【情系科学】留给后人的话
编者按:郑哲敏先生是中国科学院院士、中国工程院院士、美国国家工程院外籍院士,是国际著名力学家、中国爆炸力学的奠基人和开拓者之一、中国力学学科建设与发展的组织者和领导者之一。2024年是郑先生诞辰100周年,本刊特此转载郑先生在2019年撰写的文字“留给后人的话”,它源自2024年科学出版社出版的《郑哲敏传》(丁雁生、金和、李和娣、洪友士著)。
留给后人的话
郑哲敏
(2019年3月)
真是没想到我会活到今天。既然有了这个天赐的机会,不免要问:有什么话要留给后人的呢?有哪些经验想告诉后人的呢?有哪些建议想留给后来者的呢?
一、做人要有底线
我一生从事科学研究,回国后没有动过窝,除了短短的几个月,一直工作在中国科学院力学研究所。当然这也不全对,因为我还参与过其他部门的一些工作,不过它们都与我在力学所的专业密切相关。
若问我,什么事情最重要?我会回答是学会做人最重要。这就必须联系到我出身的家庭和我的父母。他们出生于浙江四明山附近山沟沟里的章水畔,普通农民家里。父亲十岁进村里的小学,高小毕业于宁波。十六岁被迫放弃学业,继续学习的梦被打破后,发誓要把学习的机会留给自己的后代。最后跟随村里的小学校长到上海当商店学徒。母亲则没有机会接受正规教育,不识字。
父亲天资聪慧,记忆力尤其惊人。当学徒工资每月四角,但他工作勤奋,坚持上夜校,学习英语和会计,还学会了与外商通信、订货和结算。第一年即令商店扭亏转盈,成绩斐然,使他成为老板离不开的依靠。由此他得到亨得利钟表店老板的赏识和信任,1918年让他携资近一万元到山东济南开设钟表店。当时胶济和津浦两条铁路相继建成,辛亥革命后山东经济发展迅速。因此他在济南和青岛的商店发展很快,他所经营的商店成为山东的一大品牌。
大姐出生后,父亲把母亲和她接到济南,组成了一个和睦的家庭。到1934年,已经有了七个孩子,家里聘了家庭教师,到了年龄的孩子,不论男女,放学后都要进这个“辅导班”。父亲没有旧时商人的一些毛病,不赌、不嫖、不纳妾。他是一个与时俱进的人,爱好旅游、爬山、逛名胜。他重时事,特意买了短波收音机放在床头,爱看报,是大公报的忠实读者,他的文化水平随之提高。他热爱大自然,节假日经常带领全家去大明湖、千佛山等地旅游,爬山、乘船、骑毛驴。孩子们大一点的时候,还一同到青岛游泳、逛崂山。他相信西医,带领全家做体检。他不墨守成规,带头在店里实行新式记账法。他选择商店地址特别强调该地区的营商环境,如果需要新建,那必然是当地最时髦的,而且十分注意装修。例如1934年在济南新建的亨得利,位于那里最繁华的十字路口,三层楼,安装了暖气,楼前有亨得利三个金色大字,十分引人瞩目。父母二人总是把家安在所在店铺的一个比较僻静的角落里,母亲担任这个店的总厨师,使店员们不时享受遥远宁波家乡的风味。父亲和母亲亲密相处,从未在孩子面前争吵,他俩精心呵护着这个家庭。每天早上上学前,我们都要到父母的房间里领取零用钱,它们是一摞摞铜板,按年龄和需要各异。每天放学回家,妈妈都为我们准备了一份简单、可口的点心。在我眼中,父亲是严肃和认真的,而且十分讲求品质,母亲永远是最美、最可爱的人。
九岁那年,父亲和我单独聊天,大意是:要好好学习,长大后不要经商,因为社会上最看不起商人。工农兵学商,商人排在最后,还是走读书的道路好。几句话影响了我一生的选择。作为一个事业蒸蒸日上的商人,对我说出这样的话,我想是有深刻的原因的。自从他从本村初小转学到宁波一所高小后,老师和同学的影响,以及自身从学习中得到的乐趣,使他对知识的追求到达了一个全新的高度,小学水平的他甚至想到将来要上杭州的之江大学,并为之兴奋不已。然而家庭的经济现实使他的愿望不可能实现。按他自己的话说,“我哭了一个星期,但是有什么办法呢?最后想通了,干吧!行行出状元,读书就留给后代吧!”原来他想讲给我听的是他未能实现的愿望。
父亲特别尊重有知识的人,譬如给我们看病的西医和学校的教师,把多年前教过自己的老师请到家里小住甚至请他继续教书。
家庭的影响是潜移默化的,小学教育的影响,我想也是类似的。它们对形成一个人的道德底线和基本的人生观、价值观都十分关键。
我和哥哥进的是同一所小学,我比他低一班。一般课程之外,还有大学、中庸和公民。山东是孔子的家乡,更重视儒家思想的教育。公民课包括三民主义、民主、自由、公民的权利与义务等,即什么是政治。
