2019, Vol. 9
《科学与社会》杂志发起讨论“中国的科学创造力卡在哪里”的问题，希望我也参与。这是个很大的题目，由于本人知识有限，更谈不上有大的科学创造的经验，因此本不该就此发言。但由于中国科学创造的现状的确不能令人满意，探讨一下也无妨，因此就结合我本人从事的力学领域（或更具体一点是流体力学）谈一点看法。
一、基础科学的发展是否要面向应用，还是应保持其纯科学的性质在如何发展力学上，上世纪80年代在我国曾经有过一次争论。一种观点认为力学是基础科学，因此就应该按基础科学的路子去发展。也就是说，要强调科学上的创新而不宜强调面向应用。另一种观点则认为力学应该按技术科学的路子发展，即面向技术发展的需求而发展相关的力学。
100多年前，恩格斯曾经说过，“社会上一旦有技术上的需要，则这种需要会比十所大学更能把科学推向前进”。看来恩格斯的观点是接近后一种看法的。而20世纪以来力学学科的发展似能证实恩格斯的论断是对的。
就力学而言，成为科学的标志应该是牛顿在1687年发表了“自然哲学的数学原理”。1764年，纺织机和蒸汽机先后出现，标志着近代工业的开始。这两项发明虽然晚于牛顿力学的出现，但实际上并没有用到力学，而是靠实践经验发明的。
20世纪之前，新技术的出现相对来说并不快，对力学的要求也不迫切。因此，到20世纪初，和现实问题多少有点关系的力学经典著作只有两本，都是英国人写的。一本是弹性力学，一本是水动力学。弹性力学中引进了固体的弹性变形和应力成正比的假设，这是牛顿力学中没有的。而水动力学中则因为没有考虑水的粘性和可压缩性，并没有超出牛顿力学的范畴，完全可以从牛顿力学通过逻辑推理而导出。当时虽然已有了轮船、大炮、高层建筑等，但都可以在上述力学范围内，加上经验设计出来。而如水利工程、城市水管网等，则可应用半经验的水力学解决。
20世纪初，美国莱特兄弟试飞了第一架有动力的飞机，象征着航空技术的发展已箭在弦上。而飞机和在地面运动的车船不同，必须事先有可靠的设计，否则很容易机毁人亡。这对力学的发展起到了决定性意义的推动作用，很快地推动了粘性流体力学和空气动力学的发展。而随着飞行速度的提高，又要考虑跨声速和超声速的空气动力学问题。另一方面，为了使飞机的重量尽量轻，除了用轻金属外，飞机的骨架和蒙皮都要尽可能地薄，于是从一般的弹性力学发展出了弹性板壳力学和薄壁杆件力学。而随着金属加工和金属构件等设计的需求，又出现了塑性力学。而在这些新的力学分支中，每一种都要引进新的物理量和概念，而这些物理量和概念不是仅用逻辑推理就能从牛顿原来的力学中推导出来的。目前，由于飞行器的飞行速度和高度不断增加，又引出了不少新的问题。例如飞行器周边的气体温度很高，导致气体离解或产生化学反应。而由于飞行速度很高，这些现象的发生都是在一个很短的时间内，由此而出现了不少用已有的物理或化学理论或方法无法定量描述的问题。这些问题的解决，需要将力学和物理（力学以外的分支）及化学等结合起来，在解决力学问题的同时，也会丰富物理和化学学科的内容。
相反，上世纪也有人想将力学变成像几何学那样，从几个基本原理出发，只用逻辑推理推出所有的结果。结果当然是不成功的。
同样，在上世纪80年代，从一个针对某一气象现象推导出的简化方程的求解过程中，发现了“混沌”现象。于是有人就不再针对具体的气象中的问题，而只是从数学的角度研究某些方程对应的混沌现象。结果是，脱离了物理对象而做的研究，并没有对解决实际问题起到多大作用。对“混沌”的研究，也就渐渐地退潮了。
以上是从历史和宏观的方面，说明力学的发展的确主要是由技术发展的需求而推动的。在解决技术发展（如航空航天技术）中出现的力学问题时，同时也丰富了力学的内容，从而推动了力学的发展，形成了新的力学分支。
