风中起舞的科学奇才——纪念冯·卡门去世六十周年

作者: 丁玖

来源: 返朴

发布日期: 2023-08-12 08:13:25

本文纪念了空气动力学家冯·卡门去世六十周年,介绍了他的学术成就和对世界的影响,特别是他对中国航天事业的贡献以及他与钱学森的师生情谊。

西奥多·冯·卡门是人类航天领域的代表人物。他是空气动力学家、工程师,更是应用数学家,践行并强调“用数学指导工程研究”,其成果影响了世界格局。他也因培养了多位中国弟子而被中国人所铭记,特别是他与钱学森的学术传承、合作流传为一段佳话。2023年是冯·卡门逝世60周年,谨以此文纪念这位科学奇才。

六十年前的1963年2月18日上午,一位已经81周岁的老人在来自世界各地朋友的围绕下,站在美国白宫的玫瑰花园里等待接受首届国家科学奖章。当肯尼迪总统在助手陪伴下抵达时,一行人前往接待区。患有关节炎的这位老者拖着脚步,在楼梯口停了下来,仿佛很痛苦。总统迅速走到他身边,握住了他的手臂。他抬头看着年轻的总统,轻轻地甩掉了主动提供的援助。“总统先生,”他惨然一笑地说,“向下不需要帮助,只有向上时需要。”

这位老人的全名为西奥多·冯·卡门,他是那个时代全世界最伟大的空气动力学家。他被美国政府授奖,“表彰他在航空科学和工程基础领域的领导才能;表彰他在力学许多领域的卓有成效的教学和相关贡献,表彰他为军队提供的杰出顾问服务,以及他促进科学和工程领域的国际合作。”

冯·卡门的事业起始于哥廷根,那里不仅有“数学世界的亚历山大”希尔伯特,而且那时一批活跃的理论物理学家在量子世界开始崭露头角。冯·卡门在数学和物理的两个世界都吸收了丰富营养。他修读了前沿的数学课程,参加过讨论班,也和玻恩一同做过理论物理研究。最终,他选择力学,尤其是应用力学,作为终生的研究领域,并在航空实践中施展了卓越的才华。

冯·卡门对人类的贡献是多方面的。

美国三十年前出版了一本冯·卡门传记,标题以“The Universal Man(全才)”打头,但他的学术成就主要是在空气动力学,而他科教理念——包括他对应用数学的诠释和强调——影响更加深远。冯·卡门年轻时在哥廷根大学从事过微观的物理和力学研究,为他后来广泛的应用力学研究打下了基础。

在宏观的流体力学和空气动力学,他的贡献包括非弹性屈曲、环圆柱流中的非定常尾流、层流稳定性、湍流、稳定和非定常流中的翼型、边界层和超音速空气动力学理论。

冯·卡门于1928年首次来到北京,建议刚由清华学校升格为国立的清华大学发展航空科学。到了1937年7月初,他第二次来华,欣喜地看到清华的航空系已初具规模,制作了小型风洞,工学院院长、麻省理工学院电机博士顾毓秀兼任航空研究所所长。

抵达北京第二天,卢沟桥事件爆发,幸亏冯·卡门乘了7月6日夜车南下,躲过一场困境。8日他到达南京,与空军司令周至柔交流,10日上午会后,他又飞往新建的南昌空军基地指导建造风洞。14日他先飞到九江,然后坐了两个小时令他心惊肉跳,“如同过了两周长”的竹竿轿子,穿行于陡峭山路上庐山会见蒋介石夫妇,商讨建立中国的航空工业和空军,打击日寇,并应宋美龄所求当场为她科普风洞。

冯·卡门被当代中国人铭记在心,一大原因是他培养出了“中国导弹之父”钱学森。钱学森在美国共待了20年,除了第一年,其余的19年间与冯·卡门师生紧密相连。1939年6月9日以二等荣誉获得航空和数学博士学位后,他留在系里担任助理教授,1945年被提升为副教授,第二年被麻省理工学院航空系聘为副教授,1947年升为正教授。

1949年,在冯·卡门的推荐下,他回到母校以罗伯特·H·戈达德喷气推进教授的身份担任新建立的喷气推进中心主任。

此外,至少有三个中国人在冯·卡门手中拿到博士学位,他们是胡宁、林家翘和郭永怀。

后来,胡宁成为中国著名的理论物理学家;林家翘长期任教麻省理工学院数学系,成为最高级别的“学院教授”并被遴选为美国国家科学院院士,晚年回到清华大学担任“周培源应用数学研究中心”名誉主任;郭永怀1956年在康奈尔大学航空系正教授的岗位上返国,近60周岁时因飞机失事殉职,1999年被国家追授“两弹一星”功勋奖章。冯·卡门为中华民族一代力学英豪的成长功不可没!

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