钱伟长:科学巨子 传奇人生

2010-8-01 19:00 来源: 科技日报
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  一个黑色的星期五。

  钱伟长,为中国人熟知的科学家,“三钱”中的最后一位,7月30日在上海走完了98岁的一生。

  这位爱国学者近一个世纪的历程,犹如一条大江,时而浩荡,时而曲折。像很多同辈的中国科学家一样,钱伟长在民族危亡之际,选择了科学救国的道路;国家的需要,永远是他事业的指南针。战争的苦难,或者政治厄运,始终没有压倒他。

  晚年,他成为了大学校长和热心的教育者。培养有创造力的年轻人,为民族开拓未来,是他最后岁月里牵挂的主题。

  钱伟长的传奇人生,是一代中国学人希冀和奋斗的缩影。

  弃文从理

  1931年9月,清华大学招入了一批新学生。其中有一个瘦小的戴眼镜的无锡人。这位新生作文和历史拿了满分,理科却几乎是零分。他就是钱伟长。

  清华的招生作文题目是《梦游清华园》。“我写了一篇四百五十字的赋。”钱伟长回忆说:“出题目的老师想改改不了。后来他给了一百分。”

  历史考题更奇怪:二十四史都有哪些;作者是谁;各有多少卷;注释者是谁。钱伟长答得分毫不差,又是一个满分。

  钱伟长的文科好,一点也不奇怪。他的父亲和祖父都是教书先生,四叔是著名的文科学者钱穆。他中学的文史老师,则是语文学家吕叔湘。钱伟长自小看古书长大,十岁的时候就可以把《三国演义》倒背如流。

  多年以后,钱伟长写过一本小书:《我国历史上的科学发明》。当时相关研究成果很少,只能从浩如烟海的古书中淘金。钱伟长几个月就完稿付梓,可见他对经典古籍的熟悉。

  可是,19岁的钱伟长对理科却十分陌生,数学、物理、化学和英文,总共考了25分。其中物理只考了5分,英文从没有学过,考0分。所幸靠着文科成绩,通过了清华的考试。他听从钱穆的建议,选择就读清华中文系。

  谁能料到,第二天钱伟长就改变了自己的选择,也改变了一生的走向。这一天,爆发了震动全国的“九一八”事变。侵略,以中国军队的退让告终。

  “我听了以后就火了,”钱伟长回忆说:“没飞机大炮,我们自己造嘛。所以我下决心,要学飞机大炮。”

  他想转到物理系,于是几次跑去找系主任吴有训。这让吴有训为难了——钱伟长的数理化实在糟糕。禁不住钱伟长的纠缠,吴有训提出先让钱伟长试读一年,如果化学、物理和高数都考过70分,就允许他转系。

  那一年,钱伟长除了吃饭睡觉,全部时间和精力都扑在物理和数学上。但一开始效果很不好,每周课堂测验,他一连七个星期都不及格。

  物理系第一学期的课程中,由吴有训亲自讲授普通物理。他劝钱伟长:不要上课只顾记笔记,重要的是仔细听讲,力求当堂听懂,课后用自己的语言择其关键简明写出。吴有训知道钱伟长的英文底子薄,特地找来一本中译本物理讲义,便于他查阅。

  功夫不负有心人,第一学期结束,钱伟长的物理及格了。到学年结束时,他的数学、物理、化学、外语等科目的考试成绩都拿到八十多分,得到了以严格著称的吴有训的认可。

  在清华物理系的四年,钱伟长打下了坚实的学术底子。当时物理系教授周培源、萨本栋、叶企孙、吴有训、赵忠尧五位,每一位都是赫赫有名的大家。系里经常有研讨会,时有欧美著名学者诸如玻尔、狄拉克、郎之万等人,来访问演讲。学生们有缘与大师交流,洞悉了物理学最前沿的景观。在吴有训、叶企孙等老师的鼓励下,钱伟长还选学了材料力学、工程热力学、近世数学、化学分析诸学科。

  钱伟长聆听了信息论泰斗维纳在电机系的演讲,还听过空气动力学权威冯·卡门在航空系的短期讲学;他选学了熊庆来的《高等分析》,杨武之(杨振宁之父)的《近世代数》,黄子卿的《物理化学》和萨本栋的《有机化学》。

