Grigory I. Barenblatt在2005年季莫申科奖章的获奖感言

应用力学:一门永远在重生的古老科学

Grigory I. Barenblatt

主席先生，各位同事，女士们，先生们:

我要感谢美国机械工程师学会应用力学部执行委员会提名我获得季莫申科奖章，并感谢理事会代表美国机械工程师学会授予我奖章。

斯捷潘·普罗科菲耶维奇·季莫申科(在这个国家他被称为斯蒂芬·p·季莫申科)的性格和名字对我来说非常特别。当我还是莫斯科高等技术学校的一名新生时，我在那里学习，然后进入莫斯科国立大学数学系。我买了他的书《弹性理论》:事实上，这是我个人图书馆里的第一本技术书籍。对我来说，无论是在当时还是现在，对这一困难主题的清晰和深度都是一个无可超越的标准。这本书里的一些东西让我感到惊讶，我向我的外祖父提出了一个问题，他是莫斯科国立大学微分几何的著名教授。(我的母亲是最早的病毒学家之一，她在研制脑炎疫苗的过程中牺牲了。)问题是:作者肯定是俄罗斯人(当时在我们的圈子里，没有人注意到俄罗斯人、白俄罗斯人和乌克兰人之间的区别)。为什么他的书是以英文译本出现的?祖父解释说，季莫申科是在革命后移民的(这种人在四十年代末的苏联不受欢迎)——然而，他微笑着从他的图书馆里拿出了季莫申科关于弹性的课程，分两卷，由圣彼得堡铁路运输学院在1914年和1916年用俄文出版，由作者送给他。SP在失业一段时间后获得了该研究所的主席职位:在此之前，他是基辅理工学院的院长，并被教育部长解雇，因为他大大超过了明确制定的(这很重要)规范所允许的犹太学生人数。 Visiting my family in Moscow last summer after learning about the award, I wanted to bring these volumes to this country, but I was warned that strict rules concerning old books would not allow it. When I already was a young scientist, I was introduced to SP during his visit to Moscow. Also, I was proud when I had seen that SP and James P. Goodier mentioned my work concerning fracture in their book.

很久以后，在约瑟夫·b·凯勒和米尔顿·d·范·戴克的倡议下，托马斯·休斯院长提名我为斯坦福大学季莫申科教授，我在杜兰应用力学大楼的季莫申科室里度过了许多快乐的时光，那里展出了斯捷潘·普罗科菲耶维奇的一幅杰出画像。我非常感谢他们给了我这次独特的经历。我和我杰出的同事、现在的密友亚历山大·j·柯林(Alexandre J. Chorin)的合作在那之前不久就开始了，一直持续到今天。亚历山大来看过我，因为我们在斯坦福一起工作;因此，在我们的合作项目中，我隶属于斯坦福大学。

机械工程和应用力学，作为它的一部分，是人类最早和最伟大的智力成就之一。阿基米德和伽利略的名字大家都知道。我很遗憾地说，现在这些学科在选择职业的聪明的年轻人中不受欢迎。而且这种趋势并不新鲜:很早以前就开始了，显然是在20世纪20年代。正如你们所知，G.I.泰勒，第一批季莫申科奖章获得者之一，一生都在剑桥的卡文迪什物理实验室工作。J . .汤普逊、欧内斯特·卢瑟福勋爵、劳伦斯·布拉格爵士，这些科学界的伟人，都是诺贝尔奖得主，都是G.I时代卡文迪什实验室的主任。根据E.N. da C. Andrade的描述，卡文迪什的杰出物理学家们在当时创造了开创性的工作，如“粉碎”原子，发现来自恒星的x射线辐射，研究血红蛋白和微血红蛋白的结构，并最终建立了双螺旋理论，他们对G.I.泰勒这样杰出的人如何能花一生时间处理应用力学这样枯燥而古老的东西表示惊讶。我想给出一个明确的答案。是的，机械工程和应用力学是古老的艺术和科学。 But they are also young because they are eternal art and science. It is very sad that the attitude towards mechanical engineering and applied mechanics as something of secondary interest entered the consciousness of a large and influential part of society, and this attitude cannot leave their children - future students - unaffected.

