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周培源

周培源(1902828—19931124),出生于江苏宜兴,理论物理学家、流体力学家。1955年当选为中国科学院学部委员(院士)1952年加入九三学社。九三学社第三届中央委员会委员,第四届中央委员会常委,第五、六、七届中央委员会副主席,第八届中央委员会主席,第九届中央委员会名誉主席。

周培源出生于江苏省宜兴县的一个书香门第。其父是清朝秀才。中学时期在上海圣约翰大学附属中学学习。1919年考入清华学校(今清华大学前身)中等科,1924年清华学校高等科毕业。1924年赴美国,在芝加哥大学学习。1926年获学士、硕士学位。1927年到美国加利福尼亚理工学院攻读研究生,做相对论方面的研究。1928年获博士学位。1928年秋,周培源赴德国莱比锡大学,在W??K?焙I?(Heisenberg)教授指导下从事科学研究;1929年赴瑞士苏黎世联邦工业大学,在W?迸堇?(Pauli)教授指导下从事理论物理研究。1929年回国后,任清华大学物理系教授。

1936—1937年,周培源又赴美国,在普林斯顿高等研究院参加A??因斯坦(Einstein)教授领导的广义相对论讨论班,并从事相对论引力论和宇宙论的研究。1937年回国后,曾任长沙临时大学、西南联合大学物理系教授,并从事流体力学湍流理论方面的科学研究。1943—1946年,周培源再次赴美国,先在加利福尼亚州理工学院进行流体力学湍流理论方面的科学研究,后在美国国防委员会战时科学研究与发展局、海军军工试验站从事鱼雷空投入水的战事科学研究。1946年赴英国出席牛顿诞生300周年纪念会、国际科学联合会理事会,并到法国出席第六届国际应用力学大会(被该大会和新成立的国际理论与应用力学联合会选为理事)1947年回国后,继续任清华大学教授兼教务长、校务委员会副主任。1952年至1981年任北京大学教授、教务长、副校长、校长等职。自1926年以来,周培源主要从事物理学的基础理论中难度最大的两个方面——爱因斯坦广义相对论引力论和流体力学中的湍流理论的研究和教育工作,并取得出色的成果。在发展中国
教育事业和组织领导国家科学文化等方面做出了重要贡献。周培源对广义相对论产生兴趣,应追溯到1926年他在芝加哥大学求学时期,以后的60年中他一直在这个领域内执著地探索着。

广义相对论在物理上取得了许多辉煌成就,但从一开始就存在着一个困难,这就是,表达引力场的方程是一个包含10个二阶非线性偏微分方程的方程组,而这10个方程之间又存在着4个独立的非线性偏微分方程组所组成的恒等式,也称为比安基(Bianchi)恒等式,这就使得只用引力方程得不到10个引力函数的确定解。周培源一进入相对论领域便抓住这个难题,主张引进另外的物理条件才能求解出引力函数的确定解。沿循这个思路,周培源在20世纪20年代用引入新物理条件的办法获得了轴对称静态引力场的若干解,以后又于20世纪30年代在引入各向同性条件下,又求得了与静止场不同类型的严格解。

