迎接新世纪挑战的力学
——力学学科21世纪初发展战略的建议
白以龙 周恒
白以龙，1940年12月生于云南祥云。1963年毕业于中国科学技术大学。现任中国科学院力学所研究员，学术委员会主任，非线性连績介质力学开放研究实验室主任，国家自然科学基金委员会数理学部主任，《中国科学》副主编，中国力学学会第六届理事会事长，中国科学院院士。
曾参加爆炸成形模具强度，爆炸法制造金刚石和核鑤炸应力波的衰减的研究。1993年以“热塑剪切带”研究获国家自然科学二等奖。现在的主要研究方向为冲击功力学，統计细观损伤力学，材料蚋细观结构-力学性能的关系，以及复杂现象的不确定性和预測。
摘要 着重对21世紀力学将呈现的新特点，新世纪的到来向力学提出的挑战问题和力学研究基地建设等问题提出建议。
关键词 21世纪力学，近代力学，计算力学，新特点，建议
力学既是基础科学，又是众多应用科学特别是工程技术的基础。力学随着人类认识自然现象和解决工程技术问题的需要而发展起来，又对认识自然和解决工程技术问题起着极为重要、在很多时候是关键的作用。国内外科技发展趋势表明，在新的世纪中，必将出现诸多更新、更大、更复朵的工程技术问题有赖于力学的新发展去解决。
由此，近几年来，力学界的专家学者们根据国家实施科教兴国战略的需要，反复研讨了在下世纪初国家经济、科技、社会犮展中力学的战略地位和发展策略，认为力学是促成经济建设真正转到依靠科技进步和提高劳动者素质的轨道上来的强大科学和技术武器，并精选出了对国家有迫切需要、又有长远影响的9个关键性力学问题。这些研讨活动，先后形成了如下6个文件材料：
（1）21世纪初的力学发展趋势（郑哲敏，周恒，张涵信，黄克智，白以龙），载于《21世纪初科学发展趋势》，科学出版社，1995；
（2）力学学科发展战略（郑哲敏，周恒，黄克智，黄文虎），国家自然科学基金委员会，1997;
（3）力学——迎接21世纪新的挑战（中国力学学会），载于《力学与实践》，1995（2）;
（4）21世纪中国力学（国家科委基础研究与高技术司，国家自然科学基金委员会数理科学部，中国科学院基础研究局，国家教委科技司，中国力学学会），载于《21世纪中国力学研讨会文集》，1994，1，17和1994，4，24〜26;
（5）国家重点基础研究发展规划的力学部分，1997,3-5;
（6）力学学科发展战略建议的研讨意见（中国科学院数理学部），1997年10月.
本建议将简要综合上述文件材料的意见，并着重对21世纪初力学将呈现的新特点、新世纪的到来向力学提出的9个挑战问题和力学研究基地建设建议3个问题予以概述。
1 21世纪初力学将呈现的新特点
1.1近代力学体系将发生重大变革
力学是研究力与运动关系的基础科学，也是应用极为广泛的技术科学。近代力学和近代物理不同，它是以工程和自然界的真实介质和系统为主要研究对象。因此，近代力学的成就为众多的自然科学、应用科学和工程技术提供了理论基础。近代航空和航天事业的成功，就是一个典型例证。力学促进了众多的工程技术的发展是20世纪的一个突出现象。进入21世纪，力学仍将沿着这一方向发展。近年来，跨物质层次的力学现象（从原子，通过细结构如晶粒、小涡，到宏观）和非线性非平衡行为（有内在确定性的随机性和高度有组织的结构），是近代力学基础研究的重要前沿。这种认识将突破连续体力学这种理论框架，突破简单还原和叠加的经典方法，突破确定性和随机性的简单对立。这将使人们在21世纪更真实、确切地把握各类力学作用和宏观复杂运动模式间的关系。同时，传统的力学体系与各种工程技术中新问题的结合，仍将导致工程技术和力学学科都得到重大的新进展。
1.2力学与计算机结合将极大地增强解决疑难问题的能力
一方面，力学要迎接时代对它的挑战，解决来自各类工程技术和其它自然科学提出的疑难和复杂问题，必须发展自己的理论、实验和计算三大支柱，以处理、解决和回答这些问题。特别是，计算机的功能今后将有更大的发展，力学必须抓住这个机遇，加强力学的算法研究和软件发展。必须把计算机和力学工作结合起来，不然就不是现代力学，就不是现代化。事实上，力学问题的计算已经对计算科学的形成做出了支柱性的贡献。
另一方面，力学的发展已陆续向计算科学提出严重的挑战.例如，湍流和超音速流的计算曾从分辨率和不连续性两个方面提出过尖锐的挑战。今后，超音速湍流的计算更会将这两大困难同时提到计算科学的面前。
1.3近代力学知识是劳动者所必需的一种文化
