力學家為何難獲諾貝爾獎？

劉建林

眾所周知，舉世聞名的諾貝爾獎是以瑞典著名化學家、硝化甘油炸藥的發明人阿爾弗雷德·諾貝爾的部分遺產（3100萬瑞典克朗）作為基金創立的。諾貝爾獎分設物理、化學、生理或醫學、和平、文學和經濟6個獎項，以其基金每年的利息或投資收益，授予前一年世界上在這些領域對人類做出重大貢獻的人。在眾多世界級科學獎勵中，諾貝爾獎被公認為最高級別的獎項，它會為獲獎科學家帶來至高無上的榮譽。

但是令人遺憾的是諾貝爾獎中沒有設立與數學相關的獎項。有人猜測說諾貝爾的女友最終嫁給了一位數學家米塔-列夫勒，故而諾貝爾一直耿耿于懷，而在設立該獎時把數學排斥在外。實際上這種說法是經不住考證的。從諾貝爾的科學觀來看，諾貝爾成為19世紀的著名發明家和實業家，其主要原因在于他擁有敏銳的直覺和非凡的創造力，不需要借助于深奧的高等數學知識。在諾貝爾所處的19世紀下半葉，化學領域的研究跟高等數學的結合并不緊密。因此諾貝爾本人根本無法預見或想象到數學在推動科學發展上所起的巨大作用，因此忽視了設立與純粹數學及應用數學有關的獎項。

這種結果導致了與數學密切相關的力學學科中的很多著名科學家都未能獲得諾貝爾獎。例如上個世紀的三大力學家普朗特、杰弗里·泰勒和馮·卡門都沒有得到諾貝爾評獎委員會的青睞。普朗特在邊界層理論、風洞實驗技術、機翼理論、湍流理論等方面都作出了重要的貢獻，被稱作“空氣動力學之父”。杰弗里·泰勒的研究對流體和固體力學及它們在氣象學、海洋學、航空學、水力學、金屬物理學、機械工程和化學工程的應用等方面都具有重要的價值。他是知名的實驗家和理論家，能夠憑直覺并運用最簡單的方法發現新現象。馮·卡門是20世紀最偉大的美國工程學家，開創了數學和基礎科學在航空航天和其他技術領域的應用，被譽為“航空航天時代的科學奇才”。而當今健在的哈佛大學教授賴斯（Rice）由于在斷裂力學和地震方面的貢獻也曾經得到過諾貝爾獎提名。但是這幾位影響和改變了人類生活面貌的力學家并沒有得到諾貝爾獎，這確實令人扼腕嘆息。

力學家很難獲得諾貝爾獎的一個很大的原因是由其學科屬性所決定的。力學或者說應用力學是建立在牛頓力學基礎上，研究宏觀物體的機械運動和變形的科學。它是物理學最早的一個分支，但是自從流體力學出現，它與傳統物理就分道揚鑣了。此時的力學主要傾向于用應用數學的理論去解決工程實際問題，而近代物理則更多地注重研究微觀粒子的規律。力學也被錢學森定義為“技術科學”，是銜接工程與數學、物理的橋梁；在西方，力學有時候也指應用數學。故而與更多關注原創性成果的物理、化學、生物、經濟等領域相比，力學家更加關注應用，因而與諾貝爾獎的初衷有所出入。值得慶幸的是，盡管諾貝爾獎中沒有數學獎或者力學獎，也有幾位力學家因為其開創性的研究獲得了諾貝爾獎。實際上，力學的邏輯和工程思維訓練對于他們的獲獎也有很大益處。這些幸運的力學家主要有以下幾位。

瑞利——諾貝爾物理獎得主

瑞利（Rayleigh，1842～1919）是英國物理學家，1873年被選為英國皇家學會會員，1879～1884年任卡文迪什實驗室主任，1905～1908年任英國皇家學會會長，1908年起任劍橋大學校長。他的研究工作幾乎遍及當時經典物理學和力學的各個領域，一生共發表了400多篇論文。瑞利在彈性動力學領域指出：在地震中應當存在一種沿自由表面傳播的偏振波，后被稱為瑞利波或者L波。瑞利也提出了直接求解變分問題的瑞利（Rayleigh）近似方法，并應用于求解工程振動問題的固有頻率。在流體力學領域，他研究了液體在表面張力作用下的失穩，稱之為瑞利失穩。

盡管瑞利在力學上有諸多貢獻，但是他獲得諾貝爾獎卻是因為在1895年發現了氣體中的一個稀有元素——氬（Ar）。當時他發現從液態空氣中分餾出來的氮，與從亞硝酸銨中分離出來的氮，有著極小的密度差異。但是他那經過嚴格數學邏輯訓練的大腦使他具備一種嚴謹的科學態度，不輕易把千分之幾的數據偏差歸結于實驗誤差，因而沒有與諾貝爾獎的桂冠失之交臂。

瑞利一生發表了許多學術論文，他文筆清雅暢達，所寫文章大多有嚴格的數學證明，定量十分準確。后來，他把自己的論文整理為一部五卷本的論文集。論文集的開頭，他寫下了這樣的言詞：偉大精深啊/上帝造物之奇妙！/研究探索吧/求得世界奧秘/樂在其中矣！

