周培源：中國(guó)科學(xué)院學(xué)部委員(院士)、理論物理學(xué)家、流體力學(xué)家
來(lái)源：????時(shí)間：2009-11-02周培源(1902年8月28日—1993年11月24日)，出生于江蘇宜興，理論物理學(xué)家、流體力學(xué)家。1955年當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院學(xué)部委員(院士)。1952年加入九三學(xué)社。九三學(xué)社第三屆中央委員會(huì)委員，第四屆中央委員會(huì)常委，第五、六、七屆中央委員會(huì)副主席，第八屆中央委員會(huì)主席，第九屆中央委員會(huì)名譽(yù)主席。
周培源出生于江蘇省宜興縣的一個(gè)書(shū)香門第。其父是清朝秀才。中學(xué)時(shí)期在上海圣約翰大學(xué)附屬中學(xué)學(xué)習(xí)。1919年考入清華學(xué)校(今清華大學(xué)前身)中等科，1924年清華學(xué)校高等科畢業(yè)。1924年赴美國(guó)，在芝加哥大學(xué)學(xué)習(xí)。1926年獲學(xué)士、碩士學(xué)位。1927年到美國(guó)加利福尼亞理工學(xué)院攻讀研究生，做相對(duì)論方面的研究。1928年獲博士學(xué)位。1928年秋，周培源赴德國(guó)萊比錫大學(xué)，在WK海森伯(Heisenberg)教授指導(dǎo)下從事科學(xué)研究；1929年赴瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)，在W泡利(Pauli)教授指導(dǎo)下從事理論物理研究。1929年回國(guó)后，任清華大學(xué)物理系教授。
1936—1937年，周培源又赴美國(guó)，在普林斯頓高等研究院參加A愛(ài)因斯坦(Einstein)教授領(lǐng)導(dǎo)的廣義相對(duì)論討論班，并從事相對(duì)論引力論和宇宙論的研究。1937年回國(guó)后，曾任長(zhǎng)沙臨時(shí)大學(xué)、西南聯(lián)合大學(xué)物理系教授，并從事流體力學(xué)湍流理論方面的科學(xué)研究。1943—1946年，周培源再次赴美國(guó)，先在加利福尼亞州理工學(xué)院進(jìn)行流體力學(xué)湍流理論方面的科學(xué)研究，后在美國(guó)國(guó)防委員會(huì)戰(zhàn)時(shí)科學(xué)研究與發(fā)展局、海軍軍工試驗(yàn)站從事魚(yú)雷空投入水的戰(zhàn)事科學(xué)研究。1946年赴英國(guó)出席牛頓誕生300周年紀(jì)念會(huì)、國(guó)際科學(xué)聯(lián)合會(huì)理事會(huì)，并到法國(guó)出席第六屆國(guó)際應(yīng)用力學(xué)大會(huì)(被該大會(huì)和新成立的國(guó)際理論與應(yīng)用力學(xué)聯(lián)合會(huì)選為理事)。1947年回國(guó)后，繼續(xù)任清華大學(xué)教授兼教務(wù)長(zhǎng)、校務(wù)委員會(huì)副主任。1952年至1981年任北京大學(xué)教授、教務(wù)長(zhǎng)、副校長(zhǎng)、校長(zhǎng)等職。自1926年以來(lái)，周培源主要從事物理學(xué)的基礎(chǔ)理論中難度最大的兩個(gè)方面——愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論引力論和流體力學(xué)中的湍流理論的研究和教育工作，并取得出色的成果。在發(fā)展中國(guó)
教育事業(yè)和組織領(lǐng)導(dǎo)國(guó)家科學(xué)文化等方面做出了重要貢獻(xiàn)。周培源對(duì)廣義相對(duì)論產(chǎn)生興趣，應(yīng)追溯到1926年他在芝加哥大學(xué)求學(xué)時(shí)期，以后的60年中他一直在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)執(zhí)著地探索著。