但力学的具体发展，是通过一个个人的工作而实现的。为了说明就个人来说，如何在工作中体现上述过程，我愿以自己的经历加以说明。
二、科学创新的一条有效途径：从技术发展的需求中提炼并解决科学问题在科学创新上，首要的问题是选择什么问题去研究。
我年轻的时候，中国的科学技术水平很低，想要找研究题目，往往只能从文献中去找。因此，基本上是跟着先进国家的路子走。我从1956年开始试着做科研，一直到1966年“文革”开始，期间虽然写了几篇论文，曾得到一些年长学者的肯定，其实谈不上有什么原始创新。
进入70年代，我有机会被邀请去参与六机部所属的一个航海仪表厂对“气体动压轴承二自由度陀螺仪”的研制。当时他们在研制过程中遇到了一个难题，陀螺仪的转子一启动，轴承就会卡死。在理论力学教科书中有刚体绕定点转动的问题，典型的例子就是陀螺仪。但那里所讲的显然与我们遇到的问题无关。当时（后来知道）美国已有以这类陀螺仪为核心的导航仪，但由于一点详细资料都没有，也不知道他们是否遇到过同类问题。所以我们只能参考能找到的一些零星资料，自己想办法解决问题。经过两年的努力，解决了问题。客观地讲，在力学的原理上，并没有什么新东西，但在综合运用不同范围的力学来解决实际问题上也还是有一点创新。最近遇到我国研制惯性导航仪器的主要单位之一的负责人，他说他们在研制过程中，仍然会参考我在当时解决问题后和上海交通大学的刘延柱教授合写的一本书。可见当时的研究是有一些价值的。
改革开放后，在相当长的一段时间内，虽然我国的经济发展很快，但技术水平的提高基本上是靠引进先进国家的技术，对自己的创新没有迫切的需求。因此，就我本人来说，研究课题仍然基本上是从文献上找。虽然在一些问题上做得比外国人好，也得到了他们的承认，但性质是解决别人提出的难题，自己仍然提不出新的问题。
但在我国的国防领域，情况有所不同。由于国外对我们的封锁，不少技术问题必须自己研究。过去由于原来的体制，在我国民口和国防口的人员在业务上基本上没有交流。而国际上，例如美国，国防领域和民用领域的技术人员是有交流渠道的。近年来，我国在这方面有所改进，我们在一定程度上有了和国防领域的同行交流的渠道。下面就说说由此而得到的创新机会。
航空航天技术的需求，是推动力学发展的主要动力之一。由于航空技术发展得早，已经积累了大量的经验，又可以在地面做很多实验，因此相对于航天技术，目前还迫切需要解决的新问题较少。而航天技术牵涉的飞行速度和高度的范围比航空技术的大得多，新问题自然也更多。
近年来，航天技术的一个新动向就是大国都在研制能以十几倍至二十几倍音速长距离飞行且又能靠空气动力机动飞行的飞行器。要靠空气动力机动就要在大气中飞行，而要能长距离飞行则又必须在比较高的高空飞行，否则空气阻力太大。这两个因素使得原来的空气动力学显得有不足之处。原来的空气动力学一般假设空气是连续介质，其控制方程是Navier-Stokes方程。基于这个方程，已经有了比较成熟的计算方法并形成了空气动力学的一个重要分支，即计算空气动力学。我国的学者在这方面做了很多工作，有很重要的贡献，在国际上也处于前列。
但在上述新的速度和高度都提高了的情况下，原来很成功的计算空气动力学却不能提供工程设计所需的足够精确的计算结果。我和张涵信院士一起分析了可能的原因。
在连续介质假定下粘性流体的控制方程，即Navier-Stokes方程，原先是一个唯象方程，其中引入了一个粘性系数，它要由实验确定。气体是流体的一种形式，但和液体不同，他的粘性系数原则上可以从气体的分子运动论推导出来，条件是知道气体分子热运动速度的分布函数。而当气体在宏观上是静止的条件下，他的分子运动速度的分布函数是已知的，即Maxwell分布。
