漫谈学科交叉和创新型人才培养

张 舵 魏斌斌 莫云飞

(国防科技大学文理学院 湖南 长沙 410073)

1 引言

21世纪是创新的世纪，国家间的竞争，最终决定于科技人才和创新能力的竞争.目前不同学科间的交叉与融合比以往更为紧密，且呈现出高度综合的趋势，许多重大的科技、经济、社会问题具有综合性，如人口、资源、环境和能源等问题的研究和解决，要求众多的社会科学和自然科学用各自理论、思维、观念、技术和方法协同合作方能解决，这就需要科技人员应当能在交叉领域彼此交流各自的学术思想，从而对科学问题能更加客观、全面地认识[1].例如：生物学家沃森和物理学家克里克通过一起合作而发现DNA双螺旋结构；当科学家将量子理论应用于物质科学和能源科学时，半导体、激光、核技术等重要高新技术相继被开拓出来；艾滋病毒的攻克，除了病毒和免疫学方面的专家外，还应该吸引更多的生物物理学家、组合化学、结构生物学、信息学等方面的年轻专家.

当代社会发展需要的是具有创造力的复合型人才.为了培养复合型人才：武汉大学的政治与公共管理学在二级学科的基础上完成跨学科研究生的招生工作[2]； 北京大学成立了很多贯穿于整个科学的研究中心，同时开展了生物和医学方面的跨学科研究生培养，并且在原来的基础上建设了“前沿交叉学科研究院”[2]；国防科技大学设立了前沿交叉学科学院.而军队院校随着现代化建设的深入发展，高技术武器装备，军事训练，作战指挥等迫切需要发展新理论和技术，而这些理论和技术都不是单一学科所能支撑的，都需要多学科交叉融合产生[3].如雷达系统的研制，制造原子弹的“曼哈顿工程”等项目的顺利完成都依赖于多学科、多行业的科技人员共同协作[4].

下面通过介绍笔者在教学和科研过程中的一些感受以及英国访问学习的经历来讲述交叉学科和创新人才培养的重要性.

从大学四年级学习爆炸技术的理论基础这门课程开始，笔者算是正式进入工程力学的领域，到进入爆炸力学方向攻读研究生，再到后来博士毕业参加工程力学方面的教学和科研工作.不时地总会遇到一些该领域科学家的名字，这些名字里面有瑞利、伯努利、霍普金森、泰勒、彭赛勒等等.每遇到这样的名字，通常会对应一个公式、一项技术或者一种现象，比如瑞利表面波、伯努利方程、霍普金森杆实验、彭赛勒公式等等，都会充满敬佩，感叹这些优秀的科学家做出了这么漂亮的工作.通常情况下，这些科学家的名字如果出现在跨度较大的不同的领域甚至同一领域时，对应的往往并不是同一个人，比如伯努利家族在不同领域中涌现出了一批优秀的科学家，他们的贡献和成果往往都是以伯努利来命名.这里举一个和冲击动力学关系比较密切的例子，那就是霍普金森父子，他们分别是J.Hopkinson和B.Hopkinson，其中J.Hopkinson设计完成了第一个动态力学演示实验，即著名的霍普金森杆实验，用来演示如图1所示装置的动力学效应，在落槌撞击下铁丝的断裂发生在B点.这个实验几乎成了国内外冲击动力学相关课程教学中教师在第一堂课上启发学生思考的必用例子.B.Hopkinson子承父业，在1914年设计了一套实验装置，利用应力波效应巧妙地测量了爆炸产生的压力波形.霍普金森父子开创性的工作，为现代广为使用的材料动态特性测试技术——SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)奠定了基础，这项测试技术因此也被取名为分离式霍普金森杆技术.

图1 霍普金森杆实验示意图

2 维多利亚时代最后的博学者——瑞利爵士

在工程力学领域中，有这么一批以瑞利(Rayleigh)命名的科学成就，它们始终指向同一个人，那就是被通用电气(GEC)总工程师A.T.Humphrey誉为维多利亚时代最后的博学者(the Last of the Great Victorian Polymaths)、诺贝尔奖获得者约翰·威廉·斯特拉特(John William Strutt，瑞利原名).由于瑞利本人出身英国贵族，英文文献中也常常称他为瑞利爵士(Lord Rayleigh)，图2即为瑞利爵士的画像.