廣義相對(duì)論在物理上取得了許多輝煌成就，但從一開(kāi)始就存在著一個(gè)困難，這就是，表達(dá)引力場(chǎng)的方程是一個(gè)包含10個(gè)二階非線性偏微分方程的方程組，而這10個(gè)方程之間又存在著4個(gè)獨(dú)立的非線性偏微分方程組所組成的恒等式，也稱為比安基(Bianchi)恒等式，這就使得只用引力方程得不到10個(gè)引力函數(shù)的確定解。周培源一進(jìn)入相對(duì)論領(lǐng)域便抓住這個(gè)難題，主張引進(jìn)另外的物理?xiàng)l件才能求解出引力函數(shù)的確定解。沿循這個(gè)思路，周培源在20世紀(jì)20年代用引入新物理?xiàng)l件的辦法獲得了軸對(duì)稱靜態(tài)引力場(chǎng)的若干解，以后又于20世紀(jì)30年代在引入各向同性條件下，又求得了與靜止場(chǎng)不同類型的嚴(yán)格解。
與此同時(shí)，國(guó)際上的同行學(xué)者為了克服上述困難，采用坐標(biāo)變換的方法來(lái)減少引力函數(shù)的數(shù)目。但這種方法只能求出一種常微分方程的特殊引力場(chǎng)——球?qū)ΨQ靜態(tài)引力場(chǎng)的嚴(yán)格解，例如史瓦西(Schwazchild)解，而對(duì)眾多的其他物理問(wèn)題仍然束手無(wú)策。沿著這條思路求解引力場(chǎng)方程的相對(duì)論研究者，在國(guó)際上稱為“坐標(biāo)無(wú)關(guān)論者”。他們主張坐標(biāo)在引力論中無(wú)關(guān)緊要。與此相反，周培源從一開(kāi)始進(jìn)行引力論研究時(shí)，就認(rèn)為坐標(biāo)是有物理意義的，因此他是一位“坐標(biāo)有關(guān)論者”。“坐標(biāo)有關(guān)論者”在一些特殊問(wèn)題上，引進(jìn)諧和條件以求解引力場(chǎng)方程的做法，可以追溯到1919年愛(ài)因斯坦本人。他引進(jìn)諧和條件的近似式來(lái)求解線性化了的引力場(chǎng)方程，從而獲得了引力波解，預(yù)言了引力波的存在。后來(lái)，德·東德(de Donder)將諧和條件嚴(yán)格化。1923年，郎曲斯(Lanzos)曾用這一條件得到了球?qū)ΨQ靜態(tài)引力場(chǎng)的解。沿著這條思路，1979年，周培源把嚴(yán)格的諧和條件作為一個(gè)物理?xiàng)l件添加進(jìn)引力場(chǎng)方程中，和他在北京大學(xué)的同事以及他在高能物理所的學(xué)生一起，發(fā)表了多篇論文，其中包括無(wú)限平面、無(wú)限長(zhǎng)桿、圍繞無(wú)限長(zhǎng)桿作心速轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)態(tài)解和嚴(yán)格的平面波解。面對(duì)當(dāng)前存在的兩個(gè)解，即坐標(biāo)無(wú)關(guān)論者的史瓦西解和坐標(biāo)有關(guān)論者的郎曲斯解，從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，周培源和他的學(xué)生李永貴開(kāi)始從事測(cè)量與地面垂直和與地面平行的兩種光速的比較實(shí)驗(yàn)，希望回答兩種解中哪一種更符合實(shí)際。理論上，史瓦西解得到的兩種光速的一級(jí)近似之差與光速之比為7×10１０，而郎曲斯解的這一比值為零。目前，李永貴所獲得的這個(gè)比值在準(zhǔn)確到10９時(shí)表明：兩種光速是相等的。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)仍在進(jìn)行中，以期取得更高一級(jí)的近似。這是“坐標(biāo)有關(guān)論者”同“坐標(biāo)無(wú)關(guān)論者”兩種理論較量中的關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)。它的進(jìn)一步結(jié)果，將是整個(gè)物理界所關(guān)心的。在應(yīng)用廣義相對(duì)論于宇宙方面，周培源于1939年證實(shí)了在均勻性或各向同性的條件下，可以將過(guò)去常用的宇宙度規(guī)(Friedman度規(guī))簡(jiǎn)化，并使求解問(wèn)題大大簡(jiǎn)化。1987年，周培源和他的研究生黃超光將諧和條件用于宇宙論，得到了新的結(jié)果。他們用引力場(chǎng)中的電磁理論來(lái)計(jì)算宇宙中后移星系輻射光的強(qiáng)度，由此導(dǎo)出新的紅移關(guān)系與該星的質(zhì)量有關(guān)。