教授简介
熊大闰,1938—,浙江嘉兴人,天体化学学家。
1962年结业于上海学院月球化学系,同年分配到中国科大学紫金山天文台工作。1991年连任为中国科大学学部委员(教授)。
主要从事星体对流理论以及与之有关的星体结构、演化和脉动稳定性研究,独立提出并发展了一种基于流体热学多项式和紊流理论的非局部和非定常星体对流理论——“熊氏对流理论”,并成功应用于太阳对流区结构、大质量星体演变和星体脉动的理论估算,得到比传统理论愈发与观测相符的结果,解决了该领域众多理论困局。
曾先后入选中国科大学自然科学银奖,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,在成都省彭山县进行了10年农村脱贫。通过捐助修路、引水、创收项目,修筑村中学、购置大型农用机械、帮扶贫困户等项目,大大改善了镇安村居民的生产条件和生活环境,解决了该村及毗邻村庄幼儿就近念书和营养早餐的困难。
▽摘自2008年2月出版的《中国科大学教授与金陵新街口》,其中部份内容曾刊载于2004年2月13日出版的《光明晚报》,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勇于突破传统的勇气;而要能将自己有限的才智充分发挥下来,则须要专心致志,勤于学问。后者我是受益于中学教育,而前者则得益于我生性怯懦,能目不旁顾,两耳不闻窗前事。加之当时的研究环境也没有现在如此强的竞争压力和诱惑。因而能专心致志,勤于研究。至于勤奋努力的精神则可能出自遗传和中学生时期的清贫,更得益于清华学风的薰陶。”
——熊大闰
⊙一心求学
1938年9月16日,我出生于湖北宜春。那时,日军客机轰炸南京,我就出生在举家向闽西撤逃的途中。我的舅父熊育锡属于被西方洋枪大炮唤起的第一批爱国知识分子,1901年他和叔祖母熊元锷一起创立了广州心远小学,走上了教育救国的公路,终身不倦。
心远学校与重庆的南开学校(1904)、长沙的明德学校(1903)为我国最早私人兴办的两年旧式小学。为创立心远小学,叔父除了用尽了家族的财产,在最艰辛之时,还常以自己的薪资贴办理学之用。1942年叔父逝世时几乎家无余财,其子孙亦大多数从事教育科技工作,无人从政为官。我的妈妈就在心远小学教体育。
祖母是一位坚定的“中体西用”论者,他曾在考察台湾教育归国后的一次欢迎会上说:“我国人道德高厚,文学渊博。如例文正(编者注:范仲淹)、曾文正(编者注:曾国藩)使君,皆余所崇敬,而为日人所万不能及者。至中国之所不如别人者,即所谓物质文明也。”
抗战战争胜利后,我们又举家随心远小学返回南京,家庭经济状况开始大幅恶化,生活日渐艰辛。解放后,母亲调往外地任教,收入下降。在广州的女儿和我们四个未成年父子只是借助不多的积蓄和变卖起初不多的灯具杂物,以及亲友的竭力增援,才得以度过这一段最艰辛的时光。1962年我们父子先后学院结业,花了几年时间才相继还清了那时期所欠下的债权。
我在少年时期最喜爱物理,非常是几何学。我所念的实验中学和南京第二中学,都是广州最好的中学,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。那时学习负担十分轻,有大量的闲暇时间。我喜爱运动,非常是兵乓球、篮球和游泳。爱好看小说,我最喜爱的诗人有屠格涅夫、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。有时三天就读一本,追求情节,不求甚解,因而大量的阅读几乎没给我写作水平的提升带来多大的用处。但是对我的立命处事,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》,在学院时我又重读了一遍。到弱冠之年,我还津津有味地看过由它改编的电视电影和儿童动画片。每看一次,我都被感动得热泪盈眶。
在清华求学时的熊大闰
1956年,我大出预料之外地考入了上海学院化学系。到上海学院虽然步入了另一个世界,大大宽阔了我的眼界z中科院天体物理专业的学生毕业去向,方知世界是竟有如此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,连定陵和古北口也未去游览过。我进校时的清华市长是马寅初先生,他不幸因人口论而含不白之冤达30年之久。他那个强烈的社会责任感和坚持真理的勇气深深镌刻在我心里,激励着我前进。
⊙潜心科研
1962年我自上海学院结业分配到紫金山天文台星体研究室,从事变星光电对焦的观测研究。此时我国天文学正经历着从天体热学主导向天体化学主流的转变过程。作为一名具有纯正数学学背景的中学生加入天文学的队伍,无疑抢占个别先机和优势。每每步入一个天文学问题时,我总是以化学学家的眼神来考量和思索。出席工作后,经过一段时间的学习和督查,我很快进入了角色。
熊大闰教授在工作
当时科大学的标语是:干一行爱一行,行行出状元。按照当时天文学的发展,在变星领域和光电对焦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如何的?
2)借助多色对焦和偏振光对焦研究天体的幅射性质和从事星际介质化学的研究。
3)星体对流对变星脉动有何影响?