基于上述近代力学的特点，可以看出，与人们的生活和生产最密切相关的宏观世界中出现的难题，恰恰是近代力学的锋芒所指。例如，综合性大工程和复杂技术设备的设计及实现优化和安全运行，实施可持续发展战略，都必须认识各类物质在各层次的物质和能量的迁移与循环，特别是什么条件下系统发生不稳定转变（如破坏失效），等等。由于大多数人所面对的正是在宏观世界的生活和生产中出现的难题，近代力学知识就自然成为大多数劳动者所必需的一种科学技术文化，普通人掌握了它，就不会去相信“意念移物”一类的鬼把戏；工人农民掌握了它，可以改进生产、提高工效；管理干部和领导部门掌握了它，就能科学地管理和决策。
2 新世纪的到来向力学提出的9个挑战问题
以下共精选了9个问题，均属学科前沿，特别是前面几个（如1至4）问题。这些问题中，主要涉及提高我国竞争实力（能源、材料、运输和国防）者为1至3、5至7,主要涉及我国可持续发展战略者为4、8、9。
2.1湍流和复杂流动
绝大多数的流体运动都是湍流。由于问题的复杂性，虽经百年，尚未能解决。目前计算这类问题的方法，都带有经验性，计算结果不十分有把握，普适性和预测性都差。此外，各类运输工具在流体中大多是做非定常运动，形成复杂的波系、涡系，给计算作用于运输工具上的载荷带来巨大的困难。谁在这方面有新的突破，谁就会在新型运输工具上领先。湍流作为一种既典型又广泛存在的复杂流动，其非线性的规律，很可能有超出力学范围的普遍性。最近发现的标度律，即带有这样的特点。因此，无论从基本机理讲，还是从实际需要讲，湍流和复杂流动都被认为是21 世纪面临的紧迫课题.
2.2跨物质层次的固体变形和强度理论
固体变形直至破坏，跨越了从原子结构到宏观的9至11个尺度量级。现有的变形和强度理论未能将原子结构、细观结构、试样和实际关注的对象有效地关连起来。细观结构上的细微缺陷，在力场的作用下，往往会非线性地演化成整体的破坏，这使得破坏性突发灾难难以预测，固体材料的细观结构的力学效应难以设计。因此，这在最近促使国际上的力学家协同起来，向跨尺度（Linking Scales）奋战。其最终目的是要在21世纪实现材料结构的力学设计，并对正在服役的材料的寿命实现准确预测，使我们能经济、有效地利用材料，安全、可靠地生活。另一方面，包括各类因素（如电、磁、生物等）在内的跨层次固体力学，更是许多部门（如微电子工业、微机电、医学等）提出的既有重大应用前景、又具极大挑战性的问题。
2.3多维动力系统的复杂运动和控制
对动力系统的深入研究，是现代混沌理论等非线性科学的一个重要的来源。动力系统包括刚体、弹性体、柔性体和液体系统，如大型航空航天器、髙速复合型海洋运载器，都是一类高维非线性动力系统。非线性动力系统的运动形态，大的不是小的简单放大；系统也不是部分的简单叠加；更有甚者，初始和环境条件的微小变化，可导致后来完全不确定的运动（如混沌），而自激型振荡甚至不依赖初始条件（如心脏颤振的发生）.因此，揭示这类系统的基本规律，是当前人们认识和控制自然和工程世界的一个关键性任务。
2.4应力和生物的生长
从生物大分子及其聚集体到细胞、组织和器官等各个层次上的生命运动，都是在一定的力学环境中进行的。例如分子链的折叠、蛋白质的构象，都与化学和力学的共同作用密切相关。可以预计，各层次的生命结构和功能，对于其内、外环境是一个不可分的整体.“如果说形态学发生受化学因素调控，那么其生物学图式则往往决定于力的作用”.因此，生物力学在21世纪生物科学中的作用，可能与今日生物化学的作用相仿佛。在这个领域中，由于人类健康的需要，21世纪初可能的焦点是：（1）应力和细胞生长的关系；（2）组织工程。（2）是在（1）的基础上，发展生物学的置代物，以便方便有效地修复人体组织的功能。
2.5计算力学和虚拟工程
计算机的飞速发展给大型非线性设计计算带来了可能。其中的一个重要进展是对系统的参数修改进行优化分析计算。例如，作为结构构件来说，已发现传统的连续体不是最优的，最优的是无限密集的肋板。应该把力学理论、算法软件和虚拟技术结合起来，将现有的代替了结构设计大部分工作量的CAD技术，进一步发展成效能更大的CAE（计算机辅助工程）。那时，人们不但可以优化设计、优化加工，还可以在整个工程建造之前，优化工程的服役和效能。这将不但会极大地促进计算力学的飞跃发展，更会使一批产业发生质的变化。这将是21世纪工程界提髙其竞争力的一个主要技术源泉。
2.6制造业中的计算机辅助工艺和非平衡态工艺力学
