这个问题,而是人的精力和时间都是有限的。研究时间和空间关系的关系,已然要消耗他大量的时间和精力,再加上他到美国以后还有一系列社会工作,所以就没有余力来研究其他问题了。而力学中的非线性问题,就是他无暇顾及的领域之一。
爱因斯坦为什么重视这个问题?上个世纪三四十年代,随着生产力的发展和进步,工业生产和工程学遇到了大量急需理论界解决的问题。其中,最典型的就是力学中的非线性问题。
简单地说,非线性问题主要研究的问题:一是飞行跨越声障的问题(空气动力学在跨声速时不能线性化);二是航空采用的薄壁构件的行为(这类构件的变形问题);三是新材料,如塑料、纤维等的出现和应用(这类材料的应用和变形)。这些需求都提出了大量的非线性力学问题。
二战时美军飞机制造厂
除此之外,爱因斯坦重视这个问题,还应该与“曼哈顿计划”和制造原子弹有关系。诚然,原子弹的主要理论原理并不是非线性力学,而是核裂变。但是,“曼哈顿计划”,即制造原子弹,它是一个多学科交叉的复杂工程学问题。其中,就要涉及到生产大量高精密度的零组件和设备,而如何制造出满足原子弹级别精度的、各方面指标都合格的零组件和设备,非线性力学就是最基本的理论基础。
钱伟长到底做了什么工作?而此时,这方面的研究却处于一片混乱之中。当时,年轻的钱伟长就发现,在这个领域,存在着不少不令人满意的地方,主要可以归结为两大方面:
钱伟长
- 没有统一的理论:板、壳(板、壳都是非线性力学中抽象出的受力物)的分析处理“各说各话”,不同形状的板壳(如柱壳、锥壳、球壳、环壳等等)又各自“另起炉灶”,完全是“圈地自萌”,没有统一的理论进行整合,从建模到计算都是“各自为政”。
- 严谨性不足:多数处理方法需要基于一些先严性的假设(如Kirchhoff—Love假设),理论上不够严谨,也不能达到实际工程所期望的精度。
之后,年轻的钱伟长,在加拿大的导师辛吉教授的带领下,开始初步探索并解决上述两大方面的问题,并发表了《弹性板壳内禀理论》一文。该文被收入了给当时航空航天领域“巨佬”冯·卡门的祝寿文集。该文集有21位作者,除钱伟长是年青学者(此时钱三十岁不到,硕士还未毕业)之外,都是当时赫赫有名的学术权威,例如爱因斯坦,冯·诺依曼等人。
冯·卡门
虽然此时钱伟长还没有完全解决这些问题,但文章能被收录进入给冯·卡门祝寿的文集,这确确实实鼓舞了钱伟长。多伦多大学硕士毕业后,钱伟长被导师辛吉教授要求继续以此题为核心,创作博士论文,尤其是要力图进一步总结规律和统一各种求近似的方法,把辛吉自己以往的工作成果和钱伟长的想法结合起来。
多伦多大学
钱伟长没有辜负导师的期望,半年内就完成了导师布置的任务,提交了博士论文初稿,完美地解决了前文所罗列的绝大多数问题。论文中提出的关于扁壳的非线性方程组被国际上称为“钱伟长方程”。
爱因斯坦看后也不得不感叹:这位中国青年解决了困扰我多年的问题。辛吉教授对这位学生非常满意。2004年辛吉教授的女儿莫拉维支(曾任柯朗数学科学研究所所长)到访上海大学时还谈起,她父亲一直记得钱伟长这位杰出的学生。
此处再多说一句,钱伟长虽然的确不是“两弹元勋”之一,但正如前文所说,他的“弹性板壳内禀理论”却是“两弹”在工程学层面的基础理论和指引之一。
两弹元勋邓稼先
没有核裂变理论,人们不会想到去造核弹,但是没有钱伟长的工作,人类估计是很难造得出核弹,即使造出了,代价和难度也会以几何级数增长。纳粹德国其实是比美国还要先开始造核弹,但是最后就是因为实际工程实施和其他方面一些问题“卡了脖子”,所以到战败也没能造得出来,否则历史早就改写了。