引发虎门大桥振动的“卡门涡街”的启示：伟大的发现往往与应用无关 | 王育人

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导读


“科学问题只分两类，解决了的科学问题和没有解决的科学问题。它没有问题大小的区别，因为你不知道一个科学问题在未来一百年，甚至一千年以后到底能够发挥多大的作用。”
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王育人

 中国科学院力学研究所研究员

今天，我想分享的主题是“科学、技术与人的选择”。研究者的困惑作为一个研究者感到最大的困惑是什么？我在念初中高中的时候对科学很感兴趣，因为在广阔的宇宙中，人是很渺小的，所以我就想，人是从哪里来的呢？这个宇宙还藏了什么样的秘密？作为一个年轻人，对科学的兴趣首先源于一颗单纯的好奇心。 当我念完硕士、博士，进入中国科学院，成为一个研究者，真正以科学为职业，以科学为生计时遇到了一个困惑，这个困惑一直伴随我到现在。 作为一个研究者，首先要选择研究方向，也就是课题，那么研究什么样的课题才有意义？是研究促进知识发展的课题还是研究技术的课题？这些课题会带来前途吗？要搞清楚这个问题，首先要弄明白科学与技术之间的关系。

卡门涡街的故事

在这之前，我想用“卡门涡街的故事”来解释这个问题。 这是位于美国华盛顿州的塔科马大桥，这座大桥的跨度有853.4米，始建于1940年7月。在它建成通车4个月后，也就是当年11月，一个19米/秒，相当于八、九级的风把它吹塌了。当时一个摄影团队正好路过这座桥，拍下了一段短视频。视频中桥被风吹得来回摇摆，接着这座桥竟然被风吹塌了。
塔科马大桥坍塌被称为“20世纪最严重的工程设计错误之一”。
桥为什么会塌？要想解释清楚原因，就要把时间往前推到1911年。
这个人叫冯·卡门，出生于匈牙利布达佩斯，被誉为全世界航空航天时代的科学奇才，他是美国喷气推进实验室的创始人，也是美国的火箭之父，著名的空气动力学家，还是钱学森的老师。1911年，冯·卡门工作于哥廷根大学，是一名助教。他的老师普朗特也是一位伟大的科学家，当时在哥廷根大学当教授。普朗特关心边界层问题，他曾让他的博士生哈依门兹去做一个实验。实验如图所示。在水槽里放入一个圆柱体，让左边水流以一定速度冲击这个圆柱体。哈依门兹做了这个实验，他发现当水流绕过圆柱体之后，会在后面摇摆不定，稳定不住，他把这个现象汇报给了他的老师普朗特。普朗特认为实验可能做错了，圆柱体可能不够圆，左右不够对称。他重新精确修正了这个圆柱体，但再做实验，结果还是如此。
普朗特又认为，是水槽做得不对称，于是他又去做了一个水槽并进行实验，结果还是这样。 这件事被冯·卡门关注到了。他想：尾流的摇摆不定肯定有一些物理原因，并不是实验误差造成的。于是他就对这个问题进行了深入研究，最后找到了答案。因为水流绕过圆柱体后形成的两股扰流，产生了圆柱体后的一系列涡街，这些涡街造成了尾流的摇摆不定。 他把研究结果报告给了普朗特，随后发表了相关的论文，把这种涡旋称为“卡门涡街”。他发现“卡门涡街”在律动的时候，与同行列内相邻两涡旋的间隔有一定的比值时才会稳定。 回头去看塔科马大桥的坍塌事故，这个事故之所以会发生，是因为当风吹动桥梁时，就会在桥梁后面形成“卡门涡街”，“卡门涡街”形成一定的拍动力量，以一定的频率拍动桥梁，当拍动的频率与桥梁本身固有频率相吻合的时候就会发生著名的共振现象，就是这个共振让桥塌了。
从那以后这个工程问题被弄清楚了。现在高大建筑物在建设的时候必须对风，以及风对它的影响进行计算和设计，这在建筑领域已经形成了一套标准。从科学产生到技术进步，再到行业标准需要多长的时间？我们需要注意三个年代：1911年，1940年，1960年。
1911年，“卡门涡街”现象被发现，科学解释产生。1940年大桥坍塌后到1960年才弄清楚事故的原因。直到近代，“卡门涡街”的原理才逐渐发展为一个建筑的行业标准。
无数的人参与了这个过程，无数的人做出了贡献。 它给我们的启示是一个伟大的发现必须源于对科学的兴趣。在科学兴趣产生的时候，它并不一定受利益驱动，或者说当时也许没有看到它的应用。从研究意义的角度来说就是问题的产生是有科学意义的，但不一定有技术意义。第二个启示，技术革命性的进步必须源于对科学问题的新认识，否则就不会有技术革命性的突破。 第三，科学与技术的关系是相辅相成的，过程是复杂的，周期是很长的，不是一个人就能完成的。 还有一个关键的问题，在后世评价“卡门涡街”这个发现时，那个博士生很少被提及。实际上没有他的实验，这个事情是不会被发现并且被解密的。 所以，我们不但要重视那些伟大的发现者，还要重视那些勤勤恳恳工作的普通科研人员。 从科学发展史中可以看到，无论是经典力学、相对论、量子力学，都是源于1900年左右。比如相对论，到现在它都在发挥作用。要发现引力波，要制造量子计算机，它们的基础也都源于很早以前。在历史长河中，无数人通过复杂的合作关系才产生了这么大的技术进步，可以说个人是很渺小的，但人类是伟大的，虽然进步是很慢的。