图2 瑞利爵士画像

瑞利是卡文迪许实验室第二任实验室主任，并且为卡文迪许实验室赢得了第一枚诺贝尔奖(1904年诺贝尔物理学奖)，为了纪念他，实验室图书馆被命名为瑞利图书馆.卡文迪许实验室图书馆里老一点的图书内页都有这么一个精美的标记，如图3所示.图中文字为“Cavendish Laboratory,Cambridge,Rayleigh Library”，翻译成中文即为“卡文迪许实验室，剑桥，瑞利图书馆”.

图3 印在卡文迪许实验室图书馆藏书内页的标记

在大学学习冲击波的理论描述时，第一次接触到瑞利这个名字.利用间断面上的相容关系式可以推导出，强间断的传播速度可以用瑞利弦的斜率来表示，如图4所示.

图4 应力应变曲线上强间断前后状态点的连线即瑞利弦

笔者在学习这个内容的时候就感觉到这种表述非常直观，让人印象深刻，在毕业后做教师工作时，每次讲授到这个内容的时候也都能感受到一种理论上的简洁之美.

毕业参加工作后，笔者在2009年时曾参与一项关于水中空蚀的科研项目的联合申请工作.通过查阅空蚀相关文献，了解到瑞利的另一项工作，那就是Rayleigh-Plesset方程.Rayleigh-Plesset方程源于英国皇家海军在1917年委托瑞利爵士解决船只桨片老化的问题.经过调研之后，瑞利发现桨片高速旋转产生的水中空泡是造成空蚀的原因[5].桨片搅动产生的低压区造成水的气化并形成空泡.当压力恢复时，空泡收缩溃灭，对桨面产生冲击等破坏作用，如图5所示.

图5 螺旋桨在水中产生的空泡和桨面产生的空蚀破坏

普莱赛特(Plesset)在瑞利的研究基础上给出了著名的Rayleigh-Plesset方程[6]，该方程能够很好地描述空泡的运动，甚至可以描述通过挤压高速水射流而产生的空泡[7].后来科学家们发现空泡还可以通过声波来激发，在声波的作用下，空泡中心可以达到很高的温度，甚至导致发光，这就是声致发光效应(sonoluminescence).实验测得空泡溃灭冲击波的速度可以达到3 500 m/s，溃灭中心压力可以达到40 000大气压，温度可以达到105～106K.在空泡的周围竟然可以找到过氧化氢(H2O2).空泡溃灭中心的高温高压已经引起了人们极大兴趣，美国橡树岭国家实验室的科学家希望通过空泡中心的高温高压实现核聚变[8]，从而提供一种简易、低成本的核聚变反应装置.

2010年以后，由于承担固体中的应力波的课程建设和教学工作，笔者进一步了解到了瑞利在应力波领域所作的贡献.除了前面提到的利用瑞利弦来描述强间断的传播速度，他还推导了考虑横向惯性效应的一维应力波速度近似解，如式(1)所示.

(1)

其中C为相速度，ν为材料的泊松比，a为圆柱杆的半径，λ为波长.该方程可以很好地描述长杆中应力波的几何弥散效应.除此之外，瑞利首先在理论上描述了一种在固体表面传播的应力波——表面波.在地震中，体波(压缩波P和剪切波S)的速度较快，首先到达，但是表面波(瑞利波和勒夫波)却携带着主要的振动能量，这是造成破坏的主要原因.在一些爆炸力学的学术讲座中，作者还了解到了Rayleigh- Taylor不稳定性的概念，Rayleigh-Taylor不稳定性是指在两种不同密度的液体之间的界面上，当一种流体向另一种流体加速运动时，液体间的界面将失稳，使得两种流体发生混合，如图6所示[9].对Rayleigh-Taylor不稳定性的理解和控制是核武器设计过程中非常关注的问题之一，这一现象在水中核爆炸产生的气泡加速膨胀时也会发生.