在济南经历了五四运动的影响,五色旗到青天白日旗的易帜,军阀内战,北伐战争,济南惨案,九一八,一二八,七七事变,数次逃难……为求和平、反侵略、求统一洒下了种子。
五四运动的影响涉及破除迷信,新文化运动,科学与民主,打倒孔家店。
我们虽不愁吃穿,但生活从不奢侈。
我是在这样的大环境和家庭环境中长大的,带有家庭和那个时代的烙印。认为做人要诚信,讲信义,己所不欲勿施于人,宽于待人严于律己,不在背后议论人;对待工作要公私分明,实事求是,尽职尽责,精益求精,重承诺,有困难首先靠自己。
我的童年是愉快的,在和谐的环境中度过。我在学业上没有突出的表现,也没有什么特长,更谈不上今天热议的什么奥数、各种补习课、特长课,也没听说过关于吃亏在起跑线上。我是个调皮爱动的孩子,在家里爱和弟妹们玩耍,讲自己编造的故事,给人起绰号,在学校和同学不论谁都能玩在一起。下课后参加家庭教师的辅导班,因年龄差别,老师是因人施教。多数时间,我学英语,按字帖习大字,水平一般。上初中后,开始对代数有兴趣,理由是它比四则题简单,当然老师教的好也是主要原因。
课余的时间很多,我的兴趣也比较广泛。在家同哥哥打乒乓球,练车技(自行车)。在校受体育老师影响,跟他习打拳。跟父亲店里的修表师傅学拆卸和安装手表。有一年,梅兰芳到济南演出霸王别姬,一曲“夜深沉”令我惊讶,因为它与平常的京剧曲子大不相同。这引起了我学京剧的兴趣。利用钟表店同时售唱片的条件,我学了几曲京剧,给家人表演,弟妹们都叫好。有人送给我一只口琴,于是我学着吹,后来也掌握了打拍子,冬天到了嘴边常出现红肿和裂口。后来很想买一只能吹出合奏曲子的口琴。想到这可能很贵,也不知何处买得到,没敢向父母提出。我还十分喜爱汽车,想知道它的原理,欣赏它的流线型。后来我用铅笔刀,在粉笔头上刻小汽车,自我欣赏一番。我对轮船也有类似的爱好。我很爱去动物园,想象它们在大自然中生活的情景。我的爱好,限于自学,条件变了,爱好就随着转移了,所以都未成事。
1936年参加初中考试,因平时成绩一般,对能否考取没有把握。开榜时我拉大姐陪我去看榜,她首先发现我榜上有名,我才放了心。
“七七事变”前几天,祖父去世,父母亲带领全家回宁波老家奔丧。接着久病的祖母也随着去世。丧事后父亲试图带大姐、大哥和我,回济南继续上学,但经上海时,已是战云密布,全面抗战的局面已经展开。于是父亲当即决定让三个孩子返回宁波,自己则只身继续北上,处理店务。事后知道,父亲回济南把店务分别交代给我的大舅(济南)和二伯父(青岛),将一些贵重财物存进银行金库。在日本军队占领济南前夕,只身转辗到四川成都,那里有他一年前派去的店员,准备建立后方的商店。济南方面,韩复渠不战自退,日军迅速进入济南,存入银行的财物被洗劫一空。
在家乡农村避难的母亲和孩子们,住在外祖母和舅舅家。他们同一家近亲,合用一个天井,每家各有三间两层木房。母亲和我们挤在一起,七个人同住楼上一间。
舅舅家有一个长工,大家一起吃饭。据我所知,他家有几亩田,分散在山沟沟里,有的种浙贝和桑树,有的种山芋。另外有两头牛,农忙时租给四明山里的农户,农闲时要回来喂养。所以我有机会学着放牛。舅舅还会打猎,山里有野猪、麂,更多的则是野兔、野鸭等小动物。他多次带我去打猎。村前章水缓缓流过,同我几乎同岁的表弟和我时常在那里习水嬉戏。村里和镇上没有中学,哥哥和我没学上,半年多时间就这样过去了。不久父亲把商店的事安排好后,来信要我们到成都去上学。于是38年春节后我俩就告别母亲、大姐和弟妹们,跟着四叔上路了。
二、克服危机
到了成都,父亲把哥哥和我马上送进已经联系好的建国中学,入读初中二年级下学期,对我说这相当于跳了近一个学年。那时,荒废学业近半年的我,感到跟不上,再加上是插班生,几十人的大班坐在最后排,黑板看不清,四川话也听不懂,于是我变得很紧张。父亲说我晚上经常惊醒而且哭泣,接着又出现持续的头痛。这种情况下,父亲命令我休学了。哥哥则十分顺利,上完那学期的课后,便在家庭教师的建议下,到重庆考进了南开中学初中三年级。
休学对我说是人生的一次危机,严重的挫折。幸亏我有父亲的陪伴,在他的悉心护理下,我逐步从病中恢复过来,学会了自学,重建了信心,从此认真学习,顺利的重返学校生活。
