力学之父--物理学家、应用数学家钱伟长的故事

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梁卫华
钱伟长(1912.10.9-),江苏无锡人。周恩来曾把他和钱学森、钱三强并称"三钱"。我国著名物理学家、应用数学家,被誉为"力学之父"。钱伟长64岁时涉足计算机,1985年提出了宏观字形编码(俗称钱码)输入法,对电脑中文输入的开发有重大贡献。
1943-1946年钱伟长与钱学森、林家翘、郭永怀一起在美国加州理工学院和喷射推进研究所,进行航空航天领域的研究。曾任清华大学教务长、副校长,中国科学院数学研究所力学研究社主任,力学研究所成立之后兼任副所长。在1953年,他参加起草新中国第一部宪法,1954年成为全国人民代表大会第一届人民代表,又是中国科学院学部委员,兼科学院的学术秘书。1983年1月12日调任上海工业大学校长。现任全国政协副主席,也是中国和平统一促进会会长。
一、清贫出身
钱伟长16岁那年父亲病逝,他回忆以前在乡村的生活说:"我幼年就深知生活贫困的艰辛,在进大学之前从来没有穿过一件新衣服,穿的都是叔父们小时穿旧了并经过母亲改裁以后的旧衣,腰部都是折叠着缝起来的。随着年龄逐渐放长,时间长了别处都褪了色,腰部就像围了一条深色的腰带。布鞋布袜都要补了又补,有的补到五六层之多,穿起来很不舒服,夏天干脆赤脚。为了糊口生活,争着帮助祖母、母亲和婶母采桑养蚕、挑花刺绣、拾田螺、捞螺蛳、捉田鸡、挑金花菜、马兰头、荠菜等田岸边上的各种野菜,放鸭子、摸小鱼小虾、湖边挑灯捉蟹、泥中拾蚌等各种能添补家用或助餐的活计。"
二、清华唯一身高低于标杆刻度新生
"幼年由于生活贫困,农村中卫生条件又很差,曾患过肠胃寄生虫病,疟疾、痢疾、肺病、伤寒等多种疾病。在缺乏医药的条件下,我终究还是活了下来,不过留下了一个发育不良的瘦弱体格。当我19岁进入大学时,身高只有1.49米,是全班最矮的一个,是清华大学多少年来唯一的一位测量身高标杆刻度以下的新生。"
就是因为他童年生活的困苦,养成了坚忍不拔,同情农民,敢为群黎疾苦吹与鼓的精神。
三、马约翰改变他的体质
钱伟长由于年幼体弱多病营养不良、身体衰弱,进入清华,他是全校最矮小的,连篮球都丢不到篮球框。在一年级时,他被同学拉去凑数参加一年一度的年级越野比赛。平时既无训练,也不知道越野赛有多远。钱伟长第一次在体育竞赛场上亮相,只能忍受困苦,尽力往前跑,坚持到底,得到了不算太差的成绩。马约翰看中了他那像骡子似的蛮劲儿,选他入大学的越野代表队。以后,每天下午4点半到6点锻炼时间,风雨无阻亲自指导他运动。
钱伟长到了二年级、三年级的时候,受了马约翰教授的影响喜欢运动,变成个运动员。他后来居然能跑能跳,400米中栏能跑57-58秒,万米能跑35-36分左右。在田径队,他曾和张光世、张龄佳、方纲等参加过北京五大学运动会和全国运动会;在越野队,他和张光世、罗庆隆、孙以玮、刘庆林被称为清华五虎将。他原先的先天不足,后天失调的病弱体格,在清华6年期间(本科4年和研究院2年)大大改善,毕业时身高1.65米。他的体育训练的习惯一直维持到40岁左右,到了60岁时,在教研组内跑万米还是跑在前面。
他曾说:"缅怀往事,在清华大学体育馆前大操场上,马约翰教授声音洪亮地向我们呼唤着:'Boys  of  victory!'这情景已隔半个多世纪,犹宛然如昨蕴藏在我心中。马约翰老师不仅使我得到身体健康和体力精力的锻炼,更重要的是使我得到耐力冲刺、夺取胜利的意志的锻炼。这对我一生在工作上能闯过不幸的困苦年代,能承受压力克服种种艰辛,而不失争取胜利的信心的斗志奠定了有力的基础。"
四、钱伟长的中学教育
钱伟长没有小学和初中的文凭。钱伟长的爸爸是教师,可是他却没有钱上学,爸爸或叔父在哪个小学里上课,就偷偷挤进去听课。如果父亲换学校,他也跟着换学校,所以常三天两头换学校,没有很好的念书。在进入苏州中学以前11年小学和初中,由于军阀战乱连连,经常停学逃难,或失学在家,真正上学的时间不到5年。国文和历史课更是家庭自学,看《史记》,读二十四史。他数学是一塌糊涂的,没有学过四则运算,平面几何只学一学期,立体几何和三角从来没学过,解析几何、大代数也更是莫名其妙。由于没有上过初中,他不知道物理,外语也没学过。
