2018年9月17日，刚卸任国家自然科学基金委主任一职的杨卫回到曾经工作过6年的浙江大学，为本科生主讲本科生通识课程《力学导论》。杨卫梳理了力学从古至今、从西至东的发展脉络，强调了工程科学在现实层面上的意义。世贸大厦为什么会坍塌？日本的“三十三堂”为什么能够防震？答案在力学里。
我先介绍一下什么是力学。在今年的两院院士大会上，习近平总书记有这么一段话：“《墨经》中写道，‘力，形之所以奋也’，就是说动力是使物体运动的原因。”在《大百科全书·力学卷》中，对力学比较新的定义是：“力学是关于力、运动及其关系的科学。力学研究介质运动、变形、流动的宏微观行为，揭示力学过程及其与物理、化学、生物学过程的相互作用。”力最早是研究机械运动的规律，后来扩展到所有相互作用，有相互作用就有力。
六年前在北京召开了在中国举办的第一次世界力学家大会——第23届世界力学家大会，这也是历届大会中参会人数最多的。
当时，时任北京市市长给参会的所有力学工作者发了一封英文邀请信，里面提到力学的时候用了三句话：1、Mechanics simplifies the first glimpse of scientific understanding of the human being for the physical world（力学标志着人类对物理世界之科学理解的第一缕曙光）；2、Mechanics forms the background of science and engineering（力学构成理工的脊梁）；3、Mechanics paves the foundation for infrastructures of numerous cities in the world（力学铺就了世界上无数城市建设的基石）。
我将从五个方面给大家介绍力学往事。
1. 溯源——理工合一中华文明发展中的“学”和“匠”是分离的。中国古代的学者被称为“士”，如孔子、孟子等，他们的地位和匠人是不可同日而语的。但是西方科技发展的早期是不分理工的。举一个例子——达·芬奇（Leonardo da Vinci）。
达·芬奇是一位著名的画家，是位艺术工作者，但是他还有其他许多身份，比如人体解剖学是达·芬奇最早开始研究的，他与医学的发展有很大关系。我曾经去过意大利的博洛尼亚大学，这是世界上最早的大学，已经有900多年的历史了。这所大学里面最珍贵的就是当年他们建校的时候，教授做医学研究留下的各种各样的仪器、设备和教学草稿等。所以艺术家和医师都是共通的，雕刻大理石和拿手术刀没有太大区别。
同时达·芬奇还是位非常伟大的工程师。比如他设计的水轮机中，包括一个弹性势能的释放装置，水轮机一旋转就把装置绞紧，没有水的时候弹簧就松开释放弹性势能。达·芬奇的手稿里还曾经表现过湍流，由大涡和小涡重重叠叠地构成，这是现代力学研究的一个重要内容。我们的国家博物馆曾经展出过一次达·芬奇工程方面的手稿，里面的设计非常精致。
另一位著名的科学家是伽利略（Galileo Galilei）。他是意大利著名的物理学家、天文学家和哲学家，是近代实验科学的先驱者，其成就包括改进望远镜和其所带来的天文观测，以及支持哥白尼的日心说。人们传颂：“哥白尼发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙。”史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）说：“自然科学的诞生要归功于伽利略，他在这方面的功劳无人能及。”
伽利略最著名的一本著作叫做《关于两门新科学的对话》，这本书的书皮是一面墙，中间插着一根梁，下面吊着一个重物，这是我们一个典型的材料力学问题。用我们今天的模型来说，就是一根悬臂梁，它有一定的长度和高度，在一端有一个重物，使它产生弯曲。伽利略在几百年前就开始研究这个问题，他认为，梁在受到重物弯曲时，最下面的一层是不变形的，而上面的层被拉长，受到的力是上面最大，下面为零。这个模型后来被发现是错的。
艾萨克·牛顿（Issac Newton）爵士是人类历史上出现的最伟大、最有影响的科学家。他兼具物理学家、数学家和哲学家于一身，晚年醉心于炼金术和神学。他在1687年7月5日发表的不朽著作《自然哲学的数学原理（The Principia）》里用数学方法阐明了宇宙中最基本的法则——万有引力定律和三大运动定律。
