我的父亲周培源 [复制链接]

第3版(教育·科技·文化)
专栏：

　　我的父亲周培源
周如玲
我的父亲周培源是与２０世纪同龄的科学家。我们子女深深感到，从父亲一人近一个世纪的坎坷生涯中，我们看到的却是整个老一代中国知识分子，对祖国科学教育事业的无私奉献，为祖国繁荣富强的顽强奋斗，和他们对祖国的一颗赤诚的心。
“我并不聪明，但十分勤奋”
在科学研究上，父亲严于治学。他认为一个好的工作，首先要物理上站得住脚，又有严谨的数学证明。光是数学漂亮，但没有物理支持，因而不能解决实际问题的工作，不能称之为好的工作。这不仅是父亲７０年的经验之谈，也是父亲在寻求科学真理中力行的准则。父亲严谨的治学精神，给我留下十分深刻的印象。他常常对我说：“我并不聪明，但十分勤奋。中国有句俗话，以勤补拙，我就是这样的。”最近他又对我说：“我这个人就是爱动脑筋想，我的很多论文都是我自己想出来的。光跟人家走怎么行。”父亲还有一股牛劲，一旦他认准了一个方向，就会沿着这个方向坚持不懈地走下去，一直走到底。湍流是流体力学中最困难的领域，很多人望而生畏，不敢涉足，但父亲却在这个领域里整整奋斗了５２年，最终取得非常重要的突破。１９８６年当他以８４岁高龄在国际学术会上做报告后，全场掌声雷动，会议主席幽默地说：“看起来如果我们要想长寿的话，只有去研究湍流。”
为研究湍流付出了整整５２年心血
纳维尔—斯托克斯方程（简称Ｎ—Ｓ方程）是描写流体流动，也包括湍流运动的基本方程。由于湍流运动形式复杂，直接求解异常困难，科学家们为此长期不知所措。针对充分发展了的湍流，雷诺（Ｒｅｙｎｏｌｄｓ）在１８９５年提出一个办法，即将力学量分成平均运动量及围绕平均运动的扰动量，或称脉动量，他将Ｎ—Ｓ方程对空间或时间平均，从而得到描写平均运动的方程，后人亦称此为雷诺方程。雷诺这一思想，起码抓住了运动的主流，给似乎不可解的湍流问题指出一条出路。
父亲开始做湍流后，逐渐感到固然平均运动十分重要，但脉动量也决不能忽视。他是第一个推导出求解脉动量的方程和提出求解办法的人。１９４０年，父亲将这一工作发表在《物理学报》上。
１９４３年父亲到了美国后，进一步发展和完善了他１９４０年的思想，提出以逐级逼近法求解湍流平均运动和脉动量的方法，其结果发表在１９４５年美国《应用数学季刊》杂志上。在这篇论文中，父亲还指出，严格而论，平均运动方程和脉动方程应联立求解，才是理想的解法。但由于湍流运动本身的复杂性，求解描写这种运动的积分——微分方程异常困难，以及当时对为求解所必需给出的物理条件（准相似性条件）认识不清，加之计算机尚未被发明，联立求解在当时仅是一个梦想。文章发表前，父亲曾和冯·卡门教授仔细讨论过这一工作，虚心听取他的意见。冯·卡门教授在充分了解了父亲的工作以后，兴奋而又谦虚地说：“你的工作大大地超过了我。”由于这篇文章发表在国外，立即引起重视，湍流模式理论由此很快地发展起来，父亲被人们誉称为湍流模式的奠基人。１９４５年的这一论著至今仍为人们所引用。
５０年代初期为解决实际问题，父亲决定从最简单的湍流形式着手，即均匀各向同性湍流，而且建立以轴对称涡为湍流的基元的理论模型。父亲和他的学生们，针对湍流初期和末期衰变，引入不同的相似性条件及不同的涡元，计算了二元和三元关联函数，结果与实验符合甚好。尤其是当时还是大学生的黄永念所做的湍流衰变后期三元关联函数的计算，１０年后被约翰·霍普金斯大学伯涅特（Ｂｅｎｎｅｔｔ）的实验所证实。这充分证明父亲的设想是完全正确的。７０年代中期，父亲提出引入准相似性条件，从而统一了均匀各向同性湍流早期至晚期衰变的解。理论计算符合国际上３０多年来发表的实验数据，使这一理论成为当时最能说明多个实验的均匀各向同性湍流理论。１０年后，１９８５年，父亲将这一思想进一步推广到具有剪切的粘性湍流，从而使用逐级逼近求解普遍湍流解的方法达到了几乎完美的地步。