他首先帮助我恢复健康。为使我放松心情,他每天一早陪我到华西大学校园散步。那里的校园很美,而且有绿油油的草坪,新鲜的空气,周围的大片农田里长满了黄色的油菜花,令人赏心悦目。他带我去参观都江堰李冰父子建造的水利工程,它使成都平原不仅免除水害,而且享受廉价的水利资源。我们又登上青城山,在山上住了整整一个星期,同老道下棋,跟随一位大学生捕捉各式各样的生物样本,欣赏大自然的美。
他带我找医院,找大夫看病。记得去看过耳鼻喉科,医生见我鼻腔充满了脓鼻涕,给我多次作鼻刺清洗鼻腔,但似乎不是主要问题。后来甚至做手术,把扁桃腺切除。说起来,那次做全麻出了些问题,感觉好像我被活活憋死,十分痛苦。后来在昆明为了切除阑尾,又做了一次全麻。我被放上手术台时十分紧张,甚至挣扎着要摆脱固定身体的皮带,不过马上便安详地睡去,没有任何痛苦。两次相比,我觉得第一次肯定是因为麻醉剂用得不当所致。很久之后,大概在“文革”期间,有一天我骑车到五道口外文书店去看书,对面开来一部卡车,拐弯时离我很近,我突然感到眼前出现了车厢上的几个大阿拉伯数字,然后便失去了知觉。醒过来时,人仍在车上,在路边行驶。但听到有人连续叫喊,“把司机抓住!”我反应过来后,车上的司机已经远去,难以追究。后来我和同事们开玩笑,介绍“死去”的经验,说至少有三种死法,依次是被勒死,安乐死和暴死。后者自己全然不知,看似惨烈,实则很痛快。人类似有一种本能,在万分紧急条件下,关闭了所有感知。
话说回来,病仍然没有治好。父亲又带我去了华西医院神经科,现在看来这是对路的。可是我认定这个科与神经病有关,我不承认我的病会与神经病有关,所以采取了不合作的态度,导致医治效果不明显。实在没有办法的情况下,父亲带我去看中医,给头上扎针,有的就扎在太阳穴上,使我大为紧张,因此效果也不明显。本来我们都不相信中医,所以就此作罢。
近半年时间就这样过去了,我的头痛病缓解了下来,不间断的痛变为有时会痛,成为可以接受的了,紧张的情绪也随之缓解下来了。
有一天,父亲建议我自学初中英语,还说要每天一大早,找个僻静的地方,大声朗读,背生词,练发音。我想这是他儿时或在上海时学习英语的经验。在济南我跟家庭教师学会了查英文字典和音标,所以自学没有什么问题。我把每个生字都记在一个小本上,词义之外,还标注了音标和每个词的属性。所有记下的新旧词每天都要过一遍。就这样我的英语学习取得了稳步的进展。
一天我逛旧书摊,发现了薄薄的一本英文原版平面几何,心想为什么不买下来自学呢?我在济南上初一时学过初等代数,对它有了兴趣,但没有接触过平面几何。买回家后,初看起来生字很多,新名词很多,语法不好懂。但是我坚持了下去,查每一个生词,设法理解每一个语句,一步步理解了什么是公理,什么叫定义,什么叫定理,什么是证明。平面几何证明的逻辑是如此清晰,结论是如此不可逃避,令人折服,引发了我的兴趣。
接着我又自学了一本初等物理。在学习相对运动时,我想象在船上打篮球会是怎样一番情景。在学习自由体上的作用力时,我想到飞机从天平一侧飞过会是怎样一番情景。后来,我认识到当时得出的结论都是正确的。
总之,这些经历是我逐渐学到了自学的本领,养成了这样一个习惯,在我再次回到学校后,总是有另外的书陪伴着我,在使我能更好的理解各门课程的同时,增加了学习的兴趣。
从我已不记得的时候开始,父亲给我买了曾国藩家教这类的书,从中我学习到做人的一些道理和儒家的一些思想。例如我接受了关于慎独的思想,要求一个人无论在人前或人后,其行为和思想都要遵守同样的准则,不可人前一套背后另一套。父亲会引导我,每天早上起床,要为我和他以及四叔合用的房间打扫卫生。他还教我学习补袜子。后来我才理解,他是为自己走后,使我能独立生活做好准备。
1939年初我刚过十四岁,父亲经重庆、昆明、越南转辗回到上海和家人们相聚,继续从事他的商业事业。成都是他大光明钟表店事业的开始,回到上海,他先为各地分店提供货源,后来逐渐做大,成立了上海大光明钟表店,是为总店。我们的家始终同店铺在一起。设在上海有地理优势,与外商可以建立直接进货关系,因此事业兴旺。1956年公私合营后不久,他退休了,才把家从商店移出,在延安西路买房子安了自己的家。
1939年初我考入华阳县中二年级下,危机过去了,我也从中得到了教训,后来再未出现类似的问题,顺利地进入了高中、大学直至获得留学奖学金。我十分感激父亲对我的帮助,由此我们之间形成一种特殊的亲密关系。我们一别便七年多,中间只有偶尔的通信,过年过节的时候特别思念家,但叹息之外又有什么办法呢?
