周培源：中國科學院學部委員(院士)、理論物理學家、流體力學家
來源：????時間：2015-08-22周培源(1902年8月28日—1993年11月24日)，出生于江蘇宜興，理論物理學家、流體力學家。1955年當選為中國科學院學部委員(院士)。1952年加入九三學社。九三學社第三屆中央委員會委員，第四屆中央委員會常委，第五、六、七屆中央委員會副主席，第八屆中央委員會主席，第九屆中央委員會名譽主席。
周培源出生于江蘇省宜興縣的一個書香門第。其父是清朝秀才。中學時期在上海圣約翰大學附屬中學學習。1919年考入清華學校(今清華大學前身)中等科，1924年清華學校高等科畢業(yè)。1924年赴美國，在芝加哥大學學習。1926年獲學士、碩士學位。1927年到美國加利福尼亞理工學院攻讀研究生，做相對論方面的研究。1928年獲博士學位。1928年秋，周培源赴德國萊比錫大學，在WK海森伯(Heisenberg)教授指導下從事科學研究；1929年赴瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學，在W泡利(Pauli)教授指導下從事理論物理研究。1929年回國后，任清華大學物理系教授。
1936—1937年，周培源又赴美國，在普林斯頓高等研究院參加A愛因斯坦(Einstein)教授領導的廣義相對論討論班，并從事相對論引力論和宇宙論的研究。1937年回國后，曾任長沙臨時大學、西南聯(lián)合大學物理系教授，并從事流體力學湍流理論方面的科學研究。1943—1946年，周培源再次赴美國，先在加利福尼亞州理工學院進行流體力學湍流理論方面的科學研究，后在美國國防委員會戰(zhàn)時科學研究與發(fā)展局、海軍軍工試驗站從事魚雷空投入水的戰(zhàn)事科學研究。1946年赴英國出席牛頓誕生300周年紀念會、國際科學聯(lián)合會理事會，并到法國出席第六屆國際應用力學大會(被該大會和新成立的國際理論與應用力學聯(lián)合會選為理事)。1947年回國后，繼續(xù)任清華大學教授兼教務長、校務委員會副主任。1952年至1981年任北京大學教授、教務長、副校長、校長等職。自1926年以來，周培源主要從事物理學的基礎理論中難度最大的兩個方面——愛因斯坦廣義相對論引力論和流體力學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
教育事業(yè)和組織領導國家科學文化等方面做出了重要貢獻。周培源對廣義相對論產(chǎn)生興趣，應追溯到1926年他在芝加哥大學求學時期，以后的60年中他一直在這個領域內(nèi)執(zhí)著地探索著。
廣義相對論在物理上取得了許多輝煌成就，但從一開始就存在著一個困難，這就是，表達引力場的方程是一個包含10個二階非線性偏微分方程的方程組，而這10個方程之間又存在著4個獨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個引力函數(shù)的確定解。周培源一進入相對論領域便抓住這個難題，主張引進另外的物理條件才能求解出引力函數(shù)的確定解。沿循這個思路，周培源在20世紀20年代用引入新物理條件的辦法獲得了軸對稱靜態(tài)引力場的若干解，以后又于20世紀30年代在引入各向同性條件下，又求得了與靜止場不同類型的嚴格解。
與此同時，國際上的同行學者為了克服上述困難，采用坐標變換的方法來減少引力函數(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——球對稱靜態(tài)引力場的嚴格解，例如史瓦西(Schwazchild)解，而對眾多的其他物理問題仍然束手無策。沿著這條思路求解引力場方程的相對論研究者，在國際上稱為“坐標無關論者”。他們主張坐標在引力論中無關緊要。與此相反，周培源從一開始進行引力論研究時，就認為坐標是有物理意義的，因此他是一位“坐標有關論者”。“坐標有關論者”在一些特殊問題上，引進諧和條件以求解引力場方程的做法，可以追溯到1919年愛因斯坦本人。他引進諧和條件的近似式來求解線性化了的引力場方程，從而獲得了引力波解，預言了引力波的存在。后來，德·東德(de Donder)將諧和條件嚴格化。1923年，郎曲斯(Lanzos)曾用這一條件得到了球對稱靜態(tài)引力場的解。沿著這條思路，1979年，周培源把嚴格的諧和條件作為一個物理條件添加進引力場方程中，和他在北京大學的同事以及他在高能物理所的學生一起，發(fā)表了多篇論文，其中包括無限平面、無限長桿、圍繞無限長桿作心速轉動的穩(wěn)態(tài)解和嚴格的平面波解。