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熊大闰:突破传统,潜心学问

院士 星震学
紫金山天文台

院士简介

熊大闰 ,1938—,江西南昌人,天体物理学家。

1962年毕业于北京大学地球物理系,同年分配到中国科学院紫金山天文台工作。1991年当选为中国科学院学部委员(院士)。

主要从事恒星对流理论以及与之有关的恒星结构、演化和脉动稳定性研究,独立提出并发展了一种基于流体力学方程和湍流理论的非局部和非定常恒星对流理论——“熊氏对流理论”,并成功应用于太阳对流区结构、大质量恒星演化和恒星脉动的理论计算,得到比传统理论更加与观测相符的结果,解决了该领域诸多理论难题。

曾先后荣获中国科学院自然科学一等奖,国家自然科学二等奖、王丹萍科学奖和何梁何利基金科学与进步奖。

除专注科研工作外,还热心社会公益事业,在四川省汉源县进行了10年农村扶贫。通过资助修路、引水、创收项目,修建村小学、购置小型农用机械、帮扶特困户等项目,大大改善了石泉村村民的生产条件和生活环境,解决了该村及邻近村寨幼儿就近上学和营养午餐的困难。

▽ 摘自 2008年2月出版的《中国科学院院士与金陵鼓楼》,其中部分内容曾刊登于2004年2月13日出版的《光明日报》,小标题为编者添加。

⊙ 院士箴言

“在科学上要有所作为,要具备科学的洞察力和敢于突破传统的勇气;而要能将自己有限的才智充分发挥出来,则需要专心致志,潜心学问。前者我是受惠于学校教育,而后者则得益于我生性愚钝,能目不旁顾,两耳不闻窗外事。加之当时的研究环境也没有如今这么强的竞争压力和诱惑。因此能专心致志,潜心研究。至于刻苦努力的精神则可能出自遗传和青少年时期的清贫,更得益于北大校风的熏陶。”

——熊大闰

一心求学

1938年9月16日,我出生于江西吉安。那时,日寇飞机轰炸南昌,我就出生在举家向赣南撤逃的途中。我的祖父熊育锡属于被西方洋枪大炮唤醒的第一批爱国知识分子,1901年他和叔祖父熊元锷一起创办了南昌心远中学,走上了教育救国的道路,终生不倦。

心远中学与天津的南开中学(1904)、长沙的明德中学(1903)为我国最早私人兴办的三年新式中学。为创办心远中学,祖父不仅耗尽了家族的财产,在最艰难之时,还常以自己的薪金贴补办学之用。1942年祖父去世时几乎家无余财,其子孙亦大多数从事教育科技工作,无人从政为官。我的父亲就在心远中学教体育。

祖父是一位坚定的“中体西用”论者,他曾在考察日本教育回国后的一次欢迎会上说:“我国人道德高厚,文学渊博。如范文正(编者注:范仲淹)、曾文正(编者注:曾国藩)诸公,皆余所崇拜,而为日人所万不能及者。至中国之所不如他人者,即所谓物质文明也。”

抗日战争胜利后,我们又举家随心远中学返回南昌,家庭经济状况开始急剧恶化,生活日益艰难。解放后,父亲调往外县任教,收入骤降。在南昌的母亲和我们四个未成年兄妹只是依靠不多的积蓄和变卖原本不多的家具杂物,以及亲友的全力支援,才得以熬过这一段最艰难的岁月。1962年我们兄妹先后大学毕业,花了几年时间才陆续偿还了那时期所欠下的债务。

我在少年时期最喜爱数学,特别是几何学。我所念的实验小学和南昌第一中学,都是南昌最好的学校,师资力量相当强。老师们个个兢兢业业,视教学为一种崇高的事业。那时学习负担非常轻,有大量的课余时间。我喜爱运动,特别是乒乓球、篮球和游泳。爱好看小说,我最喜爱的作家有屠格涅夫、普希金、莱蒙托夫、雨果、梅里美、司汤达、史蒂文森、司各特、肖洛霍夫等。有时一天就读一本,追求情节,不求甚解,因此大量的阅读几乎没给我写作水平的提高带来多大的好处。然而对我的立身处世,却有着潜移默化的影响。我还记得我读的最早一本启蒙读物是《苦儿流浪记》,在大学时我又重读了一遍。到不惑之年,我还津津有味地看过由它改编的电视连续剧和儿童动画片。每看一次,我都被感动得热泪盈眶。