这四条定律构成了一个统一的体系，被认为是“人类智慧史上最伟大的一项成就”，由此奠定了之后三个世纪中物理界的科学观点，被称为现代工程学的基础。
牛顿在书里写道：“现在我要演示世界体系的框架。”拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange）评价牛顿时说：“牛顿是最杰出的天才，同时也是最幸运的，因为我们不可能再找到另外一次机遇去建立世界的体系。”爱因斯坦（Albert Einstein）也说过：“幸运的牛顿，幸福的科学童年！他融实验者、理论家、机械师（力学师）为一体，同时又是阐释的艺术家。”
和牛顿同时代的还有一位科学家叫罗伯特·胡克（Robert Hooke）。现在一般提到胡克时会提到他最有名的显微学，把他称为“细胞学之父”。胡克在力学里最重要的贡献是一篇很短的文章，里面有一个字谜（ceiiinosssttuv）。如果把这个字谜破译了（ut tensio sic vis），它的意思是“张力和变形成正比”，现在我们把它称为胡克定律。
我们再介绍一下意大利的三位伯努利：雅各布·伯努利（Jakob Bernoulli），约翰·伯努利（Johann Bernoulli）和丹尼尔·伯努利（Daniel Bernoulli）。他们一家人在科学研究上都有很大的成就，而且他们在教育学上也有很高的功绩。
还值得一提的是欧拉（Leonhard Euler）。欧拉是瑞士的数学家和物理学家，他被一些数学史学者称为历史上最伟大的数学家之一。他有一个很有趣的问题——欧拉弹性问题（Euler's elastica），就是说一根弹性的杆子，如果被压缩的时候就会由直变弯，中间还会弯上好几次。欧拉一生写了几千篇论文，其中有许多都是经典之作。
还有一位法国著名的科学家泊松（Simeon-Denis Poisson）。我们现在说的泊松比就是以他的名字命名的。泊松还有过许多其他的贡献，比如纵波和横波。
法国有一所百多艺学院（École Polytechnique，即巴黎综合理工大学），这是拿破仑建的一所学校，相当于我国的国防科技大学，一直都是法国最好的大学之一。这个学校当时有许多著名的学者，包括泊松、拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）等，大家学高等数学时碰到的名字基本都是这个学校的教授。
柯西（Augustin Cauchy）是把数学严格化的代表人物。但是他本人原先在桥梁工程学院，是桥梁工程师和运河工程师，后来他成为了著名数学家，建立了严谨的数学分析，也是弹性力学的集大成者。
柯西之后是拉格朗日。力学里有两个著名的构型，一个叫欧拉构型，一个叫拉格朗日构型。拉格朗日创立了分析力学，同时用分析力学的方法去研究天体力学，其中最有名的发现是拉格朗日点。
再转至英国。乔治·格林（George Green）是英国人，他本身是一位miller——miller可以翻译为磨坊主或者磨坊工——后来靠学数学和物理学自学成才。高等数学里有一个“与路径无关的积分”，这个积分的条件就是由格林建立的。
法国的学派代表人物是圣维南（Saint-Venant）。力学里有一个著名原理即为圣维南原理。圣维南的一项重要贡献是半逆法求解：一个问题先通过“猜”，解可能是什么、大概是什么类型，如果最后能做出来，就代表猜对了。
德国有位工程师叫做基尔霍夫（Gustav Kirchhoff），他是一位电磁学的奠基人，然而他最著名的作品是《力学（mechanik）》，最重要的贡献是板的理论。另外，亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）创立了自由能理论和亥姆霍兹变换等。
还值得一提的是哈密顿，他创立了哈密顿力学。引用薛定谔（Erwin Schrödinger）的话，“现代物理学的发展让哈密顿声誉日隆。”
2. 缘起——理工分离