与此同时,国际上的同行学者为了克服上述困难,采用坐标变换的方法来减少引力函数的数目。但这种方法只能求出一种常微分方程的特殊引力场——球对称静态引力场的严格解,例如史瓦西(Schwazchild)解,而对众多的其他物理问题仍然束手无策。沿着这条思路求解引力场方程的相对论研究者,在国际上称为坐标无关论者。他们主张坐标在引力论中无关紧要。与此相反,周培源从一开始进行引力论研究时,就认为坐标是有物理意义的,因此他是一位坐标有关论者坐标有关论者在一些特殊问题上,引进谐和条件以求解引力场方程的做法,可以追溯到1919年爱因斯坦本人。他引进谐和条件的近似式来求解线性化了的引力场方程,从而获得了引力波解,预言了引力波的存在。后来,德·东德(de Donder)将谐和条件严格化。1923年,郎曲斯(Lanzos)曾用这一条件得到了球对称静态引力场的解。沿着这条思路,1979年,周培源把严格的谐和条件作为一个物理条件添加进引力场方程中,和他在北京大学的同事以及他在高能物理所的学生一起,发表了多篇论文,其中包括无限平面、无限长杆、围绕无限长杆作心速转动的稳态解和严格的平面波解。面对当前存在的两个解,即坐标无关论者的史瓦西解和坐标有关论者的郎曲斯解,从20世纪70年代开始,周培源和他的学生李永贵开始从事测量与地面垂直和与地面平行的两种光速的比较实验,希望回答两种解中哪一种更符合实际。理论上,史瓦西解得到的两种光速的一级近似之差与光速之比为7×10?玻保埃?而郎曲斯解的这一比值为零。目前,李永贵所获得的这个比值在准确到10?玻故北砻鳎毫街止馑偈窍嗟鹊摹U庀钍笛槿栽诮?行中,以期取得更高一级的近似。这是坐标有关论者坐标无关论者两种理论较量中的关键性实验。它的进一步结果,将是整个物理界所关心的。在应用广义相对论于宇宙方面,周培源于1939年证实了在均匀性或各向同性的条件下,可以将过去常用的宇宙度规(Friedman度规)简化,并使求解问题大大简化。1987年,周培源和他的研究生黄超光将谐和条件用于宇宙论,得到了新的结果。他们用引力场中的电磁理论来计算宇宙中后移星系辐射光的强度,由此导出新的红移关系与该星的质量有关。周培源是我国湍流理论的奠基人。他从事湍流研究是从1938年开始的。当时,他暂时搁下了从事多年的宇宙论的研究,而将主要精力放在湍流上。流体的湍流运动在自然科学史上一直是困惑许多杰出科学家之谜。流体运动的基本方程纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程(简称N-S方程)虽然早在1821年就建立了,但却一直未能从它求出描述湍流运动的解来。1895年,英国雷诺(Reynolds)发现不可压缩流体充分发展了的湍流运动可以分解为平均运动和脉动运动两部分,并从N-S方程用平均方法导出了湍流平均运动方程。但这组方程是不封闭的。在周培源之前,人们总是从这组方程出发,引入脉动量、平均流速对空间坐标的梯度有关的各种假设使方程闭合,来求解流体的平均速度。周培源在国际上最早考虑脉动方程(N-S方程与平均运动方程之差),并由这组方程导出二元和三元速度关联函数所满足的动力学方程,再引进必要的假设来建立湍流理论。1940年根据这一模型,他对若干流动问题做了具体计算,其结果与当时的实验符合得很好。1945年,周培源在论文《关于速度关联和湍流涨落方程的解》中提出了两种求解湍流运动的方法:一种是把平均运动方程和关联函数所满足的方程逐级近似求解;另一种是将平均运动方程与脉动方程联立求解。由于这组方程的高度复杂性,在20世纪40年代,要联立求解是不可能的,但他的这种思路却为湍流研究者开辟了崭新的途径。上述第一种解法奠定了国际上称为湍流模式理论的基础,在国际上被誉为现代湍流数值计算的奠基性工作。近数十年的发展,由于高速电子计算机计算能力的扩大,愈益显示出它的重要性。世界各国不少人沿循他的方法进行开拓,形成了湍流模式理论流派。

20世纪50年代,周培源利用一个比较简单的轴对称涡旋模型作为湍流元的物理图像来说明均匀各向同性的湍流运动。利用湍流衰变后期雷诺数比较小的特点,周培源和他的学生蔡树棠得到了最简单的均匀各向同性湍流的后期衰变运动的二元速度关联函数,在这一思路的基础上,他的学生黄永念用同样的方法,得到了均匀各向同性湍流三元速度关联函数。10年以后,这个三元速度关联函数被佩纳特(Bennett)与柯尔辛(Corsin)的实验所证实。与此同时,周培源还与他的学生是勋刚、李松年对高雷诺数下(即衰变初期)的均匀各向同性
的湍流运动进行了研究,得到了与实验符合的均匀各向同性湍流在早期衰变运动的二元和三元速度关联函数。为了统一湍流在初期和后期衰变的模型,1975年,周培源提出准相似性的概念及与之相适应的条件。他与黄永念把这两个不同的相似性条件统一为一个确定解的物理条件——准相似性条件。这个条件在1986年由北京大学湍流实验室魏中磊、诸乾康、钮珍南和俞达成的实验所证实,从而在国际上第一次由实验确立了从衰变初期到后期的湍能衰变规律和微尺度扩散规律的理论结果。其后,周培源又与黄永念计算得到衰变各期的能谱函数、能量传递函数等等。这些结果都得到国际同行的赞许。20世纪80年代以来,周培源又将所取得的结果与准相似条件推广到具有剪切应力的普遍湍流运动中去,并引进新的逼近求解方法,得到了新的成果。

