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国际著名流体力学家吴耀祖

2023年12月16日,国际著名流体力学家,杰出的华人科学家、教育家吴耀祖先生在美国逝世。100年前,吴耀祖先生出生于江苏常州,76年前,他满怀对航空科学的赤诚热爱和科技拯救人类的伟大志向,远渡重洋求学于加州理工学院,从此,把一生奉献给了世界科学领域。

吴耀祖先生集美国国家工程院院士、中国科学院外籍院士和台湾“中央研究院”院士于一身,以严谨求实的治学精神、仁义高雅的道德风貌享誉科学界,更为推动中美科学文化交流、人才培养作出了重要贡献。今天,让我们走近这位享誉世界科学界的乡贤,听一听他跌宕起伏的人生故事。

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吴氏,是中华望族,自开姓距今已有3200多年的历史。司马迁《史记》把吴泰伯世家称为第一世家,源远流长的吴氏,根深叶茂,群星璀璨,人才辈出,他们为人类的文明、进步、发展作出了巨大贡献。吴氏后裔,名人辈出,在政界、军界、商界、学术界等领域独领风骚,尤其在科学界,吴氏家族诞生了众多的杰出人才,他们延续了吴氏艰苦奋斗,开拓创新的品质,在所在的领域取得卓越成绩,为人类科技发展做出了不可磨灭的贡献。吴耀祖先生是众多吴氏名人中一颗璀璨的科技之星。

一、聪颖少年辗转大半个中国

吴耀祖于1924年3月出生在璜土镇贯巷村。祖父吴廷贤擅中医,长于外科手术,常义务出诊,单日巡北乡,双日察南方,凡乡间患疔疮者,用竹刀而非钢刀割治,十诊十愈。故于新年佳节,乡亲们来访致谢,门庭若市,祖母俱飨以汤圆蒸蛋,祖父笑容可掬,奕奕如昔。吴耀祖忆及五六岁时,助祖父磨竹刀、粘膏药,听故事,乃童年一乐事也。当年父亲吴仁甫与母亲许荷珍喜结鸾俦,外祖父许嘉树与祖父商榷筹款,力促父亲去湖南长沙明德大学攻读经济与财政学,翌年吴耀祖出世,不幸生母在他将满周岁时罹病仙逝。吴耀祖孩提时代留在常州青山桥中街外祖父家,由小姨妈季瑛协力抚养,九岁时去了河北石家庄。吴父受政府交通部委任,协助付款收购前为法国企业所创建的正太(石家庄至太原)铁路移归国有的任务,后来继续掌理该铁路的财务重职,以和善勤奋著称。

吴耀祖当年就读于正太路扶轮小学,他喜爱阅读,涉猎生物、历史、地理、初等数学物理和小说等领域。他天性好学,对这些读物饶有兴趣,班主任老师看到他放学后仍在图书馆门前描绘显微镜、望远镜,便让他在全校团体操时上台演讲。小学毕业后就读于北京市立四中,当时父亲因多年劳疾,致患肺疾,留北京西山疗养院由德国医师诊治。在他13岁那年的夏天,“七七事变”爆发,卢沟桥日军蛮横入侵,掀开八年抗战岁月。吴家迅速离京,连夜返回常州。1939年,吴耀祖遵父命转赴长沙入学明徳附中继续读书。一年后因父亲病体不堪跋涉,一家又在汉口相聚,途中曾伏地躲避日机扫射,幸免于难。国难当头的万般无奈中,吴耀祖转道经香港返回上海英法租界,重又入光华附中三年级。他的英文师从蒋鹏老师,常被叫上台背诵英文诗歌,中文师从国学泰斗王蘧常老师。吴耀祖当时常与同班同学丁汝、何诚志在课外一同研究有趣的高等几何。丁汝学成受聘于纽约市内的库朗数学研究学院教授,文献丰硕;何诚志学成归国,为国家四化建设贡献良多。到了高中,吴耀祖又考取省立上海中学,该校师资雄厚。在高三下半学期,日军入侵租界,吴耀祖与二十余年轻人连夜离沪,由东西撤,辗转游击区,最后毕业于敌后的屯溪安徽高中。六年攻读六个中学,足见战争岁月的困苦艰难。

二、负笈求学为报国

高中毕业后,吴耀祖远离父母,抵达重庆,并考入由沪迁渝的交通大学。当时交大自沪迁校来渝仅两年,校中只有大一大二两班,共四百大学生。吴耀祖因当年在日机扫射下逃生,立志主修航空工程,日后可报效祖国。1946年春,钱学森教授自美返母校上海交大演讲,在此就读的吴耀祖由航空系主任曹鹤荪教授介绍,第一次与钱老握手相识,表示有志去加州理工求学。

