現代力學主要成就

湍流理論開拓者
周培源是中國近代流體力學研究，特別是湍流理論研究的開拓者和奠基人之一。

主要貢獻：
學術成就：在湍流理論方面的研究在國際上享有盛譽。
教育貢獻：1952年，在北京大學創辦了中國第一個力學專業，為國家培養了大量力學領域的骨干人才。

人物簡介

周培源（1902年8月28日－1993年11月24日），江蘇省宜興市人，著名流體力學家、理論物理學家、教育家和社會活動家。九三學社社員、中國共產黨黨員，中國科學院院士，中國近代力學奠基人和理論物理奠基人之一 ^[1]。

1924年，周培源畢業于清華學校，1927年，在美國加州理工學院學習，獲博士學位，是加州理工學院畢業的第一名中國博士生 ^[2]。1929年，周培源回國后，被聘為國立清華大學物理系教授，開始教學生涯 ^[4]。1936年至1937年，周培源前往美國，在普林斯頓高等學術研究院從事理論物理的研究。其間參加了愛因斯坦（Einstein）親自領導的廣義相對論討論班，并從事相對論引力論和宇宙論的研究 ^[70]。1943年后，在美國加利福尼亞州理工學院從事研究工作，并到美國戰時科學研究與發展局、海軍軍工試驗站進行研究工作。1947年后，先后擔任清華大學教授、教務長、校務委員會副主任。1952年，在北京大學領導創辦了中國第一個力學專業，并領導建造了北京大學直徑2.25米的三元低速風洞 ^[70]。1959年加入中國共產黨 ^[3]。1978年3月，開始擔任中國科學院副院長 ^[14]；6月27日，正式就任北京大學校長 ^[15-16]。1980年，美國普林斯頓高等學術研究院授予他名譽法學博士學位 ^[1]。1993年11月24日，周培源在北京逝世 ^[19]，終年91歲 ^[52]。

周培源一生主要從事科研和教學工作，他在物理學的湍流和相對論這兩個高難度領域中，有著突出的貢獻 ^[73]。先后兩次獲得美國加利福尼亞理工學院“具有卓越貢獻的校友”獎 ^[1]、中華人民共和國國家自然科學獎 ^[42]等榮譽獎項。

中文名：周培源

外文名：Zhou Peiyuan

國    籍：中國

民    族：漢族

出生日期：1902年8月28日

逝世日期：1993年11月24日

畢業院校：清華大學（高等科）、加州理工學院（博士）

主要成就：中國近代力學奠基人之一

主要成就：中國近代理論物理奠基人之一
中華人民共和國國家自然科學獎
和平老人

出生地：江蘇省宜興市

代表作品：理論力學、周培源文集、周培源科學論文集

所屬黨派：九三學社、中國共產黨

配    偶：王蒂澄

性    別：男

 

 

人物生平

 

早年經歷

 

1902年8月28日出生于江蘇省宜興縣的一個書香之家。父親周文伯是清朝秀才。母親馮瑛生有一子三女，周培源排行第二 ^[1]。

1919年，考入清華學校（今清華大學前身）中等科。學習期間，發表數學論文《三等分角法二則》，受到當時數學教授鄭之蕃的贊許 ^[4]。

1924年，由清華學校高等科畢業。

 

出國留學

 

1924年秋天，因成績優秀，被清華學校派送去美國芝加哥大學數理系繼續完成大學課程 ^[4]。

1926年春、夏兩季分別獲學士和碩士學位。 ^[4]

1927年，周培源入美國加利福尼亞理工學院繼續攻讀研究生。他先從師貝德曼，后改從數學家埃里克·坦普爾·貝爾（Eric Temple Bell），做相對論方面的研究，并參加數學譜系計劃（Mathematics Genealogy Project），次年獲理學博士學位，畢業論文題目為《The Gravitational Field of a Body with Rotational Symmetry in Einstein's Theory of Gravitation》 ^[5]，并獲得最高榮譽獎（Summa cum laude）。 ^[4]