图6 流体界面的 Rayleigh-Taylor不稳定性数值模拟

以上这些和瑞利有关的成果或多或少和工程力学(爆炸力学)是相关的，这使得笔者曾经一度认为瑞利应该是力学领域一位著名的科学家.直到偶然间了解到，这位瑞利爵士还提出了一种光的散射模型(瑞利散射).该模型回答了无数人心中的疑问，那就是“天空为什么是蓝的？”.这时你可能不禁要问，这么多的Rayleigh出现在不同科研领域，他们是同一个人吗？ 答案是肯定的，他们都是凭借分离并发现氩气的出色工作而获得1904年诺贝尔奖的Lord Rayleigh.

除了上述的力学和物理领域之外，瑞利还在数学、气象学、雷达设计方面都有出色的工作，限于笔者的知识和篇幅所限，表1仅给出部分以瑞利命名的科学成果的一个列表.这其中有些成果实际上在笔者本科学习期间早已接触到，只是后来才知道瑞利的成就很多.

表1 以瑞利命名的科学成果列表

从表1可以看出，瑞利可谓是一个效率很高的科学家，这位出生在英国艾塞克斯郡的伟大的科学家，在77岁(1919年6月)时死于心脏病发作，然而在1918年和1919年瑞利分别发表了5篇和7篇论文，可谓是为科学奉献了一生.由于瑞利的博学和多产，瑞利被誉为维多利亚时代最后的博学者(Lord Rayleigh——the Last of the Great Victorian Polymaths)[10].在惊叹于瑞利的诸多科学成就之余，笔者也为瑞利开阔的视野和广泛的兴趣所折服.通过对瑞利在如此之多的科研领域中所作的工作做一个简单的回顾，本文也许能为现在所提倡的学科交叉提供一些启发.

3 工程力学领域的一些其他“跨界”科学家

由于工程力学的知识背景，笔者了解到在科学领域做出勇敢“跨界”的人还有一些典型代表，比如侵彻力学的创始人，法国著名数学家彭赛勒(Jean-Victor Poncelet，1788.7.1-1867.12.22).彭赛勒在1812年随拿破仑东征俄罗斯时被俘，在1814年获释之后担任力学教授，并在侵彻力学领域创建了著名的彭赛勒侵彻公式.彭赛勒设计了大量实验，首次定量地研究了侵彻过程，所总结出的彭赛勒公式至今仍在侵彻力学界广泛使用.他也因此被认为是终点弹道学创始人.然而彭塞勒更加广为人知的是在投影几何学方面的工作，并被誉为是现代投影几何学之父(a reviver of projective geometry).

在侵彻力学方面，还有3位著名的英国物理学家，他们分别是毕肖普(R.F.Bishop)，希尔(R.Hill)和莫特(N.F.Mott)，他们3人在第二次世界大战期间投身侵彻力学的研究，并创立了空腔膨胀理论(Cavity Expansion Theory，简称CET，1945)，为复杂的侵彻过程建立了严格的理论模型.其中莫特在1959-1971年之间任卡文迪许实验室主任，由于其在磁性和无序体系中的电子结构的相关工作而在1977年获得诺贝尔奖.