布里奇曼——諾貝爾物理獎得主

布里奇曼（Bridgman，1882～1961）是美國著名的實驗力學家和科學哲學家，是操作主義的創始人。他曾當選為美國科學院院士和英國皇家學會會員，并于1942年擔任美國物理學會主席。布里奇曼因發明產生很高壓力的裝置及利用這一裝置在高壓物理領域內所做出的貢獻，而獲得了1946年諾貝爾物理學獎。

一位美國學者評價布里奇曼的工作時說到：“幾乎沒有任何其他物理學領域能夠與高壓物理學相比，高壓物理學主要是一個人的工作。”從1905年開始，布里奇曼就研究了物質在高壓下的力學性能。他創建了一種新的高壓裝置，可產生10 GPa（十億帕斯卡）的壓力。他利用該裝置，廣泛地研究了100多種化合物在高壓下的物理性能，如壓縮性、電導、熱導、拉伸強度和粘度等。在金屬材料的力學性能方面，他發現金屬的塑性變形與施加的靜水壓力關系不大，而受剪應力的影響較大。這些結論已經廣泛應用于塑性加工、機械、材料、土木、水利、航空航天等領域。

玻恩——諾貝爾物理獎得主

馬克斯·玻恩（Max Born，1882～1970）是德國猶太裔理論物理學家，是量子力學的奠基人之一。玻恩因對量子力學的基礎性研究，尤其是對波函數的統計學詮釋，獲得了1954年的諾貝爾物理學獎。玻恩還和海森伯、約爾丹等人用矩陣這一數學工具研究原子系統的規律，創立了矩陣力學，這個理論解決了舊量子論不能解決的有關原子理論的問題。在他早期的科學生涯中，玻恩的興趣集中在點陣力學上，這是關于固體中原子怎樣結合在一起和如何振動的理論。玻恩曾與馮·卡門合作在1912年發表了關于晶體振動譜的論文。1925年玻恩寫了一本關于晶體理論的書，開創了晶格動力學這門全新的學科。1954年他和我國著名物理學家黃昆合著的《晶格動力學》一書，被國際學術界譽為該領域的經典著作。

從應用力學的角度來看，玻恩完全可以被認為是一位力學家。他在哥廷根大學的博士論文研究的是彈性線（elastica）的穩定性問題。這個問題源自于19世紀末瑞士的孟希太因大橋的桁架結構發生彈性失穩而導致的破壞事故。玻恩對彈性線的方程不但進行了數學推導，還自己設計了一個實驗去驗證他的結論。正如他自己所言“對一個科學家來說，當他能用實驗（即使是別人做的實驗）來驗證他的理論時，那總是最心滿意足的時刻。”

康托洛維奇——諾貝爾經濟學獎得主

康托洛維奇（Kantorovich，1912～1986）是俄羅斯數學力學家和經濟學家，是最優化理論和計算數學的創始人之一，也是經濟數學的奠基人。他22歲就成為大學教授，23歲未經論文答辯就被授予物理數學博士學位。1938年他將拉格朗日的乘子法應用于解決經濟學問題，如怎樣最充分地利用機器設備，如何最大限度地減少廢料、最有效地使用燃料，怎樣最合理地組織貨物運輸、最適當地安排農作物布局等。他發現這一系列涉及到如何科學地組織和計劃生產的問題都屬于他所提出的線性規劃問題。1975年，63歲的康托羅維奇與美國經濟學家庫普曼斯共同獲得諾貝爾經濟學獎。

康托洛維奇在應用力學領域也建樹頗豐。他曾經負責列寧格勒大學數學力學研究所一個部的工作，并在1948年從事核武器的研制。從1958年起他主要開展計算數學和計算力學的研究工作。他在力學上的主要貢獻是提出了直接求解變分方程的近似法，這種方法是對瑞利方法的改進，在力學上被稱為“康托洛維奇方法”。

康托洛維奇多才多藝，他不但是一位數學力學家和經濟學家，還是一位詩人。同時，他也是一個發明家，曾經獲得了一些雛形計算器的專利權。

希爾——諾貝爾生理學或醫學獎得主

希爾（Hill，1886～1977）是英國的生物力學和生物物理學家，與亥姆霍茲被公認為是生物物理學的創始人。生物力學（biomechanics）是力學的一個分支，目的是運用力學原理和方法對生物體中的力學性質進行定量研究。生物力學的研究范圍從生物整體到系統、器官（包括血液、體液、臟器、骨骼等），從鳥飛、魚游、鞭毛和纖毛運動到植物體液的輸運等。

希爾對神經、肌肉和心臟的物理特性進行了大量測試工作。他由于在肌肉力量產生機理方面的研究而于1922年獲得諾貝爾生理學或醫學獎。他還在運動生物力學方面做了大量工作。例如在血紅素的氧氣攝入量方面，他推導出了著名的“希爾方程”。他還對運動員的肌肉活動量進行了實驗測試。1925年，他第一個畫出了跑步世界紀錄的速度與距離的關系。1928年，他研究了風對于跑步的影響，也研究了人體肌肉產生的力與跑步速度的關系。這些研究工作對于今天我們如何提高運動員的訓練成績仍然具有指導意義。

【責任編輯】張小萌