1928年秋，他赴德國萊比錫大學，在沃納·海森堡（Werner Karl Heisenberg，1932年獲得諾貝爾物理獎）教授領導下從事量子力學的研究。 ^[6]

1929年，赴瑞士蘇黎世高等工業學校，在沃爾夫岡·泡利（Wolfgang E.Pauli，1945年獲得諾貝爾物理學獎）教授領導下從事量子力學研究。 ^[6]

 

回國任教

1929年回國，被聘為國立清華大學物理系教授，其時年僅27歲，并先后在西南聯大、北京大學任教授。 ^[4]

1932年，周培源與王蒂澂女士結婚，生有四個女兒。王蒂澂退休前，一直在清華大學附屬中學教書。 ^[7]

1936年至1937年，據清華大學休假規定，周培源赴美國，在普林斯頓高等學術研究院從事理論物理的研究。其間參加了愛因斯坦（Einstein）親自領導的廣義相對論討論班，并從事相對論引力論和宇宙論的研究 ^[70]。

1937年，他假滿回國。不久，抗日戰爭爆發。7月底，平津淪陷。8月，侵華日軍開進了清華園。周培源受校長梅貽琦之托，安排學校南遷，曾先后任長沙臨時大學和昆明國立西南聯合大學物理系教授。在這期間，他抱著科學家應為反戰服務，以科學拯救祖國危亡的志向，毅然轉向流體力學方面的研究 ^[8]。

 

赤子之心

1943年至1946年，周培源再次利用休假赴美國。他先在加利福尼亞理工學院從事湍流理論研究，隨后參加美國國防委員會戰時科學研究與發展局海軍軍工試驗站從事魚雷空投入水的戰事科學研究。當時，周培源明確提出：不做美國公民；只擔任臨時性職務；可以隨時離去。

1946年7月，離職去歐洲參加牛頓誕生300周年紀念會和國際科學聯合會理事會；他還參加了在法國召開的第六屆國際應用力學大會，并被這次大會以及會后新成立的國際理論與應用力學聯合會選為理事。同年10月，周培源由歐洲重返美國。 ^[9]

1947年2月，與夫人攜三個女兒全家離開美國返回上海。4月回到北平，繼續在清華大學擔任教授。并相繼擔任清華大學教務長、校務委員會副主任，1981年因年事已高，周培源主動辭去了校長職務。

1951至1982年間，任中國物理學會理事長，名譽理事長 ^[10]。

1952年，在北京大學領導創辦了中國第一個力學專業，即北京大學數學力學系力學專業，還領導建造了北京大學直徑2.25米的三元低速風洞。 ^[70]相繼任北京大學教授、教務長、副校長、校長、黨委副書記。

1955年，當選為中國科學院學部委員，并曾任數理化學部的常務委員。 ^[11]

1957至1986年間，任中國力學學會副理事長，名譽理事長。

1958至1986年間，先后任中國科學技術協會書記處書記、副主席、代主席、主席，名譽主席。 ^[12]

1959年加入中國共產黨 ^[6]。

1972年10月6日在《光明日報》上發表一篇5000多字的闡述基礎理論的教學和研究的必要性與重要性的文章，同時還給周恩來總理寫信，提出加強基礎理論研究的三點建議。 ^[13]

1978年3月開始擔任中國科學院副院長（至1981年5月） ^[14]。6月27日，中共中央批準，周培源正式就任北京大學校長 ^[15-16]。10月7日周培源為團長的中國教育代表團抵達美國西海岸城市舊金山，主要參觀、訪問了斯坦福大學和加州大學伯克利分校等大學 ^[17]。

1980年周培源處理復雜的派系關系讓他不堪重負，身心俱疲，選擇了“激流勇退” ^[18]；同年，美國普林斯頓高等學術研究院授予他名譽法學博士學位 ^[1]。

1993年11月24日，周培源在北京逝世 ^[19]，終年91歲 ^[52]。

 

主要成就

 

科學成就

科研綜述

周培源在學術上的成就，主要為物理學基礎理論的兩個重要方面，即愛因斯坦廣義相對論中的引力論和流體力學中的湍流理論的研究，奠定了湍流模式理論的基礎。

 