面對當前存在的兩個解，即坐標無關論者的史瓦西解和坐標有關論者的郎曲斯解，從20世紀70年代開始，周培源和他的學生李永貴開始從事測量與地面垂直和與地面平行的兩種光速的比較實驗，希望回答兩種解中哪一種更符合實際。理論上，史瓦西解得到的兩種光速的一級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比值在準確到10９時表明：兩種光速是相等的。這項實驗仍在進行中，以期取得更高一級的近似。這是“坐標有關論者”同“坐標無關論者”兩種理論較量中的關鍵性實驗。它的進一步結果，將是整個物理界所關心的。在應用廣義相對論于宇宙方面，周培源于1939年證實了在均勻性或各向同性的條件下，可以將過去常用的宇宙度規(guī)(Friedman度規(guī))簡化，并使求解問題大大簡化。1987年，周培源和他的研究生黃超光將諧和條件用于宇宙論，得到了新的結果。他們用引力場中的電磁理論來計算宇宙中后移星系輻射光的強度，由此導出新的紅移關系與該星的質量有關。周培源是我國湍流理論的奠基人。他從事湍流研究是從1938年開始的。當時，他暫時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。流體的湍流運動在自然科學史上一直是困惑許多杰出科學家之謎。流體運動的基本方程納維-斯托克斯(Navier-Stokes)方程(簡稱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動的解來。1895年，英國雷諾(Reynolds)發(fā)現(xiàn)不可壓縮流體充分發(fā)展了的湍流運動可以分解為平均運動和脈動運動兩部分，并從N-S方程用平均方法導出了湍流平均運動方程。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)，引入脈動量、平均流速對空間坐標的梯度有關的各種假設使方程閉合，來求解流體的平均速度。周培源在國際上最早考慮脈動方程(即N-S方程與平均運動方程之差)，并由這組方程導出二元和三元速度關聯(lián)函數(shù)所滿足的動力學方程，再引進必要的假設來建立湍流理論。1940年根據(jù)這一模型，他對若干流動問題做了具體計算，其結果與當時的實驗符合得很好。1945年，周培源在論文《關于速度關聯(lián)和湍流漲落方程的解》中提出了兩種求解湍流運動的方法：一種是把平均運動方程和關聯(lián)函數(shù)所滿足的方程逐級近似求解；另一種是將平均運動方程與脈動方程聯(lián)立求解。由于這組方程的高度復雜性，在20世紀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辟了嶄新的途徑。上述第一種解法奠定了國際上稱為“湍流模式理論”的基礎，在國際上被譽為“現(xiàn)代湍流數(shù)值計算的奠基性工作”。近數(shù)十年的發(fā)展，由于高速電子計算機計算能力的擴大，愈益顯示出它的重要性。世界各國不少人沿循他的方法進行開拓，形成了“湍流模式理論”流派。
20世紀50年代，周培源利用一個比較簡單的軸對稱渦旋模型作為湍流元的物理圖像來說明均勻各向同性的湍流運動。利用湍流衰變后期雷諾數(shù)比較小的特點，周培源和他的學生蔡樹棠得到了最簡單的均勻各向同性湍流的后期衰變運動的二元速度關聯(lián)函數(shù)，在這一思路的基礎上，他的學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聯(lián)函數(shù)。10年以后，這個三元速度關聯(lián)函數(shù)被佩納特(Bennett)與柯爾辛(Corsin)的實驗所證實。與此同時，周培源還與他的學生是勛剛、李松年對高雷諾數(shù)下(即衰變初期)的均勻各向同性
的湍流運動進行了研究，得到了與實驗符合的均勻各向同性湍流在早期衰變運動的二元和三元速度關聯(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“準相似性”的概念及與之相適應的條件。他與黃永念把這兩個不同的相似性條件統(tǒng)一為一個確定解的物理條件——準相似性條件。這個條件在1986年由北京大學湍流實驗室魏中磊、諸乾康、鈕珍南和俞達成的實驗所證實，從而在國際上第一次由實驗確立了從衰變初期到后期的湍能衰變規(guī)律和微尺度擴散規(guī)律的理論結果。其后，周培源又與黃永念計算得到衰變各期的能譜函數(shù)、能量傳遞函數(shù)等等。這些結果都得到國際同行的贊許。20世紀80年代以來，周培源又將所取得的結果與準相似條件推廣到具有剪切應力的普遍湍流運動中去，并引進新的逼近求解方法，得到了新的成果。