周培源是我國(guó)湍流理論的奠基人。他從事湍流研究是從1938年開(kāi)始的。當(dāng)時(shí)，他暫時(shí)擱下了從事多年的宇宙論的研究，而將主要精力放在湍流上。流體的湍流運(yùn)動(dòng)在自然科學(xué)史上一直是困惑許多杰出科學(xué)家之謎。流體運(yùn)動(dòng)的基本方程納維-斯托克斯(Navier-Stokes)方程(簡(jiǎn)稱N-S方程)雖然早在1821年就建立了，但卻一直未能從它求出描述湍流運(yùn)動(dòng)的解來(lái)。1895年，英國(guó)雷諾(Reynolds)發(fā)現(xiàn)不可壓縮流體充分發(fā)展了的湍流運(yùn)動(dòng)可以分解為平均運(yùn)動(dòng)和脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)兩部分，并從N-S方程用平均方法導(dǎo)出了湍流平均運(yùn)動(dòng)方程。但這組方程是不封閉的。在周培源之前，人們總是從這組方程出發(fā)，引入脈動(dòng)量、平均流速對(duì)空間坐標(biāo)的梯度有關(guān)的各種假設(shè)使方程閉合，來(lái)求解流體的平均速度。周培源在國(guó)際上最早考慮脈動(dòng)方程(即N-S方程與平均運(yùn)動(dòng)方程之差)，并由這組方程導(dǎo)出二元和三元速度關(guān)聯(lián)函數(shù)所滿足的動(dòng)力學(xué)方程，再引進(jìn)必要的假設(shè)來(lái)建立湍流理論。1940年根據(jù)這一模型，他對(duì)若干流動(dòng)問(wèn)題做了具體計(jì)算，其結(jié)果與當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)符合得很好。1945年，周培源在論文《關(guān)于速度關(guān)聯(lián)和湍流漲落方程的解》中提出了兩種求解湍流運(yùn)動(dòng)的方法：一種是把平均運(yùn)動(dòng)方程和關(guān)聯(lián)函數(shù)所滿足的方程逐級(jí)近似求解；另一種是將平均運(yùn)動(dòng)方程與脈動(dòng)方程聯(lián)立求解。由于這組方程的高度復(fù)雜性，在20世紀(jì)40年代，要聯(lián)立求解是不可能的，但他的這種思路卻為湍流研究者開(kāi)辟了嶄新的途徑。上述第一種解法奠定了國(guó)際上稱為“湍流模式理論”的基礎(chǔ)，在國(guó)際上被譽(yù)為“現(xiàn)代湍流數(shù)值計(jì)算的奠基性工作”。近數(shù)十年的發(fā)展，由于高速電子計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的擴(kuò)大，愈益顯示出它的重要性。世界各國(guó)不少人沿循他的方法進(jìn)行開(kāi)拓，形成了“湍流模式理論”流派。
20世紀(jì)50年代，周培源利用一個(gè)比較簡(jiǎn)單的軸對(duì)稱渦旋模型作為湍流元的物理圖像來(lái)說(shuō)明均勻各向同性的湍流運(yùn)動(dòng)。利用湍流衰變后期雷諾數(shù)比較小的特點(diǎn)，周培源和他的學(xué)生蔡樹(shù)棠得到了最簡(jiǎn)單的均勻各向同性湍流的后期衰變運(yùn)動(dòng)的二元速度關(guān)聯(lián)函數(shù)，在這一思路的基礎(chǔ)上，他的學(xué)生黃永念用同樣的方法，得到了均勻各向同性湍流三元速度關(guān)聯(lián)函數(shù)。10年以后，這個(gè)三元速度關(guān)聯(lián)函數(shù)被佩納特(Bennett)與柯?tīng)栃?Corsin)的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。與此同時(shí)，周培源還與他的學(xué)生是勛剛、李松年對(duì)高雷諾數(shù)下(即衰變初期)的均勻各向同性