这番周折把我锻炼成一个自信,在学校里能独立生活,不再为困难难倒,有道德意识,为科学有追求,思想单纯,尊重他人,为人低调的青年。学会了自学,使我终身受益,学习方面再没遇到不能克服的困难。
三、学做科研
我生活的时代、家庭背景、学校教育、机遇使我走上强调理科的工科道路。初中填写一个调查表时,我曾写下长大要当飞行员或工程师,前者是因为抗战初期的年轻飞行员是青少年的偶像,后者是因为这个职业能直接从事国家建设。可见那时我既很幼稚又很实用主义,理工科的倾向十分明显。进入高中后(铭贤中学),分甲乙班,甲班偏文,乙班偏理工,我自然选择了乙班。我愿意花时间在数学、物理、生物和英语上,对历史地理和国文很不重视。对生物的兴趣主要源于好老师。对化学兴趣一般,也和老师有关。伴我学习的有英文影印本范氏代数,密立根的物理,Deming的化学,都是龙门出版社的。英语主要有美国教师,比较注重口语、语句结构和分解,和我国传统侧重语法有相当不同。课外我参加了英文社,有些写作和文化类活动。初中时代,为了方便学英语,我选择空旷处,那里往往有体育设施,所以开始每天练习跑步,后来转而学各种器械,如单杠和双杠。进了高中后我继续保留这个习惯,并加强了锻炼,身体变得很结实,小时得的心脏毛病,如过饱、疲劳引发的心动过速、全身浮肿,居然也不大发作了。犯病的时候,只要躺几天休息一下就好了,三十岁后就自然消失了。
大哥是我心中的榜样。追随着他,我报考了国立西南联合大学,而且选择了相同的专业——电机系。一年后,大哥建议我改选其他专业,我也同意。第一个考虑是机械系,因为仍属工科。也曾考虑过转物理系,因为我对它一直有兴趣,但是实用的观点决定了我进了机械系。在具体选课时,我选择了两门航空系的课程,航空概论和高等数学,为的是把知识面广一些,把数学基础打深一点。机械系二年级,要学微分方程、静动力学和机构学等重点课程。另外还有金工和铸造课这两门动手的实习课,很简单的操作,要做好实在不容易,使我对动手干活增加了一份尊重。三年级,增加了电机、热工和航空系内燃机方面的课程,我觉得都有新意。其他如机械设计则因理论性差,解决问题靠查手册,令人感到乏味。倒是内燃机课,因为老师教书很有热情,能激发学习的兴趣,我查看了一些课外的材料,自学了化学、热力学的一些知识,觉得有些收获,初步尝到做科研的乐趣。1946年联大解散,我被分配到清华。那是二战后的一年,许多留学滞留国外的学子返回国内。单清华机械系就回来了两位,一位是钱伟长先生,另一位是孟庆基(后改名孟少农)先生。钱先生开了一门课叫近代力学,主要是弹性力学,而且带来了航空和火箭方面以及工程科学方面很多新的知识,使我大开眼界,原来机械设计也是可以用数学的办法解决的。孟先生开了一门汽车工程,介绍了当时汽车业最先进的机械制造装备和加工方法。另外有一门金相课,是王遵明先生教的,内容也很新鲜,主要是讲低碳钢的各个相,它们的组织和结构,也引起同学们很大的兴趣。这三门课我都选了,而且觉得很有收获。所以四年级的课可谓十分精彩,只可惜那年学生运动高潮迭起,真正上课的时间大打折扣。我对近代力学更感兴趣,所以选择了力学作为自己深造的方向。我的毕业专题研究是跟钱先生做的,题目是薄壳的约束扭转。在一些合理的假设下,可以把这个问题简化为一个特征值问题求解,这个方法是钱先生和卡门在一篇合作文章里提出来的。我做的是应用这个方法去计算一个特例,所以主要是模仿和学习。
毕业后我留校在机械系跟钱先生当助教,钱先生为二年级学生开力学课,我当辅导老师,改卷子,答疑。同时钱先生带我熟悉平板非线性、大挠度、摄动法方面的问题。
1947年晚些时候,出现了出国留学的可能。申请奖学金过程中,需要填写留学志愿,我随即写了应用力学,学校则是加州理工学院或英国帝国大学。应当说,这是受钱伟长先生的启蒙。
我的申请,经过一段时间后,意外的得到批准。但该奖学金限于一年。这显然不能满足学习应用力学的需要。所以我是带着一年以后另想办法的打算,1948年八月登上去美国的历程的。
去前我对加州理工学院的了解仅限于钱先生对我讲的一些情况。知道那里主持校务的是Millikan教授,中学时期我的物理参考书的作者,诺贝尔物理奖的获得者;卡门是全世界著名的航空工程学家和力学家。我国许多著名前辈,如周培源、赵忠尧、钱学森都是那个学校的毕业生。那里还有著名的喷气推进实验室。