相對論

在廣義相對論方面，周培源一直致力于求解引力場方程的確定解，并應用于宇宙論的研究。早在二三十年代，他就求得了軸對稱靜態引力場的若干解，與靜止場不同類型的嚴格解，并于1939年證實，在球對稱膨脹宇宙中，若物質和輻射處于熱平衡態，則宇宙必為弗里德曼宇宙。70年代末，他又把嚴格的諧和條件作為一個物理條件添加進引力場方程，求得一系列靜態解、穩態解及宇宙解。還指導研究生進行了與地面平行和垂直的光速比較實驗，以探求史瓦西解和郎曲斯解哪一個更符合靜態球對稱引力場的客觀實際。初步結果已顯示出，郎曲斯解與實際相符。80年代，周培源致力于廣義相對論的基本問題，即經過坐標變換聯系起來的幾個解，究竟應該是一個解還是幾個解。他對照流體力學中保角變換，認為這種情形應該是幾個解而不是一個解。產生這種不確定的原因在于愛因斯坦方程缺少必要的坐標條件 ^[20]。

 

引力理論

在引力理論方面，他提出了“諧和條件是物理條件”的重要觀點，并且提出和指導了中科院高能所李永貴同志等的“地球引力場中光速各向同性檢驗”實驗，在世界上首次獲得地球表面水準方向和豎直方向傳播速度的相對差值在10-11量級上相同的結果，這一結果有可能使人們對愛因斯坦引力論的認識產生重大影響。

 

湍流理論

在湍流理論方面，30年代初，周培源認識到湍流場和邊界條件關系密切，后來參照廣義相對論中把品質作為積分常數的處理方法，求出了雷諾應力等所滿足的微分方程，并希望能把邊界的影響通過邊界條件引入雷諾應力的運算式中。

1940年，周培源寫出了第一篇論述湍流的論文，該文在國際上第一次提出湍流脈動方程，并用求剪應力和三元速度關聯函數滿足動力學方程的方法建立了普通湍流理論，從而奠定了湍流模式理論的基礎。

1945年，周培源在美國的《應用數學季刊》上，發表了題為《關于速度關聯和湍流漲落方程的解》的重要論文，提出了兩種求解湍流運動的方法，立即在國際上引起廣泛注意，進而在國際上形成了一個“湍流模式理論”流派，對推動流體力學尤其是湍流理論的研究產生了深遠的影響。被公推為以雷諾應力方程為出發點的工程湍流模式理論的奠基性工作。

50年代，周培源利用一個比較簡單的軸對稱渦旋模型作為湍流元的物理圖像來說明均勻各向同性的湍流運動，并根據對均勻各向同性的湍流運動的研究，分別求得在湍流衰變后期和初期的二元速度的關聯函數、三元速度關聯函數。之后，他又進一步用"準相似性"概念將衰變初期和后期的相似條件統一為一個確定解的物理條件，并為實驗所證實。從而在國際上第一次由實驗確定了從衰變初期到后期的湍流能量衰變規律和泰勒湍流微尺度擴散規律的理論結果。他首先提出了以研究湍流的基本渦旋結構作為出發點，以某種典型旋渦作為湍流元，采用先求解后求平均的新方法，從而避免了傳統湍流理論中納維-斯托克斯方程出現不封閉性的致命弱點。根據這一想法，他與蔡樹棠先生在1956年從粘性流體的納維-斯托克斯方程出發，找到了均勻各向同性湍流在衰變后期的軸對稱渦旋解。此后周先生又與是勛剛、李松年、黃永念、魏中磊、鈕珍南等同志合作引進并驗證了準相似條件，發展了均勻各向同性湍流理論，并于1982年獲得國家自然科學二等獎。

80年代，周培源將這些結果推廣到具有剪切應力的普通湍流運動中去，并引進新的逼近求解方法，以平面湍射流作例子，求得平均運動方程與脈動方程的聯立解。經過半個世紀不懈努力，周培源的湍流模式理論體系已相當完整。

 

