力学家为何难获诺贝尔奖？

刘建林

众所周知，举世闻名的诺贝尔奖是以瑞典著名化学家、硝化甘油炸药的发明人阿尔弗雷德·诺贝尔的部分遗产（3100万瑞典克朗）作为基金创立的。诺贝尔奖分设物理、化学、生理或医学、和平、文学和经济6个奖项，以其基金每年的利息或投资收益，授予前一年世界上在这些领域对人类做出重大贡献的人。在众多世界级科学奖励中，诺贝尔奖被公认为最高级别的奖项，它会为获奖科学家带来至高无上的荣誉。

但是令人遗憾的是诺贝尔奖中没有设立与数学相关的奖项。有人猜测说诺贝尔的女友最终嫁给了一位数学家米塔-列夫勒，故而诺贝尔一直耿耿于怀，而在设立该奖时把数学排斥在外。实际上这种说法是经不住考证的。从诺贝尔的科学观来看，诺贝尔成为19世纪的著名发明家和实业家，其主要原因在于他拥有敏锐的直觉和非凡的创造力，不需要借助于深奥的高等数学知识。在诺贝尔所处的19世纪下半叶，化学领域的研究跟高等数学的结合并不紧密。因此诺贝尔本人根本无法预见或想象到数学在推动科学发展上所起的巨大作用，因此忽视了设立与纯粹数学及应用数学有关的奖项。

这种结果导致了与数学密切相关的力学学科中的很多著名科学家都未能获得诺贝尔奖。例如上个世纪的三大力学家普朗特、杰弗里·泰勒和冯·卡门都没有得到诺贝尔评奖委员会的青睐。普朗特在边界层理论、风洞实验技术、机翼理论、湍流理论等方面都作出了重要的贡献，被称作“空气动力学之父”。杰弗里·泰勒的研究对流体和固体力学及它们在气象学、海洋学、航空学、水力学、金属物理学、机械工程和化学工程的应用等方面都具有重要的价值。他是知名的实验家和理论家，能够凭直觉并运用最简单的方法发现新现象。冯·卡门是20世纪最伟大的美国工程学家，开创了数学和基础科学在航空航天和其他技术领域的应用，被誉为“航空航天时代的科学奇才”。而当今健在的哈佛大学教授赖斯（Rice）由于在断裂力学和地震方面的贡献也曾经得到过诺贝尔奖提名。但是这几位影响和改变了人类生活面貌的力学家并没有得到诺贝尔奖，这确实令人扼腕叹息。

力学家很难获得诺贝尔奖的一个很大的原因是由其学科属性所决定的。力学或者说应用力学是建立在牛顿力学基础上，研究宏观物体的机械运动和变形的科学。它是物理学最早的一个分支，但是自从流体力学出现，它与传统物理就分道扬镳了。此时的力学主要倾向于用应用数学的理论去解决工程实际问题，而近代物理则更多地注重研究微观粒子的规律。力学也被钱学森定义为“技术科学”，是衔接工程与数学、物理的桥梁；在西方，力学有时候也指应用数学。故而与更多关注原创性成果的物理、化学、生物、经济等领域相比，力学家更加关注应用，因而与诺贝尔奖的初衷有所出入。值得庆幸的是，尽管诺贝尔奖中没有数学奖或者力学奖，也有几位力学家因为其开创性的研究获得了诺贝尔奖。实际上，力学的逻辑和工程思维训练对于他们的获奖也有很大益处。这些幸运的力学家主要有以下几位。

瑞利——诺贝尔物理奖得主

瑞利（Rayleigh，1842～1919）是英国物理学家，1873年被选为英国皇家学会会员，1879～1884年任卡文迪什实验室主任，1905～1908年任英国皇家学会会长，1908年起任剑桥大学校长。他的研究工作几乎遍及当时经典物理学和力学的各个领域，一生共发表了400多篇论文。瑞利在弹性动力学领域指出：在地震中应当存在一种沿自由表面传播的偏振波，后被称为瑞利波或者L波。瑞利也提出了直接求解变分问题的瑞利（Rayleigh）近似方法，并应用于求解工程振动问题的固有频率。在流体力学领域，他研究了液体在表面张力作用下的失稳，称之为瑞利失稳。

尽管瑞利在力学上有诸多贡献，但是他获得诺贝尔奖却是因为在1895年发现了气体中的一个稀有元素——氩（Ar）。当时他发现从液态空气中分馏出来的氮，与从亚硝酸铵中分离出来的氮，有着极小的密度差异。但是他那经过严格数学逻辑训练的大脑使他具备一种严谨的科学态度，不轻易把千分之几的数据偏差归结于实验误差，因而没有与诺贝尔奖的桂冠失之交臂。

瑞利一生发表了许多学术论文，他文笔清雅畅达，所写文章大多有严格的数学证明，定量十分准确。后来，他把自己的论文整理为一部五卷本的论文集。论文集的开头，他写下了这样的言词：伟大精深啊/上帝造物之奇妙！/研究探索吧/求得世界奥秘/乐在其中矣！