在当前的材料制造业中，不少产业能耗、材耗髙，污染严重，产品质量不稳定，极大地限制了产品的竞争力。深入的力学分析，能将工艺定量优化。如大型铸件目前次品较多，浪费很大。而基于力学、热力学建立过程模型，通过计算机实现控制，可大大改善工艺。这方面的工作，对提高我国制造产品的竞争力，潜力很大。另一方面，目前绝大多数的工艺，都是基于平衡态过程的。 为了开发新型材料，最近以来，一批探索者闯进了非平衡态工艺，研制出了一批有崭新独特性能的新材料和产品，取得了相当明显的成效。例如，脉冲激光毛化技术已用于宽幅的汽车用板，快速急冷微晶和非晶的工艺已开发出多种新材料。非常明显，非平衡态工艺有极大的潜在能力。但是，开发出成功的非平衡态工艺，比一般的工艺开发要难得多，其原因在于，非平衡态工艺的效 果强烈地依赖于非平衡态动力学过程，工艺窗口狭窄，单凭工艺试凑，极难成功。因此，非平衡态工艺力学和计算机辅助工艺，在这个领域中，是不可或缺的知识和工具。此外，非平衡态工艺及其制品，由于其对已有的传统工艺设备硬件依赖较少，可能是我国工业在国际市场建立特有竞争力的一条捷径。
2.7非平衡态物理化学流体力学
考虑各类物理、化学过程与流动密切相耦合的问题（如渗流、髙温气体动力学、微重力下的流动、稀薄气体动力学等），都是工程实际提出的核心问题。例如，要想进一步提髙石油采收率，必须依赖细观层次的物理化学渗流力学；又如，争夺空间的下一步是空天飞机计划，其中的主要候选者是超音速燃烧冲压发动机。解决由于气体分子内部自由度处于激发态、分子间存在化学反应等非平衡效应，是继克服音障、热障后的又一挑战。关于超燃的研究，将把非平衡态物理、化学流体力学和燃烧理论带入一个全新的阶段，使航天技术的水平上一个新的台阶。至少在21世纪前半期，煤仍将是我国的主要能源。为了环境保护和可持续发展，煤的燃烧技术必须有大的突破，这也是力学可做出重大贡献的领域。
2.8非经典介质和流动：颗粒流、多相流、非牛顿流和松散介质
非经典介质是指松散介质、颗粒介质等一类尚未被现有力学理论适当描述的一类真实介质，谷物、沙堆等等都属于这一类。多相流和非牛顿流虽然有一些力学理论描述，但很多有关现象尚未得到有效的解释，例如一定浓度的含沙水流能够几乎不发生沉积地流走。由此不难理解，一些 崭新的并有重要启示性的现象，往往从这类介质的运动中发现，一个突出的例子是，以沙堆为原型揭示的自组织临界性现象。所以，无论从发展力学理论的角度，还是解决真实介质的实际问题 （如我国河流的泥沙问题、泥石流、山体滑坡等在我国常见的自然灾害的预测及防范等），发展非经典介质和流动（颗粒流、多相流、非牛顿流和松散介质）的研究，都是急需部署的。
2.9地球和生态系统中的物质和能量的运动和灾害预测
实现可持续发展是我国的基本战略。我国的自然灾害频仍，生态环境中的不稳定因素突出，如水资源短缺和时空分布不平衡、荒漠化侵蚀严重、河流泥沙问題极为突出、黄河作为空中悬河 还能维持多久等等。因此，实现上述战略，是一项非常艰巨的任务。然而，研究解决大系统中的物质（如水、沙、气等）和能量的复杂的运动规律，预测和防范突发灾害的发生，正是近代力学可 做出重大贡献的一个方向。在另一个层次上，地球构造的运动和动力学是必须依赖力学的（如地震的机制与前兆的探索）。所以，针对我国21世纪将面临的紧迫问题，在这个方面加强纵深的力学研究，显然，泛有战略眼光的部署。
3 力学学科基地建设的建议
3.1力学科学中心
鉴于近代力学的理论框架将发生根本性的变革，从而使我们能更真实确切地认识真实物质中的各类相互作用和复杂运动模式间的关系。为实现这个目标，需要较大时空跨度同时又有髙时空分辨率、髙精度的实验和计算研究，并结合理论模型进行探索。因此，建立力学科学中心，吸引全国优秀人才，进行综合性基础研究是十分必要的。
（1）建设有宏观视场和记录时间、又能在线同步记录关键细观结构和瞬态变化的配套实验设施和记录设备；
（2）发展和建立高分辨率、高精度的力学实验和测量的技术和装备，如微米-纳米尺度力学量（应力与应变）的测量、亚毫米精度的三维流场测量、纳秒精度的力学过程的测量、生物体中的微小力（如皮牛）的测量、纳米材料力学性能的测量等；
（3）发展力学信息网和数据库。如：复杂流场数据库、固体多尺度上的力学性能数据库、各层次结构动力学演化的虚拟现实等。
3.2大型力学计算软件库基地
大型力学计算软件库，是一个国家综合性基础研究实力的一个表现，它又是基础理论的定量知识，是当代赖以积累、处理复杂现实，从而使公众感受到基础理论的物质力量的手段和桥梁。甚至可以说，谁掌握了大型计算软件，谁就更有效地占据了竞争中的优势。因此，从国家长远发展计，筹组大型力学计算软件库基地是十分必要的。