教育成就

人才培養

周培源從事高等教育工作60多年，培養了幾代力學家和物理學家，有王竹溪、彭桓武、林家翹、張守廉等。周培源在教育和科學研究中，一貫重視基礎理論，同時關懷和支持新技術的研究。在組織領導中國的學術界活動、推進國內外交流合作方面作出了重要貢獻 ^[80-81]。

周培源培養的博士生有 ^[21]：

畢業時間	論文題目	作者	學位類別
1991年	《斜向自由剪切層流動的特性研究》	林建忠	博士
1993年	《弱解問題的差分理論及其數值方法的研究》	姜宗林	博士
1994年	《充分發展了的平面湍槽流流動的統計理論及自由衰減的均勻各向同性湍流的數值模擬》	孟慶國	博士

 

研制漢字排版系統

他在北京大學，大力支持并親自組織領導研制成功了華光型電腦鐳射漢字編輯排版系統，引發了中國印刷術的重大革新。 ^[24]

 

參與三峽

周培源關心國家的社會主義建設事業。50年代國家考慮建設長江三峽水利樞紐工程時，他曾兩次到武漢參加三峽工程會議，并同會議全體人員前往三斗坪考察預選的大壩壩址 ^[71]。

80年代以來，在閱讀了全國政協調查閉關于三峽工程的報告和許多其他有關材料后，周培源認為三峽工程不僅僅牽涉到工程技術問題，還牽涉到經濟、生態、社會、淹沒區的礦藏甚至軍事、人防等許多問題，而且建設周期需要20年，耗資將以千億計。國家要在建設這項工程，必將延緩許多其他急需上馬的建設專案，且此工程尚有不少重大問題有待研究論證。因此周培源建議要在綜合國力明顯允許的條件下，在十分嚴肅認真的科學研究的基礎上，方可考慮三峽工程的施工問題。根據國家科學決策的需要，時已86歲的周培源，于1988年9月接受全國政協的委托，率領182位政協委員奔赴湖北和四川有關地區視察。視察團回京后，周培源以他個人的名義給中央寫了報告，據實提出了建議 ^[25] [72]。

 

主要作品

 

圖書

出版時間	圖書名稱	作者	封面	出版社
1952.12	《理論力學》	周培源編著	理論力學	人民教育出版社
1965.07	《空間、時間和引力的理論》	（蘇）福克，В.А.著；周培源等譯	-	科學出版社
1991	《開發西部》	周培源著	-	學苑出版社
1991	《開華大西南》	周培源著	-	學苑出版社
1992.05	《周培源科學論文集》	周培源著；黃永念等編	周培源科學論文集	中國科學技術出版社
2002.08	《周培源文集》	周培源著	周培源文集	北京大學出版社
2012.09	《理論力學》	周培源編著	理論力學	科學出版社

 

參考資料 ^[22]

論文

發表時間	發表標題	發表刊物	作者
1924年	《三等分角法二則》	清華大學學報（自然科學版）	周培源 [69]
1959年	《SIMILARITY STRUCTURE OF VORTICITY FLUCTUATION AND THE THEORY OF TURBULENCE》	中國科學（英文版）	周培源 [58]
1975年	《ON THE STATISTICAL VORTICITY STRUCTURE THEORY OF HOMOGENEOUS ISOTROPIC TURBULENCE》	中國科學（英文版）	周培源 黃永念 [63]
1976年	《CHAIRMAN MAO'S TEACHINGS ARE NEFFACEABLY ENGRAVED ON MY HEART》	中國科學（英文版）	周培源 [59]
1981年	《ON THE SOLUTIONS OF NAVIER-STOKES EQUATIONS AND THE THEORY OF HOMOGENEOUS ISOTROPIC TURBULENCE》	中國科學（英文版）	黃永念 周培源 [62]
1982年	《ON THE PHYSICAL SIGNIFICANCE OF COORDINATES AND THE SOLUTIONS OF THE FIELD EQUATIONS IN EINSTEIN'S THEORY OF GRAVITATION》	中國科學（英文版）	周培源 [60]
1985年	《ON THE CONDITION OF PSEUDO-SIMILARITY AND THE THEORY OF TURBULENCE》	中國科學（英文版）	周培源 [61]
1985年	《EXACT SOLUTIONS OF PLANE GRAVITATIONAL WAVES UNDER THE HARMONIC CONDITION》	中國科學（英文版）	劉宏亞 周培源 [67]
1987年	《ON THE THEORY OF TURBULENCE FOR INCOMPRESSIBLE FLUIDS》	中國科學（英文版）	周培源 陳十一 [65]
1989年	《THE RED SHIFT IN THE DE SITTER UNIVERSE》	中國科學（英文版）	周培源 黃超光 [66]
1990年	《THE RELATIVISTIC COSMOLOGY UNDER THE HARMONIC CONDITION(Ⅰ)》	中國科學（英文版）	黃超光 周培源 [64]
1990年	《THE RELATIVISTIC COSMOLOGY UNDER THE HARMONIC CONDITION (Ⅱ)——THE POYNTING VECTOR AND REDSHIFT IN THE UNIVERSE》	中國科學（英文版）	黃超光 周培源 [64]
1994年	《Statistical Theory of Homogeneous Isotropic Turbulence for Incompressible Fluids》	中國科學（英文版）	王曉宏 黃永念 周培源 [68]