到了那里才知道,这是一所规模很小的学校,大学生和研究生分别不过各500人,教职工却也有大体500人,二十世纪初建校以来,学生人数基本维持在这个水平。这个学校的校园也很小。所以系的规模很小,一个主任加秘书就构成了系的全体,主要的管理工作集中在几个学部(Division)。那时共有五个学部,大体上是数学、物理、天体和行星学部,化学和化工学部,生物和医学学部,地球科学学部,工程和应用科学学部。学校的办学思想是小而精,强调理科,特别是数理科学。
我在机械系报到后,系秘书给了我两把钥匙,一把用于开研究生办公室的门,另一把是开机械系大楼的钥匙。我当时感到有些吃惊,因为初到学校的一个生人,居然能轻易得到系大楼的钥匙,并被告知,不论何时可以自由出入。这是何等的信任啊!后来我逐渐理解了,原来这里有一种不同的文化,人们已经做到了相互信任,已经形成习惯,尤其是在高等学校里,无需作规定。
接着又知道学校实行一种叫做荣誉制的规定,例如,考试时老师可以选择开卷考试,或者可以带回家或别的什么地方自行作答的考试。这也是对人信任和尊重的表现。我在学校曾多年担任教学工作,从未遇到有人作弊,倒是目睹有人在开卷考试条件下不及格的情况。
学校里有许多非常著名的学者。我到那里时,Millikan教授已经退休,常在校园里可以见到他,偶尔他也同其他人一样,端着盘子在学生食堂吃饭,但走步确实不稳了。卡门也在早些时候离开了。物理系新来了Richard Feynman,比我大不了几岁却已是个赫赫有名的人物,常见他坐在学生食堂意气风发,高谈阔论。
第二年我成为半工半读的教学助教,教工学院二年级学生的力学课,分班上课,统一教材。其他课的内容都是老师自定的。没有教学大纲,教师可以自由发挥。著名的教授因自由发挥,成为非常受欢迎的课。
对于多数课,我都能应付。头一两年我特别喜欢振动和高等数学,特别是后者,老师是著名的Erdelyi,一位特殊函数方面的专家,一年的课几乎把复变函数和各种特殊函数的各种表述、渐近方法都讲了。我感到既学得深又学得透。改卷子的竟然是一位数学系在校的大学生,至少是个小天才吧!我的弱点在实验课。美国学生生活中得到很多实用的知识,是中国人普遍缺少的。
我跟钱学森教授做论文,方向是他提出来的,热冲击部分则是我自己提的。总的说,还算顺当,没受到老师的严厉批评。关于壳体中心面的假设是我提的,回头看觉得是个很粗糙的一种近似,需要有所改进。
加州理工学院有优越的科研环境。我利用论文工作结束后的时间学了些新东西,研究新问题,其中输水管的振动问题是美国大古力水利枢纽战后扩建中出现的一个实际问题。为了把大古力工程的发电作用扩大到大面积灌溉,增建了一个大型水泵站。1951年水泵启动的时候发生了严重的振动,振型比较复杂。水泵公司一时为了难,找到学校。在一次学术研讨会上,Rannie教授提出这个问题,然后扭过头来对我说,你为什么不试试。于是问题转到了我手上。
我很早就对流固耦合的振动问题感兴趣,这是受冯元桢的影响,他是气动弹性方面的著名专家,是我最好的朋友。我把问题拿来一看,觉得是个薄壳与水之间耦合振动的问题,壳体的直径很大,壁厚很小,因此水体的质量不可忽略,另外根据现场描述,振型明显含有径向振动的成分。按照这个思路,我对这个问题作了具体计算,发现有多个振型,特别是有近6个环状波的,可同时与水泵发生共振。在另一次学术讨论会上,我把这个结果告诉了Rannie。他听了很高兴,于是告诉了厂方。不久工厂要我就此写个报告给他们。在这个报告中,我提出了一个克服振动的方案,沿输水管隔一定间距加装环型加固套。厂方接受了我的报告和加固建议,还给了我一些报酬。
这是我毕业后第一项独立的工作,理论计算能与实践相符,理论预见能为工程接受,是一件令人高兴的事。这件事增加了我做力学研究的信心。