五、念文科的材料
钱伟长考了五个大学,他的历史和语文不是100就是99分,可是其他的都是20分、30分。他考清华大学,语文考100分,做了一首词,朱自清和闻一多看中他,认为他会念语文系;而历史系的陈寅恪出了一套题目是二十四史的卷数,作者跟加注的人,钱伟长全答对,给100分,陈寅恪以为他会念历史系。
钱伟长选了语文系,朱自清很高兴,把他召到家里谈。可是第二天就发生"九一八事变",日本一夜间侵占东三省。他一气愤觉得读文不能救国,想改系转念物理,第二天去找物理系主任吴有训教授,吴有训查看他入学考试的成绩,见到物理才考15分,中文考得这么好,建议他仍进中文系,说学文也可以救国,物理系难念,许多人被淘汰,毕业时只剩三分之一残存。钱伟长执着地立在那里不走。吴有训走到那里,他也跟到那里,缠了一个星期,吴有训没法子,就说:"你的热情我同情,你的成绩太差,我可以同意你学,可是你不能后悔。有个条件,第一年的大学普通物理、微积分、普通化学,三门课都要过70分。"
六、钱伟长在清华拼搏
这一年,他一天顶多睡五个小时,他是早晨六点起来,晚上学校宿舍是10点熄灯,由于宿舍厕所的灯是通宵开的,他就跑到厕所里看书,一直到12点才回去睡。钱伟长由于中学的物理、化学从来没有弄清楚过,数学是七零八碎的没有系统的学过,代数符号都搞不清,英文又不行。因此为了能留在物理系,达到科学救国,他决定怎样都要苦读,怎样难都要迎头赶上。
例如学微积分,中间有代数运算,他不明白,就问同学,他也找了几本中学教科书,问同学要查哪一节呢?同学告诉他要查那一节,他把中学教科书念完了、弄懂了。
他自以为是清华读书最用功的一个学生,结果有一天早晨六点就起来,走到一个他不常去的地方,忽然看见一个人老远的一摇一摆的走来,这人就是华罗庚!华罗庚一条腿残障,没有念过中学,利用时间去旁听微积分,靠自学、从不分心,一天到晚钻研数学,成为一个大数学家。钱伟长发现华罗庚比他还用功,华罗庚每天是三点就起来,当钱伟长六点钟起来时,他已经三个钟点的书念完了,在散步了,华罗庚这种拼搏的精神深深激励了钱伟长。
钱伟长时常以这个故事勉励年青的一代,不要以为自己数学不行就放弃,世上没有什么东西一辈子学不会,只要肯下决心,都能学好,可是得改进自己的学习方法。
七、以前读书的方法不行
他就赶快把中学的物理、化学、数学硬补,最初他用学语文的方法,什么都背,元素周期表,公式全背。背了两个月,得了神经衰弱,每次考试都很糟。清华大学每门课每星期一定有15分钟的小考,结果他考得一塌糊涂。同学看他这么用功,又考得真糟,非常同情他,对他说:"你不能这样学,死背是没有用的。你得弄懂它,不要背,懂了就行了,懂得了是不会忘的,你不懂的背下,不用三天就忘了。"
他才知道以前读书的方法不行。
八、钱伟长的大学学习方法
在1982年,他看到中国的高考制度,使得许多学生去背书,中小学生都像科举时代的书呆子,只会背书过日子。由于数学和语文两门考197分能进重点中学, 196分只能进一般中学。为了能进重点中学,学生只好死背书。
钱伟长看了很反感,他在清华工学院校庆时对学生演讲说:"这些背下来的东西有什么用呢?我说屁的用处也没有!在你们这些大学生里头,有许多是高分考进大学的。可是进校以后,我们发现他们当中不少人是高分低能。什么叫高分低能呢?因为在中学时靠背书过日子,到了大学以后,他的学习必然感到很困难,因为大学的书太厚了,背不下来了,他们觉得不适应大学的学习生活。所以我说,孔夫子那句话'学而不思则罔'还是非常重要的,有现实意义的。我们发现,现在很多大学里都有这样的一种情况,学生到了二年级时,神经衰弱症就出来了,睡不着觉。我听说各个学校都有那么一批学生,神经衰弱。这些是上大学后,仍然采用中学时代死记硬背的学习方法而产生的结果。"