布里奇曼——诺贝尔物理奖得主

布里奇曼（Bridgman，1882～1961）是美国著名的实验力学家和科学哲学家，是操作主义的创始人。他曾当选为美国科学院院士和英国皇家学会会员，并于1942年担任美国物理学会主席。布里奇曼因发明产生很高压力的装置及利用这一装置在高压物理领域内所做出的贡献，而获得了1946年诺贝尔物理学奖。

一位美国学者评价布里奇曼的工作时说到：“几乎没有任何其他物理学领域能够与高压物理学相比，高压物理学主要是一个人的工作。”从1905年开始，布里奇曼就研究了物质在高压下的力学性能。他创建了一种新的高压装置，可产生10 GPa（十亿帕斯卡）的压力。他利用该装置，广泛地研究了100多种化合物在高压下的物理性能，如压缩性、电导、热导、拉伸强度和粘度等。在金属材料的力学性能方面，他发现金属的塑性变形与施加的静水压力关系不大，而受剪应力的影响较大。这些结论已经广泛应用于塑性加工、机械、材料、土木、水利、航空航天等领域。

玻恩——诺贝尔物理奖得主

马克斯·玻恩（Max Born，1882～1970）是德国犹太裔理论物理学家，是量子力学的奠基人之一。玻恩因对量子力学的基础性研究，尤其是对波函数的统计学诠释，获得了1954年的诺贝尔物理学奖。玻恩还和海森伯、约尔丹等人用矩阵这一数学工具研究原子系统的规律，创立了矩阵力学，这个理论解决了旧量子论不能解决的有关原子理论的问题。在他早期的科学生涯中，玻恩的兴趣集中在点阵力学上，这是关于固体中原子怎样结合在一起和如何振动的理论。玻恩曾与冯·卡门合作在1912年发表了关于晶体振动谱的论文。1925年玻恩写了一本关于晶体理论的书，开创了晶格动力学这门全新的学科。1954年他和我国著名物理学家黄昆合著的《晶格动力学》一书，被国际学术界誉为该领域的经典著作。

从应用力学的角度来看，玻恩完全可以被认为是一位力学家。他在哥廷根大学的博士论文研究的是弹性线（elastica）的稳定性问题。这个问题源自于19世纪末瑞士的孟希太因大桥的桁架结构发生弹性失稳而导致的破坏事故。玻恩对弹性线的方程不但进行了数学推导，还自己设计了一个实验去验证他的结论。正如他自己所言“对一个科学家来说，当他能用实验（即使是别人做的实验）来验证他的理论时，那总是最心满意足的时刻。”

康托洛维奇——诺贝尔经济学奖得主

康托洛维奇（Kantorovich，1912～1986）是俄罗斯数学力学家和经济学家，是最优化理论和计算数学的创始人之一，也是经济数学的奠基人。他22岁就成为大学教授，23岁未经论文答辩就被授予物理数学博士学位。1938年他将拉格朗日的乘子法应用于解决经济学问题，如怎样最充分地利用机器设备，如何最大限度地减少废料、最有效地使用燃料，怎样最合理地组织货物运输、最适当地安排农作物布局等。他发现这一系列涉及到如何科学地组织和计划生产的问题都属于他所提出的线性规划问题。1975年，63岁的康托罗维奇与美国经济学家库普曼斯共同获得诺贝尔经济学奖。

康托洛维奇在应用力学领域也建树颇丰。他曾经负责列宁格勒大学数学力学研究所一个部的工作，并在1948年从事核武器的研制。从1958年起他主要开展计算数学和计算力学的研究工作。他在力学上的主要贡献是提出了直接求解变分方程的近似法，这种方法是对瑞利方法的改进，在力学上被称为“康托洛维奇方法”。

康托洛维奇多才多艺，他不但是一位数学力学家和经济学家，还是一位诗人。同时，他也是一个发明家，曾经获得了一些雏形计算器的专利权。

希尔——诺贝尔生理学或医学奖得主

希尔（Hill，1886～1977）是英国的生物力学和生物物理学家，与亥姆霍兹被公认为是生物物理学的创始人。生物力学（biomechanics）是力学的一个分支，目的是运用力学原理和方法对生物体中的力学性质进行定量研究。生物力学的研究范围从生物整体到系统、器官（包括血液、体液、脏器、骨骼等），从鸟飞、鱼游、鞭毛和纤毛运动到植物体液的输运等。

希尔对神经、肌肉和心脏的物理特性进行了大量测试工作。他由于在肌肉力量产生机理方面的研究而于1922年获得诺贝尔生理学或医学奖。他还在运动生物力学方面做了大量工作。例如在血红素的氧气摄入量方面，他推导出了著名的“希尔方程”。他还对运动员的肌肉活动量进行了实验测试。1925年，他第一个画出了跑步世界纪录的速度与距离的关系。1928年，他研究了风对于跑步的影响，也研究了人体肌肉产生的力与跑步速度的关系。这些研究工作对于今天我们如何提高运动员的训练成绩仍然具有指导意义。

【责任编辑】张小萌