1952年6月获得博士学位后,移民局借故把我扣下近两年,护照被没收,没法找工作。幸亏学校照顾,让我在学校继续教书,剩下的时间可以做科研。当时,我接着把输水管振动这项工作推广到流速大到不可忽略的情况和流体可以是外流或气体的一般情况。这花了我不少时间。我还做了另外几项工作,如不忽略惯性的热传导和应力波,水波对河床的影响,容器中的水波等。这些工作虽然都没有正式发表,但对我是很好的学习,扩展了我的专业知识,为我回国后的工作做了铺垫。更重要的是有充分的机会利用加州理工学院的优越条件。可以说我当了两年不是博士后的博士后。
我很感谢加州理工学院为我特意提供了一位退休教授的办公室。回国时,系里专门在一所公园里,办了一个欢送晚会,许多教授和访问学者,以及相处多年的同学出席为我送行。今天想起来仍旧是很感人的。
四、科研体会
(一)认识你的国情
1956年,那是国家比较平静的一年。7月我被派往甘肃白银,去参观那里即将进行的一次大爆破。白银发现了一个大型铜矿,该爆破工程是由苏联专家设计的,规模达到万吨级。钱所长对在力学所开展爆破研究感兴趣,因为这项技术对我国建设有用,对力学工作者是一个新的领域。
我从未到过大西北,所以对这次出差怀有期待。我搭乘的火车走南线,所以要经过西安和天水,到达兰州然后搭长途汽车去白银。到天水时,天下起了雨,前方发生了泥石流,列车必须停驶。列车停了整整一个昼夜。到达兰州后,在分院招待所住下。请他们帮忙买好去白银的长途汽车票,停留了一天。这中间,我在住处周围转了转。原来兰州市不大,当时还有城墙。人们喝的水要直接从黄河取。城门口守候着一位同志,往从黄河取水挑进城的水桶里加一勺消毒液。所以那里百姓的饮用水问题尚待解决。城市沿黄河建在土坡上,大雨来了会不会引发泥石流?不知道。
火车进入黄土高原后景观有很大变化。黄土高原被深深的沟壑切割,沟底流淌着细细水流,日夜不断地继续切割着土体,使其不断崩塌,造成水土流失。路旁站立着高高的土塔正是水土流失所造成的。
第二天搭汽车上路,沿途的情况更加恶劣。车行在土路上,极端干旱的土被高高扬起,使人喘不过气来。周围农田里,看不到种的植物,很少见人们在劳作,却看到岩石似的青青一片。向同车的知情人询问,得知那是为了保墒,在地里铺了一层鹅卵石。对农民说,这是项不小的工程,上代人做了,下代人才能享受。
工地上的条件好多了,但饮水仍是个问题,需要天天从黄河拉水。偶尔遇到一些农民,看到他们的生活是非常、非常艰苦的。
另一方面,沿河西走廊,只要是有水的地方,植被还是很不错的。我的直觉是,只要有水,其他问题好解决,有点像加利福尼亚。
因开挖洞室施工出了事故,工程被迫暂停,我提前返回北京。
这次短暂的旅行对我的印象很深,对我国贫困的程度,对农民生活之艰苦,生存环境之恶劣,特别是水资源等问题有了全新的认识,这是我们这些长期生活在大城市的人们很难真正知道的。我们国家建设的费用,包括我们的科研费用,说到底,都来源于农民的劳作、农民的付出。由此我感到身上多了一些责任,多了一份对农民的尊敬。
(二)学会领导一个研究室
1958年“大跃进”中,成立了当时的第四研究室,我被任命为研究室副主任。我原为弹性力学组组长,从事结构物抗地震的研究,有个小的研究组。大跃进中全所的方向改为“上天、入地、下海”,人员要重新调动和安排,而且新进了很多人。这个过程中,我所在的研究室实际上被赋予了尚待安排人员过渡站的作用,“老力学所”的人和研究项目中有的被暂时调进来,有了去向之后再调出去。所以这个室一时变得很大,像个“老力学所”。对于这种安排,当时我是不知情的。
力学所不久又从部队调进来多位团级干部,担任新建研究室的党支部书记兼副室主任。分配到我们研究室的是靳汝泽同志,自然成为这个室的领导。他是一位抗日战争时期的老干部,调来前在空军工作,山西人。
靳汝泽同志有北方人的直爽,为人正派,讲原则,对问题能提出有分析的意见,能以理服人,团结人。他把研究室的业务工作很快地熟悉了起来,把研究室一些日常业务,如年度计划和方案的制定,工作人员的安排和调动,项目的进展和有关问题等,都交由我先提出意见,提出方案,向支部汇报同意后,提交全研究室讨论通过并执行。有什么问题,大家商量解决。对这种安排,我完全接受,因为我本来就是这样想的。