他对这些学生介绍他的读书方法。他说他小时候是很会背书的,读四书五经,背了许多老书。到了高中,他可头痛,数学背不下来,数学成绩很差,学物理,背公式也没用,作习题还是不会,这时体会到"学而不思则罔"。有一位年纪大的朋友告诉他,中学物理只有13个公式,每个公式有3个变量,两个已知数,求第三个未知数,不是乘就是除。可是他把公式背熟,做题时就按不是乘就是除去套,可是因为他不理解,搞不清楚该乘哪一个该除哪一个。
上清华大学时碰到吴有训教授(解放后当了中国科学院的副院长),教普通物理,这课一年要上120堂课,吴教授把大学物理分成一百多个题目,每一堂课集中讲一个问题。例如他讲什么是质量?他先讲质量这个概念,从前人们是怎么认识,后来怎么认识,为什么会产生质量这个概念?接着又讲为什么质量不是重量,它和重量又有什么关系?在进一步讲人们如何根据伽利略的实验,证明了质量是一个独立存在的东西,然后进入牛顿三大定律。最后在讲现在质量怎么样量,他在国民经济中占怎么样的地位?量的时候用什么单位等等。
吴有训教授上课,会讲许多教科书都没有的材料,书上有定义的但他却讲得很少。一堂课再加上几个实验表演,讲完后,他说去看几本书,这本是第几页到第几页,哪一本是第几页到第几页。还有很多东西,他根本不讲,要学生自己看,看完了照样要考。开始时钱伟长不习惯这样的教法,后来他掌握学习方法后明白,吴有训是要学生学会思考而不是死记硬背,这改变、影响了他以后研究的方法。
他刚开始上大学时,上课记笔记,下课看笔记,考试背笔记,可是效果不好。他就向一位学习好的同学请教怎么记笔记。这位同学告诉他,上课时不要忙着记笔记,要坐在那里仔细听老师讲,老师问什么问题,你就动什么脑筋,真正听懂了你就记,听不懂就不要忙着记。他就照样模仿,可是后来觉得还是不行。他再跑去问这同学,这同学告诉他还有一条,上次没告诉他。每次下课不要就跑,要先好好的想一想,这堂课老师讲些什么?他有几层意思?每层意思的中心思想是什么?用一分钟的时间去思考一下,巩固一堂课的内容。如果觉得还不够,晚上把课堂上听的和下课后想的,写出一个摘要,大概一堂课不超过一页。而他就用这两个阶段记笔记的方法,发现效果不错。
可是钱伟长的一个同学叫林家翘,他的记笔记的方法更好,他的课堂笔记要整理两次。除了每天晚上整理一次,写出一个摘要外,每个月后,他还要重新整理一次,把其中的废话删掉,把所有的内容综合起来,整理出一个阶段的学习成果。每学期结束时,一门课的笔记经过综合整理后,只有大约18页的薄薄一本,温习时,边看边回忆边思考。因此林家翘把老师和别人的东西,经过自己的消化思考,变成自己的东西,他的成绩总是名列前茅。以后成为美国麻省理工学院教授及美国科学院的院士。
九、留学前夕开创力学新理论
1939年钱伟长和林家翘、段学复、傅承义、郭永怀、张龙翔等九位西南联大学生考取了第七届留英公费生。本来力学只录取一名,可是钱伟长和林家翘、郭永怀三人考分总分却是一样,于是破例三人同时录取。
他们本来是准备9月2日到达香港,却由于第二次世界大战爆发,所有去英国的客轮全部征作军用,他们只好返回昆明,等候另外出发的日子。回到昆明,钱伟长从王竹溪教授借到一本拉夫著的《弹力学的教学理说》,知道当时国际的弹性板壳理论非常混乱不仅板壳分开,而且各种形状的板壳都有不同的方案。于是他决定研究一种统一的,以三维弹性力学为基础的内禀理论。他利用高斯座标的张量表达的微分几何来表示变形和应力分量,成功地获得新的统一内禀理论。
十、留学生的爱国情怀
中英庚款会在12月底又通知这批留英学生,在1940年1月底,去上海集合,通过海运转加拿大留学。这一批22人留学生上船后,惊异地发现护照上有日本签证,允许他们在横滨停三天并上岸游玩参观,同学们认为当时日本帝国主义已蚕食中国半壁山河,不能接受侵略者的签证,于是全体同学携行李下船登陆,宁可不留学也不能接受这种民族的屈辱。
他们第二次放弃留学,英国代表对这批学生的爱国举动跳脚蛮骂,他们还坚持民族尊严返回昆明。