在北大求学时的熊大闰

1956年,我大出意料之外地考入了北京大学物理系。到北京大学似乎进入了另一个世界,大大开阔了我的眼界,方知世界是竟有这么多精妙的学问待我们去学习。我贪婪地阅读着大量的书籍,整整6年没有回过家,连十三陵和八达岭也未去游玩过。我进校时的北大校长是马寅初先生,他不幸因人口论而含不白之冤达30年之久。他那种强烈的社会责任感和坚持真理的勇气深深铭刻在我心中,激励着我前进。

⊙ 潜心科研

1962年我自北京大学毕业分配到紫金山天文台恒星研究室,从事变星光电测光的观测研究。此时我国天文学正经历着从天体力学主导向天体物理主流的转变过程。作为一名具有正宗物理学背景的学生加入天文学的队伍,无疑占据某些先机和优势。每当进入一个天文学问题时,我总是以物理学家的目光来审视和思考。参加工作后,经过一段时间的学习和调研,我很快进入了角色。

熊大闰院士在工作

当时科学院的口号是:干一行爱一行,行行出状元。根据当时天文学的发展,在变星领域和光电测光研究手段所及的研究范围,我提出了如下三个研究课题和方向:

1)白矮星的脉动性质是怎样的?

2)利用多色测光和偏振测光研究天体的辐射性质和从事星际介质物理的研究。

3)恒星对流对变星脉动有何影响?

这三个问题都具有很强的物理背景,而第一和第三个课题更具有某种程度的开创性。

1964年前后,在一台机械的电动计算机上,我完成了钱德拉塞卡完全电子简并白矮星模型(钱氏该工作80年代获诺贝尔物理奖)的脉动理论计算。投天文学报,后因十年动乱,天文学报停刊而未能发表。1967年发现脉冲星(后获诺贝尔物理奖),开始时它曾被认为可能是白矮星(实为中子星),人们才开始竞相研究白矮星脉动。

熊大闰院士在工作

恒星对流理论以及与之相关的恒星结构、演化和脉动稳定性的研究伴随了我一生。因此可以说,我一生的研究轨迹基本上是由我参加工作后最初的3年所确定的。

对流是一种非常普遍的自然现象,辐射与对流是天体内部二种主要的传能机制。由于天体的巨大尺度,天体中的对流大都呈现完全的湍流运动状态。对流引起天体内部的能量、动量和物质的传输与交换,从而严重影响恒星的内部结构、演化和脉动的稳定性。

由于湍流理论发展的不完善,至今天文学广为应用的仍是一种所谓混合长的恒星对流理论。它并不是一种遵循流体力学方程和湍流理论的动力学理论,而是一种将湍流元类比于气体分子的唯象理论,其最大的优点是物理的直观性和使用的简单性,但其根本缺点就在于它不能给湍动对流的动力学过程以精确的数学描述。在处理非局部对流和非定常对流时,其缺点就显得格外突出和不可容忍,甚至导致矛盾和不自恰。

大多数变星都具有延伸程度不等的表面对流区。对流通过对流传能(对流与变星脉动的热力学耦合)、湍流压和湍流粘滞性(动力学耦合)影响着变星的脉动稳定性。

我从定性的分析得知,湍流压一般起激发作用,而湍动热对流与湍流粘滞性则是阻尼作用。三者的相对大小随恒星的内部结构性质而变化,从而导致具有延伸对流包层低温恒星脉动特性的千变万化。为定量处理对流与脉动的耦合,就需要发展一种非定常的恒星对流理论。早在1964年前后我就提出了这个课题,并初步构想,能否仿照分子输运理论那样,建立一个类似于玻尔兹曼方程那样的推求湍流速率分布的方程。一旦找到湍流速率分布函数,则所有的湍动热对流、湍流压和湍流粘滞性则均可得到。这个理论构想被十年动乱整整耽搁了整整十年,于1975年前后才又得以重新开始着手研究。

随着研究的深入和对湍流知识的加深,我才开始认识到湍流实际上比分子运动要更为复杂。分子除在短暂的碰撞瞬间外,基本上是自由的,因而可认为是一近独立子系。通过玻尔兹曼方程,可以建立一套优美的分子输运理论。而流体则处在连续不断的相互作用中。产生于流场某处的局部扰动,通过压力变化可以迅速波及整个流场。流体运动的非线性和非局部性是湍动对流理论困难性的根本所在。为避免唯象理论的固有缺点,我认为最好将恒星对流理论建立在流体力学方程和湍流理论基础上。其优点是:

第一,这样的理论将具有更坚实的物理基础,能更正确地描述湍动对流的动力学行为。

第二,我们能借助湍流理论现有的研究成果。

第三,其理论形式将更为统一,便于推广。

例如,沿着同一的理论模式,我们能建立定常的和非定常的,局部的和非局部的,化学均匀的和化学不均匀恒星的,径向和非径向脉动的恒星对流理论。特别对于化学非均匀的和恒星非径向脉动,至今只有我们的理论能予以处理。经过几年的探索,1977年我提出一种非定常湍动对流的统计理论。随后就将它用于变星脉动理论计算,成功解释了造父变星和天琴座RR型变星脉动不稳定区低温(红)边界存在的理论难题。

我随后的研究发现,大质量恒星演化中著名的所谓半对流理论矛盾实际上是局部对流理论引起的。当时国际上通行的办法是仍保持对流的局部处理,而人为地引进一个所谓半对流区来弥补因对流的局部处理而导入的矛盾。很自然,并不存在一种自恰的方法去构成这个所谓半对流区。不同的研究者采用各自的方法,这引起恒星演化计算很大的不确定性。

这至今仍是恒星演化理论最重要的理论困难之一。我则认为,如果恢复对流的非局部描述,则上述局部对流理论导入的矛盾将会自动消失。因此1979年我提出一种非局部对流的统计理论,随后又将其推广到化学非均匀恒星组态更为一般的形式,并得到一组非局部对流理论下恒星演化计算的自恰封闭方程组。由于当时计算条件极端恶劣,我差不多花了整整五年时间,才完成了利用上述新的恒星演化计算方案,大质量恒星主序后的早期演化的理论计算。正如我理论预期的那样,半对流的理论矛盾确实自行消失了。与传统理论相比,我们新理论主序带更宽,更亮,这有利于解释著名的所谓造父变星质量矛盾以及缓和理论与观测的亮星在赫-罗图上的分布之间的矛盾。

探索自然规律是基础研究的最直接目的。基础研究需要有一个相对稳定的科技政策和宽松的科研环境。在这个问题上我们有过成功的经验,也经受过惨痛的教训。近几年来,国家加大了科技的投入,科技人员的收入也有大幅度的提高。总的形势是好的,但功利主义和浮躁情绪有泛滥成灾之势。科技人员忙于跟着评审、评比和奖励的指挥棒转。滥施大棒,广散糖弹都可以害了科学家。急功近利的政策导向难以出影响深远的科技重大成果,而只能引导出一大批短平快的小文章。这种倾向若不能得到及时纠正,将对我国科学的长远发展造成严重的损害。

生活中的熊大闰

⊙ 研无止境

▽ 摘自 熊大闰《我与鼓楼医院》

鼓楼医院、南京大学和我们紫金山天文鼓楼办公大楼距离古老的南京鼓楼城楼都不足100米,加之紫金山天文台与南京大学的历史渊源,使得我们之间的关系非比寻常。我几次重病住院都在鼓楼医院。

2014年秋体检发现我患肺病,住进鼓楼医院。生老病死是自然规律,无人能逃过这个轮回,所以我并不惊恐,但想到多年的研究成果,尚未写出研究报告,就这样烂在肚子里岂不可惜。于是抓紧时间,用两个月赶写了两篇研究论文的初稿,后于2016年和2018年分别发表在国际知名的天文学杂志《英国皇家天文学会月刊》(MNRAS)上。

……

2020年我再次住进鼓楼医院老年科病房。在住院治疗的一个月时间里,我又完成了一篇科学论文《恒星对流理论以及与之相关的恒星结构、演化和脉动稳定性问题》的修改定稿工作。该文是我60年科学工作的全面总结,现已发表在国际期刊《天文学与空间科学前沿》的邀请评述论文专辑《星震学的未来》上。

……

轮值主编:袁强

编辑:王科超

评论
无限探索者
少师级
熊大闰是个能上天,也能入地的人,在天体物理、支农扶贫方面大有作为。他的榜样不仅是怎样做事业,而且是怎样做人。
2022-09-16
科普 风清扬
举人级
在科学上要有所作为,要具备科学的洞察力和敢于突破传统的勇气;而要能将自己有限的才智充分发挥出来,则需要专心致志,潜心学问。 熊大闰院士
2022-09-17
科普老兵闻向东
少师级
急功近利这种倾向若不能得到及时纠正,将对我国科学的长远发展造成严重的损害。搞科研就需要熊大闺这样的人!
2022-09-17