请允许我再举一个有启发性的例子。几年前，当我必须更新我的美国签证时，我去了美国驻罗马领事馆。在我访问领事馆之前，我收到了支持我申请的强有力的信件，我被告知美国领事决定亲自处理我的申请——这是一种罕见的区别。于是，我立刻被护送到领事面前，我惊呆了:领事恰好是一位风华绝代的美人:蓝色的眼睛，奢华的黑发，令人难忘的印象……她明白我对她印象深刻，她等了一会儿，问了一些普通的问题，然后就做了她的工作。当只剩下一小部分纯技术性的工作时，她让秘书来做，并说:“教授，现在我们有5-10分钟的时间。您能告诉我，您在科学研究方面做了什么，能得到这样的支持吗?”当时，我们小组(A.J. Chorin教授、V.M. Prostokishin博士和我本人)正集中精力研究管道中湍流流动和其他剪切流动的标度定律。我们得出的结论是，使用了几十年的基本普遍对数定律是不太正确的，应该放弃，取而代之的是一个不同的雷诺兹数相关的标度定律。我不得不承认，当时很多人，甚至至今仍有一些人认为我们的研究结果是有争议的。 However, the formulae and all available experiments definitely speak in our favor. I remind you that many similar situations have occurred in the history of science, and not only in science. For instance, when an essay of Maurice Maeterlinck, who won the Nobel Prize for his ‘Blue Bird’, was included in the Index Prohibitorum by the Catholic Church, Maeterlinck wrote “At every crossing the road that leads to the future, each progressive spirit is opposed by a thousand men appointed to guard the past.” In our case, these men can also be understood: if we are right, text-books and lecture courses should be changed and you have to bear in mind that the universal logarithmic law is taught every year in a thousand universities and polytechnic institutes. We continued to defend the truth in our seminars, lectures and publications. I had no choice: my great mentor Andrey Nikolaevich Kolmogorov, whose name is known to everybody in this audience, said: “I have lived being guided by a principle that the truth is a blessing, and our duty is to find it and to guard it.”

我再回到迷人的领事女士身上。我决定:显然，这位优雅的女士每天都在使用管道中的流动，她应该对这样的工作感兴趣。我尽我所能在有限的时间内展示我们的成果。美女执政官看着我(用她那迷人的深蓝色眼睛!)说:“教授，当然，你说的话很有趣，甚至令人兴奋。然而，坦率地说，我很惊讶。当我们有一些
管道的问题，我们解决的是管道工，而不是享誉全球的教授!”我感到羞愧，直到现在我都有一种个人罪恶感。的确，现在我们对遥远星球结构的了解超过了对航天飞机或大坝强度的了解，而与天文学家和天体物理学家相反的是，我们很少向年轻一代解释我们这个职业的基本深度和美丽，也很少普及它。

金钱还不是财富。21世纪的领先国家不一定是比其他国家更富有的国家。在这些国家，重大的国内和全球问题将得到大多数人的理解和重视。这些国家的英雄将是具有远见卓识和能力的工程师和科学家，他们能够选择和解释最重要的问题，并获得政府和私人的支持，以解决这些问题，从而取得造福社会的工程成就。

这样具有远见卓识和组织能力的工程师和科学家确实存在;他们就在我们中间。在适当的时间和有利的环境下，他们出现并采取具有历史意义的步骤。在这里，只要记住约翰·洛克菲勒、托马斯·阿哈·爱迪生、亨利·福特、罗伯特·奥本海默、霍华德·休斯，以及最近的w·r·休利特、d·帕卡德和威廉·盖茨就足够了。

一个不太为人所知的杰出例子是匈牙利裔美国物理学家里奥·西拉德(Leo Szillard)。正是他认识到设计原子弹的实际必要性。他准备了给富兰克林·d·罗斯福总统的信，信中强烈强调了立即开始研制原子弹的重要性。这篇文章是由阿尔伯特·爱因斯坦签署的(不是很热情)。罗斯福决定
拒绝了爱因斯坦的提议(现在很难相信，但可以理解罗斯福:当时的国家必须承担向美国陆军和盟国提供普通武器和弹药的巨大负担)。当西拉德在准备中得知这个消极的决定时，他找到了罗斯福的一位私人朋友，向他解释了这个问题，它的重要性和紧迫性，并说服他进行干预。这位朋友去拜访罗斯福，晚饭后只问了他一个问题:“弗兰克，你认为，如果拿破仑在1812年没有拒绝轮船的发明者富尔顿，今天的世界地图会是这个样子吗?”罗斯福下令开始这项工作。这项工作——曼哈顿计划——的规模和价值是众所周知的。