的湍流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究，得到了與實(shí)驗(yàn)符合的均勻各向同性湍流在早期衰變運(yùn)動(dòng)的二元和三元速度關(guān)聯(lián)函數(shù)。為了統(tǒng)一湍流在初期和后期衰變的模型，1975年，周培源提出“準(zhǔn)相似性”的概念及與之相適應(yīng)的條件。他與黃永念把這兩個(gè)不同的相似性條件統(tǒng)一為一個(gè)確定解的物理?xiàng)l件——準(zhǔn)相似性條件。這個(gè)條件在1986年由北京大學(xué)湍流實(shí)驗(yàn)室魏中磊、諸乾康、鈕珍南和俞達(dá)成的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，從而在國(guó)際上第一次由實(shí)驗(yàn)確立了從衰變初期到后期的湍能衰變規(guī)律和微尺度擴(kuò)散規(guī)律的理論結(jié)果。其后，周培源又與黃永念計(jì)算得到衰變各期的能譜函數(shù)、能量傳遞函數(shù)等等。這些結(jié)果都得到國(guó)際同行的贊許。20世紀(jì)80年代以來(lái)，周培源又將所取得的結(jié)果與準(zhǔn)相似條件推廣到具有剪切應(yīng)力的普遍湍流運(yùn)動(dòng)中去，并引進(jìn)新的逼近求解方法，得到了新的成果。
他數(shù)十年的研究形成了自己獨(dú)立的理論體系，受到國(guó)際上重視。他取得的重大研究成果，1984年被評(píng)為國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。周培源不僅是一位很有成就的科學(xué)家，同時(shí)也是一位國(guó)內(nèi)外著名的教育家、組織管理家和社會(huì)活動(dòng)家。他從事高等學(xué)校的教授工作和教育領(lǐng)導(dǎo)工作數(shù)十年，在發(fā)展國(guó)家的教育事業(yè)、培養(yǎng)眾多的科學(xué)人才方面成績(jī)卓著，貢獻(xiàn)突出，他的不少學(xué)生已成為國(guó)際上的著名學(xué)者。周培源對(duì)青年一代非常愛(ài)護(hù)，悉心培育，適時(shí)提攜，把自己的學(xué)識(shí)、科學(xué)思想和治學(xué)方法毫無(wú)保留地傳授給年輕一代，努力為后繼人才的成長(zhǎng)鋪平道路，深受廣大學(xué)生和青年的擁戴。周培源在科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)工作、教育領(lǐng)導(dǎo)工作、眾多社會(huì)團(tuán)體的組織領(lǐng)導(dǎo)工作、國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)工作諸方面都表現(xiàn)出高超的才干，與國(guó)內(nèi)外科學(xué)界、教育界和社會(huì)各界有著廣泛的聯(lián)系和影響，并深受國(guó)內(nèi)外各界的愛(ài)戴。周培源曾數(shù)十次代表中國(guó)科學(xué)技術(shù)界出席國(guó)際會(huì)議、參加與科學(xué)技術(shù)界有關(guān)的國(guó)際活動(dòng)或率團(tuán)商談科技人員交流培養(yǎng)和國(guó)際科學(xué)合作事宜，對(duì)發(fā)展國(guó)際科學(xué)合作、推進(jìn)國(guó)際學(xué)術(shù)交流、維護(hù)和宣傳中國(guó)在國(guó)際事務(wù)中的外交政策和原則立場(chǎng)，做出了不懈的努力和寶貴的貢獻(xiàn)。周培源也是一位社會(huì)活動(dòng)家。他曾兼任過(guò)許多重要社會(huì)職務(wù)。
他曾任中國(guó)科學(xué)院副院長(zhǎng)，中國(guó)科協(xié)副主席、主席、名譽(yù)主席，中國(guó)物理學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)、名譽(yù)理事長(zhǎng)，中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、名譽(yù)理事長(zhǎng)，全國(guó)人大代表、委員，全國(guó)政協(xié)委員、副主席，九三學(xué)社主席等職。周培源在總結(jié)幾十年科學(xué)工作經(jīng)驗(yàn)時(shí)說(shuō)道：“我是做科學(xué)工作和教育工作的，自然一開(kāi)口也離不開(kāi)科學(xué)問(wèn)題和教育問(wèn)題。