他数十年的研究形成了自己独立的理论体系,受到国际上重视。他取得的重大研究成果,1984年被评为国家自然科学二等奖。周培源不仅是一位很有成就的科学家,同时也是一位国内外著名的教育家、组织管理家和社会活动家。他从事高等学校的教授工作和教育领导工作数十年,在发展国家的教育事业、培养众多的科学人才方面成绩卓著,贡献突出,他的不少学生已成为国际上的著名学者。周培源对青年一代非常爱护,悉心培育,适时提携,把自己的学识、科学思想和治学方法毫无保留地传授给年轻一代,努力为后继人才的成长铺平道路,深受广大学生和青年的拥戴。周培源在科学领导工作、教育领导工作、众多社会团体的组织领导工作、国家领导工作诸方面都表现出高超的才干,与国内外科学界、教育界和社会各界有着广泛的联系和影响,并深受国内外各界的爱戴。周培源曾数十次代表中国科学技术界出席国际会议、参加与科学技术界有关的国际活动或率团商谈科技人员交流培养和国际科学合作事宜,对发展国际科学合作、推进国际学术交流、维护和宣传中国在国际事务中的外交政策和原则立场,做出了不懈的努力和宝贵的贡献。周培源也是一位社会活动家。他曾兼任过许多重要社会职务。

他曾任中国科学院副院长,中国科协副主席、主席、名誉主席,中国物理学会理事长、名誉理事长,中国力学学会副理事长、名誉理事长,全国人大代表、委员,全国政协委员、副主席,九三学社主席等职。周培源在总结几十年科学工作经验时说道:我是做科学工作和教育工作的,自然一开口也离不开科学问题和教育问题。我做科学工作、做教育工作和做人秘诀,也就是我数十年所信奉的格言独立思考,实事求是,锲而不舍,以勤补拙”“自从我在清华学校(今清华大学)高等科(相当于目前的大学一、二年级)学习期间进行三分角的科学研究开始,近70年来我所研究的近百个科研课题,几乎全都是我自己独立思考选定的。我还清楚地记得,1928年我在美国准备博士论文时,曾有一位英教授向我建议了一个博士论文题目。但是,我经过考虑之后,没有采用英教授的题目,而是自己选定了一个题目,并围绕这个题目写出了好的博士论文,加之平时学习和科学研究成果特别突出,因而获得了美国加利福尼亚州理工学院的最高荣誉奖……”“独立思考与兼听众议是并不矛盾的,而是互相促进、互为补充的两个侧面,须在实践中恰如其分地掌握运用。我自己有的思考也是前人思考的进一步发展。实事求是是马列主义思想路线的基本点。做科学工作、做教育工作和人生旅行,离开了这一条就会走入歧途。众所周知,在内外历史上,有的人不实事求是,靠耍阴谋、玩骗术、施诡计得逞一时,但在人类历史的长河中都无一例外的是遗臭万年。”“锲而不舍或许可以说是人生能够办成几件实事的要诀之一。我记得,在2030年代时,我选定了爱因斯坦广义相对论引力论和流体力学的湍流理论作为科研和教学的主攻方向,近70年来,我的科学指向始终沿着这个方向,从未动摇和转移;20年代,我曾研究过广义相对论引力论并取得了一些成果,在40多年专事流体力学的研究之后,又回过头来继续广义相对论引力论的研究;在引力论研究中,20年代我曾提出坐标有关论;直到90年代仍在进行科学实验以充分地证实它;1975年我提出了湍流理论研究中的准相似性条件,直到1986年还在进行实验验证工作;1945年我提出湍流理论研究中联立求解平均运动方程与脉动方程这一困难课题,直到90年代仍在进行研究并已取得可喜进展。就要像锥子一样,数十年紧紧地锥住它,就是钢板也会锥出个孔来。如果一个人有这样的精神和毅力,总是可以做好几件事情的。”“以勤补拙,简言之就是要多干、要勤奋,不偷懒。我86岁时,工作又忙,但为了国家科学决策需要,我毫不犹豫地答应了全国政协的委托,率领182位全国政协委员前往湖北省和四川省有关地区实地考察长江三峡水利工程的有关问题。我当时没有选取偷懒图逸之举。我今已年近90,社会工作很多,但我还想多做一点事,仍坚持进行科学研究和亲自培博士研究生等工作。人的智力和体力都是有差别的,但只要肯下工夫、多下工夫、下苦工夫,时刻勤奋,数十年如一日地顽强进取,就算是一个者,也定会做出几件像样的成果,节节上进,为国家为民族为人类做出自己的贡献。

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