然而，门外汉，甚至是科学和工程的门外汉的普遍意见是，现在不存在像曼哈顿计划那样规模的问题，而这种问题对国家和世界的重要性是众所周知的。这是非常错误的!这样的问题确实存在，而且是大家都能理解的。首先，这些问题包括大规模自然灾害和能源问题。我将举几个例子。
热带飓风。这些灾难的规模是巨大的，士气和物质损失是可怕的。我想强调的是事实上飓风是应用力学的一个迷人问题。总的来说，第一批季莫申科奖章获得者之一詹姆斯·莱特希尔爵士认为自然灾害，特别是飓风，是应用数学和力学的首要问题。

就飓风而言，情况如下。作为一个初步的说明，我想提一个简单的计算，A.N. Kolmogorov在莫斯科大学开始他的湍流课程。他问听众:如果奇迹发生，俄罗斯的伏尔加河(与美国密西西比河的参数接近)变成层流，它的表面的流速会是多少?答案是惊人的:每小时数十万英里!那么为什么它保持得如此缓慢呢?原因是流动是湍流的:它充满了湍流的漩涡，这些漩涡起着刹车的作用，减缓了流动。打个比方:在山坡上行驶时，司机用链条盖住车轮——漩涡就起到了链条的作用。

詹姆斯·莱特希尔爵士根据许多观察提出了飓风的“三明治模型”。根据这个模型，飓风期间的海洋存在三层:空气、海洋和它们之间的“海洋浪花”，其中包含“第三种流体”;事实上，空气悬浮的液滴，有时足够大，直径可达几十微米。

我们小组(A.J. Chorin教授、V.M. Prostokishin博士和我本人)在一些自然假设下，考虑了浪花的湍流流动。关于携带重粒子的湍流的一般理论，是由A.N. Kolmogorov和我(当时是他的研究生)早些时候提出的，被用于这种考虑。液滴降低了湍流的强度，因为湍流涡将很大一部分能量用于液滴的悬浮。回到与车轮链的类比-磨损的链条变得更弱。在相同的压降下，流动加速。我们的计算表明，这种加速可以非常大，达到大型热带飓风的速度。

我注意到，在较早的时候，在携带大量沉积物的长江和黄河，以及在陆地和火星的沙尘暴中，也发现了由重颗粒加速湍流流动的相同机制。这就产生了一个基本的问题:有没有可能防止或至少减少热带飓风的强度?我们的答案是肯定的，但这需要机械学界进行认真的大规模工作。技术问题是抑制液滴的形成。原则上，这可以通过在海面上浇油来实现。顺便说一下，这种做法在古代就已经为人所知了，当时在船只的甲板上，几桶油被可靠地加固，在危急情况下，油就会被倒出船外。人们注意到，暴风雨的强度很快就减弱了。对这一现象有几种解释，但根据我们的观点，其基本作用是抑制液滴的形成。顺便说一下，到目前为止，对小船上的水手加油的建议经常在文献中提出。当然，油(或一些洗涤剂，也建议在这种情况下使用)应该是安全的。 There are several candidates for such materials. And I repeat - a group of enthusiasts headed by young, energetic leaders can solve this problem and do it in real time - the witches like the recent Katrina should never threaten New Orleans and
其他著名的城市。

我们的论文在卡特里娜飓风前一个月发表在美国国家科学院院刊上，引起了公共关系部门的注意。我在初步化妆后接受了电视采访，当时在场的人问我们团队的资深女士，这次采访什么时候播出，答案很有启发性:“我们必须等待一场好的飓风，那样更多人会关注。”

森林火灾问题对世界来说也很敏感(比如今年夏天的葡萄牙火灾)，它与飓风有一些相似之处。在森林火灾中，碎片和烟灰在树木上方移动，形成一层黑色的层。它们抑制湍流的方式与海洋浪花中的液滴相同:这显然是强风甚至火灾风暴的原因。