直到1940年8月初他们第三次接到通知,再到上海集中乘船去加拿大。这次总算顺利横渡太平洋,28天之后到达温哥华,然后乘火车转到多伦多。他们去多伦多大学读研究所,钱伟长、林家翘、郭永怀同时读应用数学系,钱学弹性力学,而后二人学的是流体力学。
十一、名师指导 莺啼初唱
钱伟长的指导教授是辛祺(J. Lsynge),他原来是英国皇家学会会员,是英国有名的应用数学家。由于1939年爆发第二次世界大战,德军大规模空袭伦敦,辛祺教授转移到加拿大,在多伦多大学创建了北美第一个应用数学系。
钱伟长和辛祺教授第一次面谈时,发现两人都在研究弹性板壳的统一内禀理论,辛祺教授研究的是宏观理论,钱伟长研究的是微观理论,钱伟长详细汇报了他在昆明研究的成果,辛祺教授拍案叫绝,他说:"你的博士论文的主要内容已经完成,不必介绍了。去详细完成具体计算任务吧!你已经是一个合格的应用数学家,你已经懂得重视物理观念的深化认识,同时也懂运用现代的数学工具简洁地描绘物理观念的认识。"
辛祺教授高兴地决定要在一个月中用两人已得的研究成果,分两段写成一篇论文,送交美国加州理工大学航空系主任冯·卡门教授60岁的祝寿论文集。这个论文集1941年夏季刊出,集中共刊出了24篇论文,作者都是第二次大战时集合在北美的一批知名学者,如爱因斯坦、老赖斯纳(Hans Reissner麻州理工大学弹性力学教授),冯·奈曼(von Neumann,电子计算机发明者),铁木申科(S.Timoshenko板壳弹性力学教授),柯朗(R. Courant,应用数学权威)等,钱伟长是唯一的青年学生,而且是中国的青年学生。
这篇文章发表以后,几十年间深受国际弹性力学、应用数学以及纯数学界的重视。在1982年美国的噶拉克(R. H. Gallagher)教授在上海提到:"钱教授关于板壳统一内禀理论,曾经是美国应用力学界研究生在40-50年代必读的材料,他的贡献对以后的工作很有影响。" 荷兰工程力学教授哈里·鲁登(Harry S. Rutten)在他的名著《以渐近近似为基础板壳的理论和设计》中推崇这论文:"辛祺和钱的工作,继承了19世纪早期柯西(A. Cauchy)和布桑(S. D. Poisson)的工作,在西方文献中重新注入了新的生命力。"
十二、成为上海工业大学校长
1983年中央决定将他调任上海工业大学校长。作为校长,他提出了拆掉四堵墙的办学方针。即拆掉学校与社会,校内各学科之间,教学和科研之间,以及教与学之间的墙。
他认为现代科学技术的生长点是跨学科的,或具有交叉学科的特点,因此必须逐步努力打通这些学科之间的人为界限,拓宽专业。他要求学校里每一个学科,都要把电子技术和计算机技术渗透到自己的学科发展中间去。
他反对照本宣科的教书匠式的教学。他说科研要从小题目做起,凡是对国家建设有利的题目都可以做,不要人为规定科研方向,多做科研,方向自然就形成了,科研题目多得很,科研作出成绩并不难,也不神秘,科研是培养人才的根本途径。
十三、新知识很快过时、教学要有新方法
当今世界科学技术与文化学术飞速发展,人们的新知识很快变老化过时,那种以为学生只有通过老师"教"才能"学"的传统教育思想,已不能满足当前高级教育的需要,从而应该逐步加以废除。
他说大学的宗旨就是要把一个需要教师教才能获得知识的人,培养成不需要教师却也能获取知识,即无师自通的人。如果学生毕业还是不教就不会,那就证明你办教育失败了。
因此他提出要改革传统的教学方法,培养学生有自学能力,在工作中能不断自己学习新知识,面对新条件能解决新问题的人。
他主张课堂上只讲这门课的核心精华部分,提纲挚领地把几个观点交代清楚就行了;知识性的东西不讲,让学生自己去看,然后点几个中心内容,问几个问题,介绍一些参考书,让学生课后自己深入地研究。他认为,最好不要照讲稿念,要培养学生的自学能力。
他曾在机械系的一个班上上普通物理课时,仅用三分之一的时间授课,其余的时间主要让学生在教师指导之下自学,使他们掌握学习规律的方法。这些学生提高了自学能力,在期终考试取得了优于传统课堂教育更好的成绩。