但逐级逼近法也有它致命的弱点：一是计算异常繁复，二是求解任何一级关联函数都要对高级关联函数做出人为的、但又力图合理的假定，以封闭方程组。这一弱点，不知折磨了父亲多久。１９８８年，８６岁高龄的父亲终于想出克服办法，即以逐级迭代法代替逐级逼近法。经初步计算，理论与实践符合得非常好。
虽然逐级迭代与逐级逼近仅二字之差，这一新的方法却是湍流模式理论的一个飞跃。原则上，几经迭代，任何阶的关联函数都可算得出来。湍流求解的问题被彻底地解决了。父亲在１９４５年所提出的平均运动方程和脉动方程须联立求解的幻想，终于变成了现实。１９９１年底，他新招收了两名博士研究生，指导他们继续沿这个方向努力。
这一重大成果，是父亲５２年心血的结晶，是父亲５２年的生命。整整５２年，他坚持不懈，顽强奋斗，终于形成自己的体系。
重新研究相对论，已是７７岁高龄
爱因斯坦于１９０５年提出狭义相对论，１１年后又提出广义相对论。由于广义相对论在１９１９年被日全蚀实验所证实，从而轰动了全世界。年轻的父亲为爱因斯坦奇妙而又深奥的思想所吸引，从而投身于相对论的研究。１９３６年到１９３７年父亲借清华教授休假之机，在爱因斯坦身边学习和工作了一年，得以亲聆伟人之教诲，收益匪浅。惯于思考的父亲，从那时起就认为广义相对论引力论中仍有很多问题值得进一步思考和研究。二次大战爆发后，为了支持抗战，父亲毅然放弃了相对论的研究。
１９７９年作为对伦琴科学院的回访，父亲率科学院代表团访问意大利。两周后，又率代表团（我也在内）去意大利北部的边界小城第里耶斯特（Ｔｒｉｅｓｔｅ）参加纪念爱因斯坦诞辰１００周年的第二次格罗斯曼会议。这是父亲在阔别相对论领域４０多年后，第一次参加有关广义相对论和引力论的国际会议。令他吃惊的是，４０年前他对广义相对论的疑问，似乎并没有得到解决。这次会议大大激发了父亲重新开展相对论研究的决心，是年父亲已７７岁。
学过初等代数的中学生，就都应该懂得独立方程和未知数的个数必须相同，才能求得方程组的唯一解。爱因斯坦的场方程未知数的个数却多于独立场方程的个数，所以如何求场方程的正确解成为广义相对论的一个经典困难。
为了求解，很多物理学家试图用坐标变换的办法来削减未知数的个数，以达到与方程个数相等的目的。但用这种坐标变换的办法只能对一种简单的常微分方程求出严格解，对非线性偏微分方程所表达的物理现象并不能求得严格解。这多数是由于这些坐标变换物理意义不清，在繁复的数学变换下，边界条件不能相应给出，致使不能求解或所得解没有明确的物理意义，因而不能说明问题。
对于独立方程个数与未知数个数不等的矛盾，父亲提出应引入新的物理条件，而不是坐标变换。这个新的条件必须有明确的物理意义，人们称此说为坐标有关论。父亲认为谐和条件应作为一个物理条件，而不是像人们认为的是一个谐和坐标，来补充独立引力方程个数的不足。从此父亲开始招收研究生，进一步开展这方面的工作，并发表了多篇论文。
一个理论正确与否，不能说了算，而要以能否被实验所证实为准。父亲在发展相对论理论的过程中，十分重视和强调理论和实验的比较。为证明他的坐标有关论的思想，父亲冥思苦想，设计了一个光速测量的实验，并招了一名做实验的研究生李永贵。近年来，李永贵从事的实验，已取得可喜的进展，他的光速测量技术（精度到１０—１１）达到了世界先进水平。近期内的成果，有可能统一物理学界７０多年来对爱因斯坦相对论引力论的认识分歧而产生重大的国际影响。
从１９８１年到现在，父亲和他的学生、同事共发表了２３篇论文，其中理论物理方面１５篇，流体力学方面８篇；以他个人名义发表的共７篇，其中理论物理方面４篇，流体力学方面３篇。这些文章，包括了他在相对论和湍流理论方面的崭新思想，这对一个年轻人来讲，已不容易，更何况父亲已年过八旬。
父亲积数十年之经历，总结出治学的１６个字：“独立思考，实事求是，锲而不舍，以勤补拙。”（文中小标题为编者所加）