近代100多年的力学发展中，最先开始的是应用力学的兴起。最早是德国的哥廷根学派（Gottingen Circle），代表人物是普朗特（Ludwig Prandtl）和他的学生铁摩辛柯（Stephen Timoshenko）。普朗特的另一个学生是冯·卡门（Theodore von Kármán），冯·卡门的学生是钱学森、钱伟长等。
普朗特相当于哥廷根学派的祖师爷，他最主要的贡献是解释了飞机在飞行过程中如何产生升力。升力的产生是由于空气本身有粘性，而粘性和飞机机翼之间形成了边界层，边界层对飞机产生了升力，由此导出了升力线理论。在这一基础上就可以用空气动力学计算出飞机飞行过程中升力和阻力的大小。
同时，前苏联的力学也在发展，他们是穆斯赫利什维利（Muskhelishivili）学派，应用复变函数来求解弹性理论的问题。这个学派最著名的贡献是一本书：《Some Basic Problems in Mathematical Theory of Elasticity》。
到了上世纪三十年代，国际力学界认为应该形成自己的学术组织，于是就成立了国际理论与应用力学联合会（International Union of Theoretical and Applied Mechanics），也就是IUTAM。IUTAM的提议者是当时在德国的冯·卡门和英国的泰勒（Geoffrey Taylor）。
冯·卡门对科学的贡献非常大，但是工程学界很难获得诺贝尔奖，美国对这种情况专门设立了一个“科学勋章（Medal of Science）”，冯·卡门是第一位获奖者。
现代力学学派成立以后，就形成了两条发展路线。一条是理论力学，后来发展出四大力学，即量子力学、相对论力学、电动力学和统计力学。量子力学的核心就是刚刚提到的哈密顿量，相对论力学是对牛顿力学的一个重大修正，它扬弃了牛顿力学的一些不准确的地方。电动力学是在基尔霍夫和亥姆赫兹电磁学理论的基础上建立起来的，统计力学则是基于统计方法。
3. 涌现——工程科学
冯·卡门有句名言：“科学家发现现存的世界，工程师创造未来的世界（Scientists discover the world that exists; engineers create the world that never was）。”
钱学森也说过：“工程科学主要是研究人工自然的一般规律，是理论力学和应用力学的结合，主要探索基础理论的应用问题。”这句话是1947年7月28日，钱学森在竺可桢的陪同下到浙大工学院演讲《工程科学与工程》时提出的。
二战后出现了几位著名的力学家。一位是Koiter，他的博士论文是研究容器屈曲和缺陷的关系。二战后也有一些新的力学学科开始发展起来，其中典型的是断裂力学。
力学另外一个重要的里程碑是发展了有限元。现在认为有限元思想最早来源于Courant。后来两位土木工程师Clough和Ziekiewitz和中国数学家冯康，也为力学界和工程界里有限元的广泛使用做出了巨大贡献。
4. 示例——典型问题
力学中的一个非常典型的问题是湍流。湍流是流体运动的普遍形态，是流体力学核心问题，也是一个世纪难题。在物理上，湍流代表了一种多尺度、多结构的强非平衡状态；在数学上，Navier-Stokes方程解的性质是新千年七大数学难题之一，也是现在很多人正在研究的问题。
另一个例子是世贸大楼的坍塌。当年恐怖分子劫持了飞机后撞在了大楼的80多层，引起了大火，大火燃烧了一段时间后大楼就发生了坍塌。
世贸大楼的建设是符合摩天大楼的建筑规范的，主要由钢结构构成。后来美国土木工程师协会的期刊上发表了一篇名为《Why Did the World Trade Center Collapse?——Simple Analysis》的论文，其中认为当飞机撞击在大楼中部时引起了结构的损坏和大火，进一步引起中间结构的变软和屈曲变形。
5. 中国力学学会最后再介绍一下中国力学学会。
中国力学学会从创会开始目前共经历了十任理事长，分别为钱学森先生、钱令希先生、郑哲敏先生、王仁先生、庄逢甘先生、白以龙先生、崔尔杰先生、李家春先生、胡海岩院士，我是第十任理事长。中国力学学会1957年成立，当时许多著名力学家都在第一届理事会中，比如钱学森、钱令希、张维等。现在的中国力学学会已经有两万余名会员、33个分支机构和18个学术期刊，并经常会为国家的重大项目提供咨询，服务于国家重大科技需求。