1946年,获上海交通大学航空工程学士学位的吴耀祖考取教育部自费留学生,于1948年获准入学美国爱荷华达州立大学。该校是美国原子能科研中心之一,因此有不少经典物理和数学物理课程可选,他选了量子物理、热力学、气体动力学、经典统计力学、微分方程五门课。当时仅求了解透彻,运作热炼,还不知将来这类难能可贵的现代物理学科在航空工程的前缘至关重要。他同时作硕士论文,研究气体分子之转动与抖动的内在热能物理,应用爱因斯坦的临界温度理论作实验测量与分析。实验用白制的锥形玻璃管,尖端直径小到一二毫米,用以截取二氧化碳气流中分子之内热分布,(其爱因斯坦之临界温度已由吴大犹大师之论文测定)。用到分子光谱等新奇仪器,学到不少实验经验。论文完成后于1948年底获航空工程硕士学位,并留校作助教。不久他申请加州理工学院被录取,并于1949年9月入学。

三、致力科研露锋芒

吴耀祖进入加州理工学院后,经历了研究生、博士后,以及三十以后再求创发的三个阶段,其间颇有机缘巧合之处。第一阶段在航空工程学科入学,师从来自耶鲁大学数学系的PacoLagerstrom教授,开创发展一项称为“奇异摄动展开理论”的学说。此学说渊源始于葛廷根大学力学大师“Ludwig Prandt”,内涵错综复杂,变异多端。极需一群英才,恳切合作去探索,一如Lagerstrom教授的研究群。1948年,Lagerstrom教授有Julian Cole与Milton Van Dyke两位学生完成博士学位。Van Dyke被国家航空署请去发展这项理论,而Cole则留校任研究员。吴耀祖是博士新生,有幸被安排与Cole两人共用一问办公室,他们推敲科研问题,总用黑板,以基本方程式、边界与初始条件留于黑板左上角备用,而用黑板推演。各自思考,也互问何如。有时一人领先,一人追随;有时一人骤然发现错误,另一人也见或未见,即需从长讨论,觉悟后也会大笑。这般以神思交织,思绪愈理愈清,问题解决彻底,内涵物理概念清晰,是教学之上上策。若问有否教授开出如此新课,恐怕只有瑞士的数学大师Hermann Weyl有此传奇之说。这是吴耀祖生平首次深度领会到,若在科研上争取突破和创新,有灵感的神思交织,不可或缺,而且这又必须先有人文修养,友谊、交往与诚信皆有助建树。

在这奇异摄动展开理论学科上,吴耀祖完成两大基础性贡献:其一是他的题为“可压缩流体热传导问题”的博士论文,阐明了热传导作用对于广义有粘、可传热、压缩流体力学的影响,这是当时在广义Navier-Stokes方程式内唯一尚未被研究过的物理热效应。其二是与Paul Rispin教授完成“滑水翘板”的非线性理论,吴总结这个重要问题,所得之分析解被认为是奇异摄动展开理论中一项重要的基础贡献。

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除致力于博士论文之外,吴耀祖尚有兴顾及其他发展,例如与Arthur Erdelyi教授学习研讨渐近展开理论,与Charles de Prima教授学习研讨微分几何,更与钱学森教授学习研讨统计物理力学。这些工作与课程修读和论文研究堪称平行进展。

四、双重恩师

吴耀祖在攻读博士期间深受冯•卡门和钱学森二位恩师的做人和治学精神影响。

1949年9月吴耀祖入学加州理工,正巧钱学森也自麻省理工返回母校,荣任喷射推进学科的教授,领导建立开创这一新的领域。钱学森自授主课,深入浅出,吴耀祖必仔细听写做笔记。那时冯卡门大师因在欧洲主持冯卡门学院,只有冬季才自欧洲返柏城故居过冬,冯卡门大师与钱学森教授恳切相知,交往如家人,令人钦羡。周末钱学森一家去冯府拜访,有时也带吴耀祖和内助琴华同去冯卡门家,进行两位大师间的深入科研探讨。他们也问起吴耀祖的论文工作进展,吴告知,问题是一个点热源在一个超音速气流内的热传效应;再问及热传循激波与尾流如何,告知热传描两侧向后倾斜的激波承等焰关系,然循尾流则不然,冯大师点头微笑;再告知热源近区内气体的动能与热能是等嫡之关键,冯大师即说这是自然之美。这几次极为宝贵的场合令吴耀祖再次深感能引起神思交织,是不易之宝。他为有幸从这两位学界大师那里学到不少深隽学识,而终生感荷。