  “那时候跟我一样拼命的有华罗庚。我是很用功的,每天早晨5点到科学馆去背书,可是华罗庚已经背完了。”钱伟长回忆说。

  1935年钱伟长本科毕业,毕业论文是与同学合作的《北京大气电的测定》,是年六月在青岛举行的全国物理学年会上宣读。这是中国自行测定大气电量的第一批数据,也是钱伟长开始科学研究的开端。

  毕业后不久,中央研究院南京物理所招考一名实习研究员,钱伟长前往应考,被所长丁西林录取。同时他还考取了清华研究院物理系的研究生,导师仍为吴有训教授,主攻X光衍射。

  艰难出国

  七七事变的爆发,扰乱了中国科学家的研究事业,也暂时中断了钱伟长的学习。清华大学迁到了昆明。为了筹集路费南下,钱伟长在天津教了一年中学物理课。

  一年后,钱伟长和四个朋友一起,乘船经香港、越南海防,再从河内经滇越铁路,于1939年初到达昆明西南联大。

  刚到西南联大,钱伟长就得到了执教的机会,此时他也遇见了该校中文系四年级女生孔祥瑛。这年七月,钱伟长参加中英庚款基金会第七届留英公费生考试被录取。孙祥瑛正巧大学毕业,两人决定结成终身伴侣。8月1日结婚这天,清华文科方面由朱自清出面,理科方面由吴有训出面,分别担任主婚人和证婚人。

  刚结婚的钱伟长准备去读“庚款”的研究生。1939年9月2日,留英学生22人抵达香港时,第二次世界大战爆发,所有赴英客轮扣作军用,钱伟长等学生的留学计划也被迫延期。

  在返回昆明等候通知的时候,钱伟长借到一本《弹性力学的数学理论》,仔细研读后发现当时国际学术界关于弹性板壳理论十分混乱,不仅板、壳分开,而且各种不同形状的板壳有不同的方程。于是,钱伟长决心寻找一种统一的以三维弹性力学为基础的内禀理论。苦苦埋首数月,他用高斯坐标张量表达的微分几何来表示变形和应力分,居然获得了前所未闻的统一内禀理论。

  3个月后,钱伟长再次出发,准备去加拿大深造——由于战争爆发,许多英国的名教授都逃难到加拿大去了。

  在上海英租界接学生们上船后,中英庚款的负责人把护照发给学生,护照上有日本的签证。钱伟长回忆说:“他倒是好意,说你们过日本的时候啊,息船3天,没事可以到横滨去玩玩。”但留学生们不愿领情。

  “日本占领我国领土,我们受了那么多苦,还签证跑那里干什么?当场有留学生就把护照扔进黄浦江里了,22人全下船了。结果负责中英庚款的那位英国人自己承认错了。他说我们不懂得你们中国人的爱国心,你们先回去再说。”

  1940年9月,钱伟长第三次出发,终于抵达加拿大多伦多大学,开始了艰辛的留学生涯。这也是多伦多大学首批接受中国研究生。

  钱伟长跟随的是应用数学系的辛祺教授。师生第一次见面,辛祺教授就发现自己和钱伟长都在研究“弹性板壳的统一内禀理论”,只是导师宏观,学生微观而已。尽管当时所得到的结果还不能统一,但深信既是同一实质,必将能统一。也就在他们第一次见面时,即决定师生分两段写成一篇论文,投交美国加州理工学院航空系,祝贺冯·卡门教授60岁诞辰。

  祝寿论文集于1941年夏季刊出,共24篇论文,作者均为“二战”时集聚北美的知名学者,如爱因斯坦、冯·诺伊曼、铁木辛柯、科朗等,钱伟长是唯一的中国青年学子。这一成绩增强了钱伟长的知名度。经过一年努力,钱伟长打通了宏观理论与微观理论的通道,顺利通过博士论文答辩。

  学界新星

  在留学生涯刚起步的时候,能写出一流的论文,这让钱伟长竖立了自信。同时这位论文集中唯一的青年学生,也引起了冯.卡门教授的注意,两年后,在他的欢迎下,钱伟长来到了美国加州理工大学航空工程系。

  在冯·卡门的指导下,钱伟长完成了有关水轮机曲线导叶的实际离角计算和变扭的扭转问题的研究。1943年6月钱伟长在获得多伦多大学博士学位后,正式参加加州理工大学哥根海姆实验室喷射推进研究所工作。冯·卡门同时也是钱学森、郭永怀和林家翘的导师。钱伟长和钱学森等人朝夕相处,彼此研讨。十几年后这些人都成了中国航空事业的栋梁。