但是对于一个刚从学校毕业不久,习惯于独自工作,没领导过别人的我是有一定困难的,特别是钱先生对力学所的学科布局是相当广的,有的我知之甚少。为了能与这些同志对话,并能提出中肯的建议,唯一的办法是向新到四室来的同志们学习。所以我的任务不轻,从中学到了很多新的知识。
我同靳汝泽同志的合作很默契,也很愉快,我们很快成为相互信任的朋友。我认为这是我科研生涯中一件的很幸运的事,它使我在科研的道路上继续顺利地走下去。
1959年底,钱先生找到我说,根据中国科学院院内的分工,抗震的研究专门由哈尔滨工程力学所负责,力学所不再做了,要我为第四研究室提出新的方向。这使我一时感到很困难。于是同靳汝泽商量,动员全研究室一起讨论。会上提出了各种想法,其中关于爆炸成形和高压挤压成形的建议,引起了我的注意,因为几年前在一次所学术委员会上曾经讨论过类似问题。后来我把这个建议整理成高速高压下材料的变形理论及其应用,并报告到所里。钱所长当即表示赞成,并上报给院领导。不久,院里正式回复表示同意。于是我们成立了两个研究组,一个叫高压成形组,另一个叫爆炸成形组。
1960年12月,靳汝泽不久被调往怀柔分部。一周之后,一位副所长来到我的办公室,通知我第四研究室要撤销,设备重新分配到其他研究室,我本人的去向自行选择,给了我一星期的时间。
看来我们研究室已经完成了任务。我把大多数人和仪器装备移交给了当时的第12研究室,那是被留下的唯一一个固体力学研究室,包括由我负责建设且已建成的振动实验室。其他人按专业分配到有关研究室。考虑到对新建的两个研究组,我有直接的责任,而且其中一个和爆炸有关,所以这两个组分到第二研究室,我跟着他们走。这个方案被接受,于是我就到了二室。
二室的任务是“入地”,主任是钱寿易先生,副主任兼支部书记是马金祥。二室有个组叫爆破组,从事定向爆破筑坝的研究。以前马金祥曾约我到爆破组,讨论一些动力学问题。所以对这个室我有所了解。
钱寿易先生1958年回国,回国前在美国一个大的工程公司工作,曾负责设计美国的机场和大型工程,是钱学森特意请回来的。回国后赶上大跃进,被任命为二室主任。马金祥是与靳汝泽同批调到力学所的。
钱寿易先生1937年毕业于上海交通大学,适逢抗日战争全面展开。他前往缅甸参加滇缅公路的建设。后来日军进攻缅甸,切断了他们后撤的路线,于是被迫弃车,徒步绕道野人山,在九死一生中返回中国。1958年回国后,先后创建了力学所第二、第七研究室,开创了力学所爆破和土力学研究;为解决上海市大面积沉降问题提出了回灌方案,并成功地付诸实施;他会同我国海洋西部公司和科学院青岛海洋所,研究近海海洋土力学,解决了海洋石油平台插桩深度的预测问题,实现了精准预报;帮助海洋石油公司和科学院有关所获得联合国开发署项目资助,1991年1月执行该任务赴美期间,因心脏病突发不治身亡,我们失去了一位优秀的科学家。
钱寿易教授为人谦虚谨慎,平易近人,受人尊重,工作认真负责。他也是一位善于合作、认真听取意见的一位领导人,我把他当作自己所尊重的前辈。
马金祥和靳汝泽有类似的品格和作风,他对我也比较了解,所以我们也能密切合作,相互尊重。
我被任命为副主任,协助他们二位工作。参加二室工作,我被委托从业务上过问高压组、爆炸成形组和爆破组的研究工作。
大跃进和后来的三年困难时期,我得以遇到靳汝泽,马金祥这样的支书,得到他们的全力支持和信任,对我在科研工作上初期的发展起了十分关键的作用。我有充分活动空间去考虑研究工作的方向和主要课题,选择课题和组织骨干队伍等,没有他们的支持都是不可能的。说到底,他们给我的是科研工作中必须有的自由。好在我的研究工作从不是我们所的重点方向或者课题,因此能享受到这种难得、哪怕是短暂的自由。
(三)必须亲自动手
力学所有个传统,那就是研究室主任或副主任要为发展研究室的学科负责。这个传统是钱学森所长在办所初期定下来的。这意味着他既要做自己的研究工作,又要具体指导全研究室的工作,以推动学科的发展。很好把两者结合起来,是我面临的一个问题。高压挤压成形方面的工作面临的困难比较大,特别是要得到高强度的材料很困难,因此不得不放弃,人员作了新的调整。