另一件非常重要的事。我认为一个诚实的分析，基于对自然灾害和技术灾难的科学思考，并不会比曼哈顿和所有这些宇宙学和粒子加速企业这样的伟大项目更令人兴奋和重要。这是有区别的。金钱，甚至是巨款，都无法阻止这样的分析。但“巨款”加上政治就可以做到这一点，在这些情况下，灾难的连锁反应就开始了。举个例子:《泰坦尼克号》。1913年，没有对这场灾难进行基础工程和科学分析;直到很久以后，人们才明白那里发生了什么——温度比钢脆化的温度低，容器的主体变得脆弱。27年后的1941年5月24日凌晨5点52分，追击德国战列舰“俾斯麦”号的舰队旗舰“胡德”号战斗巡洋舰进行了第一次齐射。“俾斯麦”号用一门小型高射炮回应。 And at 6:00 a.m. “Hood” sank; fifteen hundred people perished, only four were saved! (The steel was supplied by the same firm as for the “Titanic” .) Thinking about this case I was astonished: 24 May, spring - it should not be cold! But read Volume I11 of Churchill’s “The Second World War” - 24 May was an extremely cold day at the place.. .clearly the temperature of embrittlement again was crossed. And again: no competent engineering and scientific analysis! Only later when the welded “Liberty” ships started to break in two halves in the North Sea (tens of thousands of people perished), such analysis was performed, and Fracture Mechanics was created. George Irwin, later a Timoshenko Medal winner, was the leader. I also participated in this work. Fracture Mechanics is now as a charming lady in her forties: a remarkable past and a lot in the future. A wonderful branch of mechanical engineering and applied mechanics! Each fracture surface can tell you a lot about both the material and the loading: those who are really interested in what happened can achieve it (of course, only if they will be allowed to obtain the fractographs!)!

我想再讲一个领域，它完全值得机械工程师的关注，并且能够创建一个一流的大型项目。如今，当天然气价格可靠地越过3美元/加仑的线时，能源资源的问题是每个外行都感兴趣的。在我攻读博士学位的时候，对我这个种族的人来说是很困难的，经过多次尝试，我终于获得了中科院石油研究所的录取。我很幸运地得到了这份工作，从那时起，石油工程也是我的专业。这在实践中是非常重要的——这是微不足道的。但我想强调的是，作为应用力学的一个对象，它是非凡的。在诸如气体动力学、边界层理论等领域中，许多思想以模糊的模型出现在石油工程中，以精确的数学公式出现——处理它们是一种享受。最重要的是，每一个新的石油和天然气矿床都会提出一个新的科学问题，这些问题往往会带来好的数学结果。最重要的实际问题是提高采收率。现在法定的数字是30%，所以如果我们把大自然馈赠的70%留在岩石中，这被认为是正常的。 But take the deposits of Southern California: Lost Hills, Bellridge. The oil there lies in diatomites: rocks of very high porosity, low strength and practically zero permeability. The exploitation of such deposits by ordinary methods, including ordinary hydraulic fracture, leads to huge losses. The oil recovery is low. To find the proper way of development of such deposits means a reliable way to reduce the energy crisis. It cannot be done without the active participation of mechanical engineering and applied mechanics - what I am saying is based on my old and recent experience. The same is true for huge gas deposits in
最近我做了一个关于这个主题的演讲。

女士们、先生们、同事们，我来总结一下。上世纪最伟大的人物温斯顿·丘吉尔爵士说过:“如果人类希望有一个长期的、无限期的物质繁荣时期，他们只需以和平的、乐于助人的方式对待彼此，科学将为他们做他们所希望的一切，甚至比他们所能梦想的还要多。”“没有什么是最终的。变化是不断的，在到达旅程终点之前，人类可能还有很多东西要学.. ..“我想在结束我的演讲时说，在人类未来的发展中，我们的领域，机械工程和应用力学将发挥决定性的主导作用。科学和工程的许多领域会出现，变得时髦，然后消失，但我们的活动分支将永远发光，因为它是永恒的，永远在更新。