  钱伟长主要从事弹道计算和各种不同类型飞弹的空气动力学设计。他通过反复研究和计算,首次提出判明人造卫星在天际运行的轨道由于能量消耗,每绕地球一周将降低多少高度的简便计算方案,以及火箭弹道的微分修正等,在初期的人造卫星轨道计算上做出了贡献。他还完成了有关于火箭的空气动力学设计、弹型设计、高空气象火箭研究。

  1944年夏,由于钱伟长在航空研究上的成就,他成为美国航空科学学会正式会员,并在得克萨斯州白沙试验场进行下土式火箭发射实验和液体火箭发射实验。同年秋,他在美国航空工程学会上宣读了《超音速对称锥流的摄动理论》,这是国际上第一篇这方面的论文。美国应用数学季刊这年分三期连载了钱伟长的博士论文的基本部分。其中一个重要方程,还被称为“钱伟长方程”。

  1943年至1946年期间,钱伟长也参加了火箭现场发射试验工作等。同时他还在冯·卡门教授指导下,完成了变扭的扭转和水轮机斜翼片的流动计算,以及超音速的锥流计算等重要研究课题。

  钱伟长用一种巧妙的摄动展开法,给出高速空气动力学超音速锥流的渐近解,大大改进冯·卡门和N.B.摩尔给出的线性化近似解。过去,人们在渐近序列中一般是采用幂级数,钱伟长拓宽了渐近序列的范围,引入了对数函数,这对摄动法是一项重大突破。50年代之后,这项成果才被人们认识和接受。

  1946年,钱伟长与冯·卡门合作发表了《变扭率的扭转》一文。冯•卡门曾说这是他一生中最为经典的弹性力学论文。这几年,确实是钱伟长的科研多产期。他成了冯·卡门的得力助手,一颗科学新星。

  奠基力学

  正当钱伟长在美国的事业如日中天的时候,他选择了回国。抗日战争的胜利,让他渴望回国效力。他如是描述当时心里的矛盾:“我爱国吗?干吗有本事为外国人服务呢?”

  他多次向冯·卡门提出了回国的要求。但冯·卡门始终不点头。钱伟长最后以思念家人和不曾见过面的六岁孩子为由,要求回国探亲。1946年5月6日,钱伟长只带了简单的行李和几本必要的书籍,从洛杉矶乘船回国。当时他34岁。

  1946年8月,钱伟长来到清华大学,眼前的景象让他吃惊。母校已经四壁皆空,门窗全无,到处都是如山的垃圾。抗战胜利后,在复校的师生到来之前,国民政府委派官员在此接管了三个月。

  “他们把门窗弄下来,拿到市井去卖。”钱伟长说:“接收大员把学生床和图书馆的书都拿去卖了。”

  钱伟长只得自己掏钱,把图书买回来。为了实现“科学救国”的抱负,钱伟长几乎承包了清华大学机械工程系、北京大学和燕京大学工学院的基础课应用力学和材料力学,物理系的理论力学、弹性力学等课程,还担任《清华工程学报》主编等审稿工作。教学之余,钱伟长继续在润滑理论、圆薄板大挠度理论等领域研究,撰写并发表了8篇有影响的论文。

  1949年,钱伟长导出了润滑问题的高阶雷诺型方程,并进一步建立相应的变分表达式,从而使计算工作量大为减少。他的成果可用于计算润滑轴承问题,计算结果正确可靠。这是润滑流体动力学一篇经典之作。

  1949年3月,从内战中恢复的清华大学成立了校务委员会,由叶企孙任主任,钱伟长为副教务长。1952年院系调整后,钱伟长被任命为纯工科的清华大学教务长。1956年钱伟长又被任命为清华大学副校长,仍兼教务长和力学教授。

  1951年中国科学院成立之初,钱伟长就兼任数学研究所力学研究室主任。钱学森回国后建立了中科院力学研究所,钱伟长又兼任了副所长。1955年中科院学部成立,钱伟长成了第一批被选聘的学部委员。