他數(shù)十年的研究形成了自己獨立的理論體系，受到國際上重視。他取得的重大研究成果，1984年被評為國家自然科學二等獎。周培源不僅是一位很有成就的科學家，同時也是一位國內(nèi)外著名的教育家、組織管理家和社會活動家。他從事高等學校的教授工作和教育領導工作數(shù)十年，在發(fā)展國家的教育事業(yè)、培養(yǎng)眾多的科學人才方面成績卓著，貢獻突出，他的不少學生已成為國際上的著名學者。周培源對青年一代非常愛護，悉心培育，適時提攜，把自己的學識、科學思想和治學方法毫無保留地傳授給年輕一代，努力為后繼人才的成長鋪平道路，深受廣大學生和青年的擁戴。周培源在科學領導工作、教育領導工作、眾多社會團體的組織領導工作、國家領導工作諸方面都表現(xiàn)出高超的才干，與國內(nèi)外科學界、教育界和社會各界有著廣泛的聯(lián)系和影響，并深受國內(nèi)外各界的愛戴。周培源曾數(shù)十次代表中國科學技術界出席國際會議、參加與科學技術界有關的國際活動或率團商談科技人員交流培養(yǎng)和國際科學合作事宜，對發(fā)展國際科學合作、推進國際學術交流、維護和宣傳中國在國際事務中的外交政策和原則立場，做出了不懈的努力和寶貴的貢獻。周培源也是一位社會活動家。他曾兼任過許多重要社會職務。
他曾任中國科學院副院長，中國科協(xié)副主席、主席、名譽主席，中國物理學會理事長、名譽理事長，中國力學學會副理事長、名譽理事長，全國人大代表、委員，全國政協(xié)委員、副主席，九三學社主席等職。周培源在總結幾十年科學工作經(jīng)驗時說道：“我是做科學工作和教育工作的，自然一開口也離不開科學問題和教育問題。我做科學工作、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‘獨立思考，實事求是，鍥而不舍，以勤補拙’。”“自從我在清華學校(今清華大學)高等科(相當于目前的大學一、二年級)學習期間進行三分角的科學研究開始，近70年來我所研究的近百個科研課題，幾乎全都是我自己獨立思考選定的。我還清楚地記得，1928年我在美國準備博士論文時，曾有一位英國教授向我建議了一個博士論文題目。但是，我經(jīng)過考慮之后，沒有采用英國教授的題目，而是自己選定了一個題目，并圍繞這個題目寫出了好的博士論文，加之平時學習和科學研究成果特別突出，因而獲得了美國加利福尼亞州理工學院的最高榮譽獎……。”“獨立思考與兼聽眾議是并不矛盾的，而是互相促進、互為補充的兩個側面，須在實踐中恰如其分地掌握運用。我自己有的思考也是前人思考的進一步發(fā)展。實事求是是馬列主義思想路線的基本點。做科學工作、做教育工作和人生旅行，離開了這一條就會走入歧途。眾所周知，在內(nèi)外歷史上，有的人不實事求是，靠耍陰謀、玩騙術、施詭計得逞一時，但在人類歷史的長河中都無一例外的是遺臭萬年。”“鍥而不舍或許可以說是人生能夠辦成幾件實事的要訣之一。我記得，在20至30年代時，我選定了愛因斯坦廣義相對論引力論和流體力學的湍流理論作為科研和教學的主攻方向，近70年來，我的科學指向始終沿著這個方向，從未動搖和轉移；20年代，我曾研究過廣義相對論引力論并取得了一些成果，在40多年專事流體力學的研究之后，又回過頭來繼續(xù)廣義相對論引力論的研究；在引力論研究中，20年代我曾提出‘坐標有關’論；直到90年代仍在進行科學實驗以充分地證實它；1975年我提出了湍流理論研究中的‘準相似性條件’，直到1986年還在進行實驗驗證工作；1945年我提出湍流理論研究中聯(lián)立求解平均運動方程與脈動方程這一困難課題，直到90年代仍在進行研究并已取得可喜進展。就要像錐子一樣，數(shù)十年緊緊地錐住它，就是鋼板也會錐出個孔來。如果一個人有這樣的精神和毅力，總是可以做好幾件事情的。”“以勤補拙，簡言之就是要多干、要勤奮，不偷懶。我86歲時，工作又忙，但為了國家科學決策需要，我毫不猶豫地答應了全國政協(xié)的委托，率領182位全國政協(xié)委員前往湖北省和四川省有關地區(qū)實地考察長江三峽水利工程的有關問題。我當時沒有選取偷懶圖逸之舉。我今已年近90，社會工作很多，但我還想多做一點事，仍堅持進行科學研究和親自培養(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，時刻勤奮，數(shù)十年如一日地頑強進取，就算是一個‘拙’者，也定會做出幾件像樣的成果，節(jié)節(jié)上進，為國家為民族為人類做出自己的貢獻。”
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