我做科學(xué)工作、做教育工作和‘做人’的‘秘訣’，也就是我數(shù)十年所信奉的格言‘獨(dú)立思考，實(shí)事求是，鍥而不舍，以勤補(bǔ)拙’。”“自從我在清華學(xué)校(今清華大學(xué))高等科(相當(dāng)于目前的大學(xué)一、二年級(jí))學(xué)習(xí)期間進(jìn)行三分角的科學(xué)研究開(kāi)始，近70年來(lái)我所研究的近百個(gè)科研課題，幾乎全都是我自己獨(dú)立思考選定的。我還清楚地記得，1928年我在美國(guó)準(zhǔn)備博士論文時(shí)，曾有一位英國(guó)教授向我建議了一個(gè)博士論文題目。但是，我經(jīng)過(guò)考慮之后，沒(méi)有采用英國(guó)教授的題目，而是自己選定了一個(gè)題目，并圍繞這個(gè)題目寫出了好的博士論文，加之平時(shí)學(xué)習(xí)和科學(xué)研究成果特別突出，因而獲得了美國(guó)加利福尼亞州理工學(xué)院的最高榮譽(yù)獎(jiǎng)……。”“獨(dú)立思考與兼聽(tīng)眾議是并不矛盾的，而是互相促進(jìn)、互為補(bǔ)充的兩個(gè)側(cè)面，須在實(shí)踐中恰如其分地掌握運(yùn)用。我自己有的思考也是前人思考的進(jìn)一步發(fā)展。實(shí)事求是是馬列主義思想路線的基本點(diǎn)。做科學(xué)工作、做教育工作和人生旅行，離開(kāi)了這一條就會(huì)走入歧途。眾所周知，在內(nèi)外歷史上，有的人不實(shí)事求是，靠耍陰謀、玩騙術(shù)、施詭計(jì)得逞一時(shí)，但在人類歷史的長(zhǎng)河中都無(wú)一例外的是遺臭萬(wàn)年。”“鍥而不舍或許可以說(shuō)是人生能夠辦成幾件實(shí)事的要訣之一。我記得，在20至30年代時(shí)，我選定了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論引力論和流體力學(xué)的湍流理論作為科研和教學(xué)的主攻方向，近70年來(lái)，我的科學(xué)指向始終沿著這個(gè)方向，從未動(dòng)搖和轉(zhuǎn)移；20年代，我曾研究過(guò)廣義相對(duì)論引力論并取得了一些成果，在40多年專事流體力學(xué)的研究之后，又回過(guò)頭來(lái)繼續(xù)廣義相對(duì)論引力論的研究；在引力論研究中，20年代我曾提出‘坐標(biāo)有關(guān)’論；直到90年代仍在進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)以充分地證實(shí)它；1975年我提出了湍流理論研究中的‘準(zhǔn)相似性條件’，直到1986年還在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作；1945年我提出湍流理論研究中聯(lián)立求解平均運(yùn)動(dòng)方程與脈動(dòng)方程這一困難課題，直到90年代仍在進(jìn)行研究并已取得可喜進(jìn)展。就要像錐子一樣，數(shù)十年緊緊地錐住它，就是鋼板也會(huì)錐出個(gè)孔來(lái)。如果一個(gè)人有這樣的精神和毅力，總是可以做好幾件事情的。”“以勤補(bǔ)拙，簡(jiǎn)言之就是要多干、要勤奮，不偷懶。我86歲時(shí)，工作又忙，但為了國(guó)家科學(xué)決策需要，我毫不猶豫地答應(yīng)了全國(guó)政協(xié)的委托，率領(lǐng)182位全國(guó)政協(xié)委員前往湖北省和四川省有關(guān)地區(qū)實(shí)地考察長(zhǎng)江三峽水利工程的有關(guān)問(wèn)題。我當(dāng)時(shí)沒(méi)有選取偷懶圖逸之舉。我今已年近90，社會(huì)工作很多，但我還想多做一點(diǎn)事，仍堅(jiān)持進(jìn)行科學(xué)研究和親自培養(yǎng)博士研究生等工作。人的智力和體力都是有差別的，但只要肯下工夫、多下工夫、下苦工夫，時(shí)刻勤奮，數(shù)十年如一日地頑強(qiáng)進(jìn)取，就算是一個(gè)‘拙’者，也定會(huì)做出幾件像樣的成果，節(jié)節(jié)上進(jìn)，為國(guó)家為民族為人類做出自己的貢獻(xiàn)。”
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