当气体有宏观的运动，因而速度或温度不均匀时，会有宏观上的剪切力和热传导。相应地，其分子热运动速度分布函数将偏离Maxwell分布。这时，传统的分子运动论中一般假设在速度梯度和温度梯度等不太大的情况下，可将分子热运动速度的分布函数展成某一小参数的级数，其零级近似对应于流体的无粘方程，即Euler方程。一级近似对应于Navier-Stokes方程，二级近似对应的是一个很复杂的方程组。这样做的条件是速度梯度和温度梯度等不能很大。而且，即使满足了这一条件，有时还出现二级近似方程并不能提供比一级近似方程，即通常的Navier-Stokes方程的解更好的结果，而计算工作量却要增加很多的情况。
还有一种做法是不像通常那样用流场的速度、温度等作为未知函数，而直接解气体分子运动论的基本方程，即Boltzmann方程。但这个方程是如此复杂，不做近似无法求解，而且也无法给出在流场的边界条件。因此，也要做各种近似，而且计算工作量也是工程计算无法忍受的。
为解决这一问题，在前面所提到的飞行器的速度和高度不断提高的条件下，我们分析了一个简单的例子。在该例子中，在流场的某些部分，例如在飞行器壁面附近，沿壁面法向相差一个分子自由程的两层气体，其宏观速度有很大的差别。我们认为，如果这个差别相对于当地气体分子热运动的平均速度不是一个小量，则气体分子热运动速度分布函数一定会显著偏离Maxwell分布。也就是说，现有的各种近似假设都不可取。而从上面的分析，可以提出一个决定这个偏离程度的参数Zh：
| $Zh=\frac{{\lambda \times \left|{\rm grad}( v) \right|}}{{u}}$ |
其中
因此，出现的新的科学问题就是，当参数Zh的值增大时，气体分子热运动速度的分布函数是否的确会显著偏离Maxwell分布，这种偏离，对气体的宏观物理参数，特别是粘性系数，热传导系数等会有什么影响。
这个问题，无法用物理实验来解决。也无法从气体分子运动论的基本方程，即Boltzmann方程出发来解决。幸而对于气体分子运动，有一个经过几十年考验的数值模拟方法。它直接模拟大量气体分子的运动，包括它们相互之间的碰撞。从中可以通过统计方法得到气体的宏观物理参数。这个方法称为“蒙特卡洛直接模拟法”。
我们通过对简单剪切流的模拟，发现当上述参数Zh增大时，气体分子运动速度的分布函数的确会越来越偏离Maxwell分布。
接下来的问题就是，这种偏离对气体的宏观参数，具体来说就是气体的粘性系数会有什么影响。结果发现，气体的粘性系数会随着Zh的增大而变小，而且变小的程度和Zh值是一一对应的关系。而对气体热传导问题则要用另一个参数。也是随着该参数的增大，气体的热传导系数会单调减小。
有了这一具有规律性的结果，我们提出了一个在工程技术中能很方便地应用的计算方法。初步看来，这一方法是正确和有效的。
举这个例子的目的就是要说明如何从技术发展的需求，提炼出相应的新的科学问题。通过对科学问题的研究，找到解决技术问题的方法。而且，还要考虑在解决技术问题中如何纳入新的科学成果而又不使问题复杂化。这后一点也是很重要的，因为如果应用起来很不方便，也会使得从事工程技术开发的人员无法利用这一新的成果。
因此，就我个人的看法来说，在力学上创新的主要途径就是要从工程技术发展的需求中发现并解决有关的科学问题。为此就要深入了解具体的工程技术，而不是从书本或他人的论文中去找问题。其实，这就是钱学森先生提倡的发展力学的途径。
需要指出的是，这种发展力学的途径，力学并不是完全被动地适应技术发展的需求。当力学得到发展的同时，还可以促使新技术的发展。上面所提到的新的飞行器，其实就是基于钱学森先生几十年以前提出的概念。钱学森先生因为既是力学大师，又对航空航天技术有深入而具体的了解，因而能在发展力学的基础上，预见到新技术发展的可能性。这是我们从事基础研究的人值得好好思考的地方。不仅能解决已有的问题，还能预见技术发展的新的可能性，才配称为一个顶级的科学家。