他最为得益的是听到两位大师的高瞻远瞩,说空气动力学虽然有非线性作用,例如超音速飞机掠过,它所发激波,如雷鸣一声,轰然即过,但其内涵远不如水波。有行船重力波,池边露滴漪涟张力波,它们有非线性、更有频散性作用,(即不同波长,波速也易,法能传输之群速也不同)。这两种水波以波长1.7厘米为分界,重力波越长波速越快,毛细波则反之。一个海岸风暴所播出的海波,若在名处岸边测其波频,可以从其频散效应推算出风暴原点始自何处。一个由地震所产生的海啸波,在大洋水深为数公里中传播,通常波幅低到只有半米高,但是传到各处海岸,可以骤涨到几十米高的怒卷浪涛。有如2011年3月11日在日本仙台近岸9级地震所发的多次海波,侵岸数百公里长,倾陆数公里宽,各处波高自数米至一二十米,为害剧烈,前所未闻。总结来说,研究水波所需的数学,至为高深,一旦获得重大进展,首先能启发新的数学田园,更使其他学科得益。比如为了去闸释水波非线性效应,George Gabriel Stokes于1847年即创摄动展开理论,以后这理论几乎无日无处不被应用,似此也得归功于水波。由此启发,冯卡门与钱老在早年即举办暑期班,研讨各高阶水波,随即觅得GeorgWeinblum大师的多项水波与船波学说,这些使得吴耀祖对一般有非线性与频散性作用的演化现象激起深切兴趣,他后来的博士文也得到了钱学森的指导。

2009年钱学森逝世后,吴耀祖先生在《力学进展》发表了《悼念恩师钱学森》的文章。他在悼文中指出:我们现在恳切热诚地来追悼纪念钱学森先生,他是一位不同凡响极富传奇性的伟人,他也是一位国家的英雄。他是神童,多才多艺,对人文艺术修养,深入浅出,对数学、物理、工程,贡献丰硕。有此坚广基础,乃成两弹一星元勋,乃有安国保家的建树。有安乐,悠然见赏,有苦难,不扰清神。仁者有勇,勇者不惧,人定胜天。他赐给世界的至宝,能妙手启发、教导来者。

五、赤子之心不渝

吴耀祖教授离开祖国已经50多年,他虽然远在大洋彼岸,但是眷恋祖国的那份赤诚之心始终火热。为了促进中国的科学技术事业发展,改革开放以来,向有关方面献计献策,成为第一批归国进行学术访问的美籍华裔学者之一。日后他分别担任西安西北工业大学、哈尔滨工业大学、香港大学、重庆大学、上海大学、上海交通大学等多所高等院校的名誉教授、顾问教授,同时还是中国科学院力学研究所等的名誉研究员,并担任国内《应用数学和力学》、《水动力学研究与进展》等多家学术刊物的顾问、编委。数十年来,他每隔二三年,便要接受有关方面的邀请回国讲学及参加有关学术交流活动。1981年,吴耀祖应中国科学院副院长周培源院士之邀,与密歇根大学的易家训教授、麻省理工学院的梅强中教授一起,回国主持了为期3个月的应用数学暑期讲习班。他主讲的题目是自由流线流动和空泡流动,听众多达 100多人,均为大专院校的老师和研究机构的科研人员,在当时产生了很大的影响。2002年8月,他又应中国科学院力学研究所的邀请,回国参加纪念周培源院士诞辰 100 周年科学论坛。在与60多位硕士生、博士生进行面对面交流时,他鼓励年轻人要热爱科学,献身科学,不畏艰难,持之以恒,告诫他们只要有吃苦奉献精神,“定能取得优异成绩”,并提醒年轻学子“在从事研究工作的同时要注意身体”。

2012年6月,年近九旬的吴耀祖又一次回到了祖国。6月10日,他在中国科学院第十六次院士大会外籍院士座谈会上指出,中国科学院要坚持自己的特色,同时要在思想库建设,特别是政策研究咨询过程中,重视和加强与教育、人文、社会科学等领域专家学者的合作,实现文、理交融和优势互补。唯有如此,中国科学院才能“百尺竿头,更进一步”。吴耀祖教授虽然身居大洋彼岸,但他心系祖国,赤子之心始终不渝,对促进中国科学技术的发展满怀热情。

吴耀祖教授十分关注中国教育事业的发展,他曾指出,科研投资是非常重要的,但最关键的是要有高瞻远瞩的大师引领人才的培养。在谈到美国人如何看中国教育注重基础知识时,他称赞中国学子的基础知识比较扎实,在这点上美国学生要向中国学生学习。但中国学生仍需强调创造性能力的培养,这点我们要向外国学习。吴耀祖曾对家乡人说,中国现在发展得很快,将来也会赶上美国的。他对中国的未来充满信心。

吴耀祖科研兴趣广泛,在他的研究生涯中孜孜不倦,成果丰硕。在各领域辛勤工作,力求深入浅出,对问题的解答阐明清晰,结论尽致。吴耀祖教授不仅是一位科学家,还是一位杰出的力学教育家。他在加州理工学院长期讲授本科生核心课程和研究生高级课程,以其广博深厚的学问根底、深入浅出的授课方法、条理清晰的演讲以及对提问的耐心解答,给学生们留下了终身难忘的记忆。吴耀祖教授在培养学生的过程中,始终相信“教师可以激发所有学生的潜能,培养他们的学习能力”。他培养的博士研究生和博士后中,不仅有在国际学术界享有盛誉的流体力学专家,还有一批活跃在国际学术舞台和国内高教系统的学者。