研究分享

下面我再结合我个人的研究经验回溯一下这个问题本身。
我个人的研究方向是超材料，尤其注重声学材料方面。超材料已被评为50年内十项重大突破之一。什么是超材料？原子的尺寸很小，但如果把它无限放大到肉眼可辨识的厘米级、毫米级，也把它搭成这样的结构，就会产生奇妙的东西。电子二极管的发现促进了半导体工业的革命性变革。二极管是什么？就是电流只能单向导通，不能反过来。
在声学里，很难让声音从左到右穿过一个东西，但从右到左就穿不过来了。声学的超材料发现以后，这个问题就解决了，这不是非常奇妙的一件事情吗？声学超材料可以让声进行聚焦，还可以隐身。目前已经发明出了声学斗篷，斗篷能够遮掩的物体，对方声呐是探测不到的，便隐身了。正是由于这些奇妙的特性，声学超材料才引起了我的兴趣。我们提出了声子玻璃这样的概念，也就是说我们可以提出一种宽频的，在水下能够很好地吸收声音的一种材料，可以让水下的声纳波被吸收，就可以达到隐身的效果。我们也提出了Diarc点的频率可调，声音沿着特殊的通道走，其他地方不传播。这些东西有没有用呢？当时没想这个问题，后来发现真有点用。比如说，大飞机翅膀上的发动机在下降时会有很大的噪声，要求把噪声降低，根据这些技术就可以做到减少对周围环境的噪音影响。以前声学材料都是用普通材料做的，现在可以用上超材料和由3D打印技术和其他各种技术构造出新的材料，能使噪声降低的效率更高。 比如基座，它是放在船里用来架发动机的，发动机有噪声，用这种具有减震性能的东西，可以完全隔离噪声的传播，达到静音的效果。我想说的不是研究本身，而是刚开始进行研究的时候可能并不清楚这个东西最后有什么用处，但是过后会发现它确实能够用于实际。 最后说一些个人体会。
首先，一个人要选择他的科研课题，必须立足于本专业，必须是科学问题驱动的，而且要追求创新性。第二，在搞科学问题的时候又要响应国家号召，时刻注意研究和社会需求之间有没有对应关系，要积极推动它往社会需求上转变。 第三，任何一个科学进步，要靠杰出的科学家领头，但它又是一个非常复杂的群体性行为，所以必须要关注那些普通的科学工作者。
作为一名普通科学工作者，可能穷极一生也做不出什么所谓的成就来，要做好牺牲的准备，要有默默无闻为科学奉献一辈子的精神。
此外，我个人认为科学问题只分两类，解决了的科学问题和没有解决的科学问题。它没有问题大小的区别，因为你不知道一个科学问题在未来一百年，甚至一千年以后到底能够发挥多大的作用。 技术、科学的进步都是点滴积累的。突然抱到一个金娃娃的事有吗？有，但很少。所以在科学研究的时候一定要关注点滴的进步，这些进步是普通的科学研究者做出来的，那些坐冷板凳的人做出来的。 所以我呼吁：坐冷板凳的人甘心坐冷板凳，但是不要让坐冷板凳的人心凉，全社会都要关注普通的科研工作者。

背景简介： 文章2020年5月8日发表于微信公众号 格致论道讲坛（引发虎门大桥振动的“卡门涡街”的启示：伟大的发现往往与应用无关 | 王育人），风云之声获授权转载。

责任编辑：陈昕悦