在华人力学家里，冯元桢(Yuan- Zhen Feng，美籍，1919.9-2019.12)也可谓是一个勇于“跨界”的人.20世纪40年代，冯元桢来到美国后，对塔科马吊桥被大风吹垮一事产生了极大的研究兴趣，创造性地提出了“空气弹性力学理论”，从而解决了航空架构和空气动力互相作用的问题，这是空气动力学领域突破性的成果.他的专著《Theory of Aero Elasticity》(《空气弹性力学》)，在1955年出版，这本书至今仍有很大的影响力.此外它所著的《A First Course in Contimuum Mechanics》(《连续介质力学导论》)也被誉为力学领域的一本经典教材.1957年，38岁的冯元桢在航空和空气动力学领域已经功成名就，并成为加州理工学院航空系教授.一次偶然的机会，冯元桢对医学进行了一些了解，并敏锐地觉察到生物体内蕴涵着丰富的新的力学问题.1966年，47岁的冯元桢开始全面致力于新兴交叉领域——生物力学(Biomechanics)的研究，并最终在生物软组织的本构关系、肺微循环及肺血流动力学、生物组织应力和生长之间的关系3个方面取得了标志性成果[11].冯元桢现为美国国家科学院院士、美国国家工程院院士、美国国家医学院院士，曾获得美国机械工程师学会“百年大奖”(1981)、国际微循环学会最高奖Landis奖、美国国家工程院“创始人奖”(1998)、美国科学最高荣誉“美国国家科学奖章”(2000)和堪与诺贝尔奖媲美的“拉斯奖”(2007).陶祖莱先生为冯元桢90华诞撰写的贺文中称冯先生“年过不惑，弃已获卓越成果的气动弹性力学领域，敢为天下先，开拓生物力学这一大跨度交叉的新领域”，赞誉冯元桢先生在学术和人格上达到了“独上高楼，望尽天涯路”的境界[12].

可喜的是，新一代华人力学家中，也涌现出了一批勇于挑战新领域的优秀科学家，比如中科院的赵亚溥教授，曾师从郑哲敏院士研究爆炸力学和结构冲击，并提出了著名的Zhao无量纲数，目前主要从事跨尺度力学和分子马达等方面的研究.还有锁志刚和黄永刚，这两位年轻的力学家目前也从事大量的与生物、新材料、医学和电子学相关的交叉学科研究，并在研究领域内已经取得了很好的成绩，在国际上享有盛誉.

4 几点思考

对以上著名力学家的一些科研成果和经历的简单回顾，会让人不禁发问，为什么他们能够在如此多的领域产生这么多具有普遍理论指导意义的成果？这些科学家的成长是否具有一些可以供我们学习的共同特质？思索良久，给出一些粗浅想法，供大家批评指正.

(1)扎实的数理基础和深刻的洞察力

首先，这些科学家们全都具有扎实的数理基础，并对事物的物理本质有着深刻的洞察能力.我想这是他们勇于探索新领域并取得骄人成绩的必要条件.学科的划分是具有一定的人为性的，而科学素养的培养正是要培养人们对于科学具有统一性的认识，学科的融合则能够促进科研工作者探究科学的本质.

(2)开阔的视野和卓越的见识

其次，他们都具有开阔的视野和卓越的见识，对科学发展的自身规律和科学技术的整体面貌也有清晰的把握和认识，并且能够准确地判断科学的发展方向和社会对于科学技术的发展需求，从而敏锐地发掘出新的科研方向.当然这也需要一些开辟新领域的勇气和魄力.

(3)本学院培养人才的方式

最后，结合本学院实际情况谈谈一些粗浅的想法，国防科技大学理学院融数学、物理、化学、生物、力学于一身，这些学科均为基础性学科，在培养学生的科学素养方面具有很大的优势，同时这些学科也极具交叉融合的潜力.笔者在本科时获物理学士学位，在此期间经历了数理学科的熏陶以及专业学习，虽现在从事工程力学方面的研究，但现在的科研工作从本科阶段的学习中获益良多.目前学院提倡本科教育“数理打通”，在这种培养理念下，为学生打下厚实的数理基础奠定了很好的条件.如果学院在研究生教育中能够打破学科壁垒，提倡交叉创新，给学生创造一个学科交叉融合的环境，必定能够取得更多、更好的教学科研成果，为军队培养出更多具有交叉创新能力的新型军事科技干部.

5 结束语

创新是国家发展的动力，而创新型人才的培养最根本需要培养学生扎实的数理基础、深刻的洞察力、开阔的视野和卓越的见识.目前针对很多高校大学生只注重专业知识的学习，却忽略数理基础的提升这一现象，笔者希望各高校能从老一辈科学家的成功经验中得到一些启发，重视数理教育，积极筹建交叉学科，营造多学科氛围，推动跨学科本科生、研究生和博士生教育的发展.

致谢

本文在国家留学基金委的支持下完成了部分调研工作,特表谢意.