在老四室,将爆炸成形确定为方向后,1960年年中就组织了队伍到工厂,以为马上可以用于零件的生产。那是大跃进中必须的做法,否则会被斥为不联系实际,甚至是走资产阶级科研路线。但是我还是做了两项安排,一是在下厂的同志里,要求抽时间做系统的参数实验,并用经验公式方式表达,二是安排了少数人做平板变形与时间关系的实验。后一工作首先要自制计时仪。
到二室之前,这两项工作都有了进展。计时仪工作是范良藻开始的,后来孟珊参加了。方案也是范良藻定的,采用的是电子管,然而能得到的都是从军用电子管淘汰的,所以必须再从次品中选,很费时间和精力。做成后往往可靠性差,所以必须随时准备修理,即带“保姆”干活。他们首次发现二次加载现象,这是他们经反复试验多次验证的。模型试验数据由韩良弼等同志保存,有翔实的记录。这在大跃进的混乱中都是难能可贵的,毕竟我们的同志们都是经过严格训练的大学毕业生。
1961年到二室之后,在钱、马二位主任的支持下,我把爆炸成形组分成了三个组,并从二室调入了谈庆明等同志。另外在二室单独成立了一个测量组,目的是把原先分散在各组的测试力量集中起来。
1961年“518会议”后,我们与国防科研部门签订了合同,要为他们解决爆炸成形的相似律问题,这也是以前钱学森给我提出过的问题。所以我脑子里集中想的是两个问题:相似律和二次加载。
在一次有总理和陈毅等出面,动员我国科学家参加国家建设的会议(1962年1月5日,苏联专家已撤),会后我有些激动,心想今后要对科研工作有更多的投入。回来后想为什么不分析一下板料在水下冲击波作用下的运动呢?于是动手做计算,几天之后结果出来了,发现近板处的水中很快出现负压,意味着那里发生了空化,水变成了蒸汽!进一步的计算,不再是普通的水了。
在讨论固体中的波时,我们常说起崩落现象。水中出现空化,岂不是同样的现象?我只好怪自己。进一步想到,空化区的压力几乎等于零,可以视为常数。如果把水可能空化作为计算模型,结果必然符合几何相似律。同样道理,炸药爆轰及其与水体的相互作用,也可视为是几何相似的。再加上我们都知道,金属材料的强度对应变率是不敏感的,因此也可视为常数。这样说,爆炸成形的过程不就是几何相似的吗?
我向韩良弼要来模型试验的数据,按照几何相似的假设重新整理,发现我们的试验数据完全可以证明几何相似律是成立的。我一方面很高兴,另一方面又感到很惭愧,如果我早一点直接参与进来,不是可以省去很多时间和劳动吗?
说来也巧,不久钱所长要给他一个报告,说一下爆炸成形工作的进展情况。于是我便动手写了,可是总有点不甘心,老惦记着二次加载的问题。
所以我边写边琢磨二次加载。开夜车,写报告,思想老是集中不起来。有一天在室里做报告,突然开了窍。我想到,Cole的《水下爆炸》中说了,激波只带走大约炸药二分之一的能量,还有大约二分之一的能量在炸药产物周围的水里。如果周围发生了空化,这部分水在爆炸产物压力的驱动和没有外压的情况下,加速运动。另一方面,板料和一层水会在板料中应力的作下,不断减速。一个加速,一个减速,后者必然赶上发生碰撞,表现为板面的二次加速。
这下子好了,我放心地把报告一字字写好,把图表画好,交了上去。报告概括地讲了爆炸成形的两个独立的模型律,描述了成形的力学过程。钱所长是个反应很快的人,所以不久就收到他的批复,肯定了报告,并建议投给航天部门的一个杂志,还说这对青年科技工作者有益(大意)。
这个结果和我的预期相符,因为它包含了爆炸成形组全体同志几年辛勤努力的成果,是货真价实、经得起考验,有所创新的。
对我说这个结果也是一个教训,要牢记必须亲自参与。
大约在1961或1962年,钱所长提出要求,在1963年力学学会要联合中国机械工程学会和中国航空工程学会,召开一个全国性爆炸成形学术会议,力学所应当有报告。1963夏,这个会议开了,参加者主要有航空航天部门所属高校和工厂,力学所也把自己的工作组成几个报告,会议是很成功的,力学所的报告很受重视,这一点可以从会场的气氛中感觉到:突然人们变得非常聚精会神,会场静得鸦雀无声。这是成功最好的标识。
钱所长出席了总结会,首次提出工艺力学和爆炸力学的概念。这便是力学所和中国科技大学近代力学系后来分别成立爆炸力学研究室和爆炸力学专业的来由。
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