  “三钱”的称号,也是在这一时期提出来的。1954年至1956年,钱伟长花大量精力,参与周总理领导的制定自然科学12年规划的工作。

  当时钱伟长等人经过讨论,提出了6项内容,即原子弹、导弹、计算机、半导体、自动化技术、无线电电子学。因为前两项作为国防尖端项目,由国家另行安排,因此后四项成为了国家“四大紧急措施”。规划研讨会上,钱伟长的意见,总能得到钱三强钱学森两人的支持。周总理把他们称为“三钱”。

  尽管兼职让钱伟长忙得不亦乐乎,他并没有打乱自己的科研节奏。这几年他发表了20多篇科研论文,出版了《弹性柱体的扭转理论》、《圆薄板大挠度问题》等专著。

  1954年,钱伟长和他的学生合著的科学专著《弹性圆薄板大挠度问题》出版,在国际上第一次成功运用系统摄动法处理了非线性方程。“钱伟长法”被力学界公认为是最经典、最接近实际而又最简单的解法。在第二年,这一成果获得了国家科学奖。 1956年他还出版了中国第一本弹性力学专著。

  凭借着开创性的学术贡献,钱伟长,和周培源、钱学森、郭永怀一起被称作中国近代力学的奠基人。

  多才多艺

  1957年初的一篇文章,让钱伟长吃了二十年苦头。

  钱伟长于1957年1月31日在《人民日报》上发表了《高等工业学校的培养目标问题》一文,提出与苏联教育思想相背的不合潮流的见解。这篇文章引起的争论,在当年6月的“反右”运动中,给钱伟长带来了麻烦。他被划为“右派”,并被撤销一切职务。

  这是钱伟长始料未及的。但他顽强地继续着自己的工作。并在一切允许的情况下施展才华。“我没有专业,”他总结道:“我以国家需要为专业。”

  酷爱教学与科研的他只能转入“地下”。一些懂行的专家请他开设各类讲习班,诸如为北京地区冶金学界讲授“晶体弹性力学”、为航空学界讲授“空气弹性力学”、为力学界讲授“颤振理论”……听讲者少则数十人,多则数百人,而且都是系统讲座,常连续开讲数月至半年,为应用数学和力学培养了大批人才。当年的听讲者中不少人已成了该领域的学科带头人。

  1964年,他写了一篇论文——《关于弹性力学的广义变分原理及其在板壳问题上的运用》,投递给《力学学报》,被以“不宜发表”为由而退稿。4年后,日本学者鹫津久一郎在书中表达了相似的论点。而1977年钦科维奇的《有限元法》一书对之明确论述,更是创造了一个新的学科领域。这让钱伟长惋惜不已。

  钱伟长还干了不少与专业不太相关的事情:他曾代叶渚沛院士起草了加速推广转炉的建议书,设计了高炉加压顶盖机构和强度计算;在李四光的恳求下,钱伟长研究了测量地引力的初步设想措施,并推荐反右后流放到新疆的他的研究生潘立宙去从事该项研究;为国防部门建设防爆结构、穿甲试验、潜艇龙骨计算提供咨询;为人民大会堂眺台边缘工字梁的稳定提出增强方案;为北京工人体育馆屋顶网络结构提出计算方法……

  1960—1966年间,钱伟长共讲授了12门教学计划外的新课,编写了600万字的教材。

  1968年,钱伟长被下放工厂,做了一名炉前工。他没有抱怨这一安排。钱伟长和工人们一起,白手起家建造了热处理车间。他发明了一种杠杆设备,可以让工人更容易地拿起52公斤重的铁棒。他还和工人们一起设计建成了当时北京最好的液压机。加工不了的大零件,包括外单位的,都拿到这里来压。

  很快,钱伟长得到了一个周恩来派给的任务——研究坦克电池。“当时我们的坦克吧,开着开着就开不动了,”钱伟长说,“因为电池的耐力有限。我当时做的是锌氧电池,目的是研究出来坦克专用。”

  钱伟长除了学生时的一点化学基础,并不懂电池。但他骑着一辆自行车,不管天冷天热,跑遍了北京市所有跟电池有关的单位。他查了三百万字的资料,大概研究了一年多一点,高能电池研究出来了,比美国通用公司的产品性能更高。他协助建立了一个锌氧电池厂。

  钱伟长还进行着一项与坦克有关的研究,他对高速撞击问题发表了多篇研究论文。他的专著《穿甲力学》,获过全国优秀科技图书一等奖。

  “我回国以后,干过十几桩事情,”钱伟长说,“奇奇怪怪的专业,所以有人骂钱伟长是万能科学家。我不理。”他的研究项目五花八门。他推导过13000个三角级数求和公式;还研究过汉字计算机编码,发明了获奖的“钱码”。

