[原创]科学方法漫话（8）锐意创新 超凡脱俗——四谈科学创造：案例分析 - 戴世强的个人空...

科学方法漫话（8）锐意创新 超凡脱俗——四谈科学创造：案例分析

上一篇 / 下一篇  2010-02-02 15:23:28 / 个人分类：科研方略

查看( 11 ) / 评论( 0 ) / 评分( 0 / 0 ) 这是关于科学创造的第四讲。前面，我们从创造心理学的角度，阐述了创造的定义、内涵和类型，这里想做一些案例分析，以钱伟长先生1940年代所做的关于弹性圆薄板大挠度理论研究[1,2]为线索，对前几讲所述的内容加以例证，以期青年朋友们对于科学创造有更加实际的认识，并在自己的科研实践中加以应用和发挥。 • 选题背景 上个世纪三四十年代，随着工农业生产的发展，尤其是航空工业的迅猛进展，大批薄板薄壳结构投入应用，随之出现了大量的非线性大变形问题，使得习惯于处理线性问题的学术界面临严峻挑战，非线性力学成了研究热点。对于这类新问题，由于叠加原理失效，许多传统的数学方法不再适用，而当时的计算技术不发达，许多新方法应运而生，其中渐近方法（包括摄动法）是最重要的一种。钱伟长先生敏锐地把握了这一重大机遇，适时地把大变形问题列为自己的主攻方向之一，并选取圆薄板大挠度弯曲这一相对简单而典型的问题作为研究的切入点。他特别注意新方法的创造，喜欢别出心裁，另辟蹊径，这里所引的两篇论文就有两个了不起的创造：被后人称为“钱伟长法”的逐次近似法（参数摄动法）；世上首次提出的合成展开法（奇异摄动法的一种）。 • 思路创新 文[1]中的思路创新是：采用卡门的非线性薄板大挠度方程，建立以薄膜解为基础的渐近型的数学模型；文[2]的思路创新更为突出，把流体力学大师普朗特建立的边界层的思想移植到固体力学领域，而且一改边界层理论中固有的分区求解的传统思路，设法一次性地求全域的解。这些新概念、新思路前所未有，给非线性力学问题的近似处理吹来一股新风！ • 方法创新 这两篇论文的方法创新最有可圈可点之处。经仔细研读，我发现，文[1]实际上是固体力学领域第一篇采用“参数摄动法”的论文（参看[3]及所引文献），也就是说，在对因变量作摄动展开的同时，对其中的参数也作摄动展开。最令人匪夷所思的是：钱先生竟把待求的中心绕度（即弯曲度）作为摄动小参数，出奇制胜，效果极好。文[2]使得钱伟长先生成了“合成展开法”的开山鼻祖，他把边界层的内外解放在一起，同时作摄动展开，并采用“外解对内解（边界层解）有影响，内解对外解无影响”的基本假定，求得了边界层问题的统一解。此举是对普朗特边界层理论的重大革新，人们不必分别求内外解，通过匹配，再合成求解，避免了繁杂的匹配过程。可惜的是：此文发表在《清华大学理科报告》（1948）上，当时我国正值解放战争，这一结果久久不为人们所知，1956年，美国的Bromberg才重复了钱伟长先生的工作。可见，钱伟长先生的思路和工作比洋人领先了八年！直到1970年代，国外才将这一方法命名为“合成展开法”。 • 结果创新 钱先生在他的论文里，把所得的结果与其他学者的实验结果进行了比较，结果完全吻合，大大改进了前人的同类理论工作。文[2]的结果表述得非常精致。解放后，钱先生的理论和计算经过学生们的反复验证，发现他算得非常精确。有关计算相当繁复，要知道，那时电子计算机刚刚发明，尚未普及，钱先生的所有结果都是用手摇计算器算出来的！钱先生的这两项工作为弹性板壳的大挠度计算开了先河。解放后，钱先生率领一群学生（如叶开沅、胡海昌等）继续对这一问题进行了全方位的探索和研究。钱伟长先生因此获得了我国首届评议的国家自然科学二等奖（1955年）。 通过解剖这个麻雀我们可以有如下认识：——科学研究必须选择前沿性课题攻关，这样最能掘到“第一桶金”；——科学发现来自打破常规、锐意创新；——科学研究必须十分注意方法论，关注在思路和方法上的创造性，只有这样，才会有超凡脱俗的结果。 再过四天将是钱伟长先生的九七华诞，谨以此文献给他老人家，祝愿他身体健康，长命百岁！而作为庆祝他寿诞的最好行动是：更加深刻地了解他的学术理念，学习他生生不息的科学创造精神，在各自的岗位上发愤工作。老先生已经做不动科研了，我们后继者要踏踏实实仿效他，在科学创造上狠下功夫，把老先生为之奋斗终生的事业代代相传地继续下去！ 参考资料 [1] Chien Wei-zang（钱伟长）, Large deflection of a circular clamped plate under uniform. pressure, Chinese Journal of Physics, 7(2), 102－113 (1947). 也可参看《钱伟长科技论文集》，福建教育出版社（1989）169－178。[2] Chien Wei-zang（钱伟长）, Asymptotic behavior. of a thin circular clamped plate under uniform. normal pressure at very large deflection, The Science Reports of National Tsing Hua University, 5(1), 71－84 (1948). 也可参看《钱伟长科技论文集》，福建教育出版社（1989）193－208。[3] 戴世强，论钱伟长的治学理念和学术风格，力学进展，(2003)，33(1)：4－20。 写于2009年10月5日晨