1988年,国家教育委员会主持的全国高等学校评估,给上海工业大学做了如下的评定:"上海工业大学办校29周年,几经周折,直至党的十一届三中全会以后才真正走上较快发展与提高的道路。钱伟长校长高瞻远瞩地对学校的改革发展和提高,起了积极作用,在教学改革中、学科建设、教师队伍建设、开拓国际学术交流渠道等方面,作出了重要贡献。学校努力来适应上海工业和经济发展的需要,培养输送高级专业人才,承担科研任务,选送科研成果,开展科技服务,办学指导思想是明确的。"
这是对他办学成绩的肯定。
十四、对汉字计算机输入的贡献
在80年代,钱伟长对电子计算机开始有兴趣。他在1991年10月11 日在上海工业大学对学生讲话,讲述了他学电子计算机的经过:
"……有人叫我'力学之父',台湾人这么叫,其实我没学过力学。因为需要,我就学。"
"文化大革命中把我弄到钢铁厂,做车工。我的螺丝车出来很好,我很有操纵能力。"
"后来把我调出来,说要到美国去,五天之内离开国家,我连衣服都没有,借了一套穿。周总理让我研究一样东西,是环保,那时国内没有环保,我就去了。我为了国家把环保问题研究透彻,回来写了那样厚一本报告,根据这个,国家成立了环保局、环保研究所。你看我改行多厉害。"
"在美国访问时,有位"计算机专家"是"四人帮"的人,对计算机一窍不通,打着计算机专家的招牌。人家考他,问他计算机问题,他什么也说不出来。他没办法,让我当他的翻译。"
钱伟长没学过计算机,见也没见过,就自己看资料自学,就这样学会了计算机,而这时钱伟长已是64岁的人了。1980年,钱伟长率团参加了在香港举行的国际中文计算机会议,当时IBM的中文输入计算机,是日本人设计的,一个很大的键盘上有1920个中文汉字,常用字放在一块板,次常用字放在第二个板上,一个字总是几部分组成,每个部分点一下字就出现了,叫三角码方法。王安公司把IBM的中文计算机键盘简化,但偏旁部首仍有100个,还是一块大的板。
这些公司要钱伟长买他们的产品,钱伟长说:"你们这个是落后的,那么大的键盘,我们受不了。我们走我们自己的道路,两年后我再和你们见面。"有人轻蔑的说:"你们干这个太困难了,不如采用他们的大键盘中文计算机来的容易。" 钱伟长认为计算机中文输入关系10亿人口的前途,中国必须掌握这一技术。1981年6月中国成立中文信息研究会,他当选为理事长,他一头埋进发展中国电脑的事业。钱伟长发现汉字可以宏观识别,无须字字笔画明察,可以望文生义,于是在 1985年提出了宏观字形编码(俗称钱码)法。他编码是把汉字151种基本部件按形状相似、相近归类,定义在39个键位上,便于联想,记忆量少,易学易用。钱码以高速易学闻名于世,曾获得1985年上海科技发明奖,在 1986年北京的全国编码比赛中获得了甲等奖,并为IBM机所采用。
十五、当代李冰--活用知识解决水利工程难题
钱伟长除了在科学研究方面的卓越成就,还被人民誉为"当代的李冰",因为他利用专业知识解决了最少两桩影响民生大计的水利工程难题:
第一,解决黄河改道的千古难题。历史上黄河经常不规则改道,洪水泛滥带来无穷灾害。钱伟长通过研究发现,黄河改道是由于黄河开口有澜门沙的堵塞,春天时冰凌破堤冲开缺口造成的,只要给河水保持舒畅的通道,黄河开口就完全稳定。钱伟长对黄河水利委员会建议:用大水船从黄河汲水冲沙,水翻起来把沙带走,黄河开口的河道就疏通了。结果10多年黄河没有发生过冰凌,黄河出口稳定,现在黄河开口处不但建了个万吨码头,以前由于黄河开口不稳定没人要的500万亩土地,现在变成棉花和粮食生产基地。
第二,解决福建马尾码头的积沙问题。1975年福建花了6亿人民币在马尾开港建码头,只过了一个月,泥沙就沉积到离码头只有1米深处,船靠不上岸。从上海租了拖泥船,花掉800万元挖了一个月,可是刚挖好很快又被沙淹没了。如果在对岸再修码头要花9亿元,省里没钱,没法办。1981年钱伟长到福建视察,提议用《汉书》记载的"束水冲沙"的方法:从对岸筑一条卵石堤岸到江里,挡住一部分江水,让北岸的水流量增加。结果泥沙一下子就被水流冲低了11米深,马上通航。全部工程只花了90万元,现在马尾是福建的主要码头,万吨级的码头有四个。