  “我觉得国家需要的,我都干。”他总结道,“我的目的是解决问题。”

  新来的“老校长”

  1978年,钱伟长感到无比振奋。他在当时出版的一篇论文集的序言里写道:“我力图夺回已经失去的良好岁月,日以继夜地工作。”

  钱伟长迫不及待地投入到力学研究中。当时,有限元方法开始受到各国学者的重视。钱三强的变分理论就是有限元方法的基础。1978年,钱三强进一步讨论了广义变分原理在有限元方法上的应用。他多次开设变分法和有限元的讲座。在1978年恢复研究生和建立学位制度之后,摄动法、变分原理和有限元的应用成了研究生论文中的一种时髦。

  1984年,钱伟长建立了无条件的广义变分原理。把固体力学中变分原理方法推广到粘性流体力学,奠定了流体力学中有限元方法的基础。

  在科学事业得以继续的同时,他又被加上了教育的重担。他被任命为上海大学的校长,这个职位保留到他生命的最后一刻。

  办一所好大学,实现自己的教育理念,这是钱伟长一直感兴趣的。1983年,他来到上海工业大学(后来的上海大学),得以施展自己的抱负。这个学校已经两年没有校长,全校的学生不足千人,被上海人称为四等学校。

  但钱伟长不怕。他提出要拆除四堵墙。——他想打通学校和社会、教与学、科研和教学、学科与学科之间的隔阂。

  他采取的措施颇为激进,比如说他规定一二年级不分专业,甚至同一宿舍的学生也不能来自一个专业。他推进的教学改革让许多教师都很不适应,比如必须进行科研和学习英语。他换掉了1/3的教师,从外部招聘新人。

  他强调加强学校与社会的联系,和企业签订合同,开发科技服务。实际上就是产学研合作。

  如今看来,钱伟长的真知灼见更能被人接受。这位老校长以他超前的教育观念,在上海建立了一个全新的大学。

  钱伟长十分重视大学体育的作用。他鼓励各种球类和田径大奖赛,以及健美操、拔河、跳绳等小型多样的群体竞赛。上海大学每两年要举行一届以院、系为单位参加的全校体育节。

  钱伟长这一观念来源于他自己的经历。他幼时多病,进清华读书时只有1米49高。但他苦练体育,居然进了清华赛跑队,并且拿了全国跨栏比赛的季军。

  钱伟长保持了锻炼身体的习惯。甚至到了古稀之年,他仍然一次跑过两万米。钱伟长认为,学校体育的最终目的是愉悦、释放、健康。他出资办了足球赛,亲自给学生颁奖。

  “你可能想不到,上海大学新校区规划的草图是钱先生画的。”钱伟长的助手周哲玮清楚地记得,钱校长拿着比例尺,画出了上海大学新校区的设计概念。

  各个学院的教学楼都是打通的,方便学生可以在课间更换教室。如今走进上海大学,一排排白色教学楼,通过二楼的过道互相连通。

  “那时候钱校长坚持女厕所面积要大于男厕所,设计师不理解,说从来没有这样做的。钱校长非常坚持,他认为女生上厕所的时间比男生长,这是有科学依据的。”周哲玮说。学校最终采纳了钱校长的意见。

  校园里的畔溪湖也是钱伟长坚持要挖的,他说,“一所大学没有水,就没有灵气。”

  1992年,钱伟长在全国率先推行学分制,几年内竟风行全国。二十多年来,凭借独特的教育理念,上海大学,从原来只有八百名学生,发展为目前的在校学生三万人。在近年全国三十多所高校的本科教学评优中,上海大学名列第一。

  在生命的最后岁月里,钱伟长最关心的是“培养具有创新能力的人才”。他认为,完成这一任务要依靠高校教师队伍素质的提高。“对教学方法‘动手术’的高校还不多见,大部门分还是过去那种‘填鸭式’教学。“这对学生是很不利的,也不利于我们国家未来的发展。”

  钱伟长被称作“义务校长”。因为他没有领过校长的工资,也没有享受过校长的福利。但这位“终身校长”却成为了学者的楷模。70多年来,无论是从事科研或教育,钱伟长的原则只有一个。“我希望国家强大起来,”他说,“强大要力量,这力量就是知识。”