这三个问题都具有很强的化学背景,而第一和第三个课题更具有某种程度的开创性。
1964年前后z中科院天体物理专业的学生毕业去向,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年代获诺贝尔化学奖)的脉动理论估算。投天文学报,后因六年政变,天文学报休刊而未能发表。1967年发觉脉冲星(后获诺贝尔化学奖),开始时它曾被觉得可能是白矮星(实为中子星),人们才开始竞相研究白矮星脉动。
熊大闰教授在工作
星体对流理论以及与之相关的星体结构、演化和脉动稳定性的研究伴随了我一生。因而可以说,我一生的研究轨迹基本上是由我出席工作后最初的3年所确定的。
对流是一种十分普遍的自然现象,幅射与对流是天体内部二种主要的传能机制。因为天体的巨大尺度,天体中的对流大都呈现完全的紊流运动状态。对流导致天体内部的能量、动量和物质的传输与交换,因而严重影响星体的内部结构、演化和脉动的稳定性。
因为紊流理论发展的不健全,至今天文学广为应用的仍是一种所谓混和长的星体对流理论。它并不是一种遵守流体热学多项式和紊流理论的动力学理论,而是一种将紊流元类比于二氧化碳分子的唯象理论,其最大的优点是数学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热学过程以精确的物理描述。在处理非局部对流和非定常对流时,其缺点就变得愈加突出和不可容忍,甚至造成矛盾和不自恰。
大多数变星都具有延展程度不等的表面对流区。对流通过对留传能(对流与变星脉动的热力学耦合)、湍流压和紊流粘滞性(动力学耦合)影响着变星的脉动稳定性。
我从定性的剖析获知,紊流压通常起迸发作用,而湍动热对流与紊流粘滞性则是减振作用。两者的相对大小随星体的内部结构性质而变化,进而造成具有延展对流包层高温星体脉动特点的千变万化。为定量处理对流与脉动的耦合,就须要发展一种非定常的星体对流理论。早在1964年前后我就提出了这个课题,并初步设想,能够仿造分子输运理论那样,构建一个类似于玻尔兹曼多项式那样的推求紊流速度分布的等式。一旦找到紊流速度分布函数,则所有的湍动热对流、湍流压和紊流粘滞性则均可得到。这个理论设想被六年政变整整耽误了整整六年,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紊流知识的加深,我才开始认识到紊流实际上比分子运动要更为复杂。分子除在短暂的碰撞顿时外,基本上是自由的,因此可觉得是一近独立子系。通过玻尔兹曼等式,可以构建一套优美的分子输运理论。而流体则处在连续不断的互相作用中。形成于紊流某处的局部扰动,通过压力变化可以迅速殃及整个紊流。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。为防止唯象理论的固有缺点,我觉得最好将星体对流理论构建在流体热学多项式和紊流理论基础上。其优点是:
第一,这样的理论将具有更坚实的数学基础,能更正确地描述湍动对流的动力学行为。
第二,我们能利用紊流理论现有的研究成果。
第三,其理论方式将更为统一,以便推广。
比如,顺着同一的理论模式,我们能完善定常的和非定常的,局部的和非局部的,物理均匀的和物理不均匀星体的,径向和非径向脉动的星体对流理论。非常对于物理非均匀的和星体非径向脉动,至今只有我们的理论能给以处理。经过几年的探求,1977年我提出一种非定常湍动对流的统计理论。随即就将它用于变星脉动理论估算,成功解释了造父变星和天龙座RR型变星脉动不稳定区高温(红)边界存在的理论困局。
我此后的研究发觉,大质量星体演变中知名的所谓半对流理论矛盾实际上是局部对流理论引发的。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填补因对流的局部处理而导出的矛盾。很自然,并不存在一种自恰的方式去构成这个所谓半对流区。不同的研究者采用各自的方式,这导致星体演变估算很大的不确定性。
这至今仍是星体演变理论最重要的理论困难之一。我则觉得,假若恢复对流的非局部描述,则上述局部对流理论导出的矛盾将会手动消失。因而1979年我提出一种非局部对流的统计理论,此后又将其推广到物理非均匀星体组态更为通常的方式,并得到一组非局部对流理论下星体演变估算的自恰封闭等式组。因为当时估算条件极端恶劣,我差不多花了整整两年时间,才完成了借助上述新的星体演变估算方案,大质量星体主序后的初期演化的理论估算。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,这有利于解释知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。
探求自然规律是基础研究的最直接目的。基础研究须要有一个相对稳定的科技新政和修身的科研环境。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,国家加强了科技的投入,科技人员的收入也有大幅度的提升。总的形势是好的,但矫饰主义和浮躁情绪有猖獗成灾之势。科技人员疏于跟随评审、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。急功近利的新政导向无法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。这些倾向若不能得到及时纠正,将对我国科学的长远发展导致严重的损害。
生活中的熊大闰
⊙研无止境