周培源院士論文數量較多，此處僅收錄部分內容

 

榮譽獎項

 

時間	榮譽獎項
1980年	美國加利福尼亞理工學院“具有卓越貢獻的校友”獎 [1]
1982年	中華人民共和國國家自然科學獎 [42]
1985年	美國加利福尼亞理工學院“具有卓越貢獻的校友”獎 [1]
-	和平老人 [79]
	杰出的民間外交家 [79]

 

社會生活

 

 

公益活動

1987年他將其父親在家鄉遺留下來的600多平方米的住宅捐獻給家鄉人民作為科普文化活動站 ^[70]。

1989年周培源及夫人王蒂澂把收藏多年的145幅珍貴古代書畫捐贈給無錫市博物館。周培源夫婦將政府頒發獎金的大部分，分別捐贈給他們所在的工作單位北京大學和清華大學附屬中學作為科學基金與獎學金；又于1990年5月將這筆獎金的一萬元人民幣捐贈給中國振華基金會作為獎學金，用于資助鼓勵社會上科技、教育事業的發展。周培源夫婦還分別向他們的母校上海市實驗小學和吉林省扶余縣扶余鎮實驗小學各捐贈一萬元作為獎學金。 ^{[23] [50-51]}

 

社會任職

時間	擔任職務
1946年	國際科學協會理事會理事 [3]
1954年9月至1959年4月	中華人民共和國第一屆全國人民代表大會江蘇省代表
1958年12月至1979年10月	九三學社第五屆中央委員會，副主席、常務委員、委員 [34]
1959年4月至1964年12月	中華人民共和國第二屆全國人民代表大會江蘇省代表 [26]
1959年4月至1965年1月	中國人民政治協商會議第三屆全國委員會常務委員 [28]
1964年12月至1975年1月	中華人民共和國第三屆全國人民代表大會江蘇省代表
1965年1月至1978年3月	中國人民政治協商會議第四屆全國委員會常務委員 [29]
1975年1月至1978年2月	中華人民共和國第四屆全國人民代表大會代表
1978年2月至1983年6月	中華人民共和國第五屆全國人民代表大會北京市代表 [27]
1978年3月至1983年6月	第五屆全國人民代表大會常務委員會委員
1978年3月至1983年6月	中國人民政治協商會議第五屆全國委員會，九三學社委員
1979年7月2日	中國人民政治協商會議第五屆全國委員會副主席 [30]
1979年10月至1983年12月	九三學社第六屆中央委員會，副主席、常務委員、委員。 [35]
1980年8月至1993年	政協全國委員會副主席 [3]
1983年6月至1988年4月	中國人民政治協商會議第六屆全國委員會，九三學社委員，副主席 [31]
1983年12月至1988年12月	九三學社第七屆中央委員會，副主席、主席 [36]
1988年4月至1993年3月	中國人民政治協商會議第七屆全國委員會，九三學社委員，副主席 [32-33]
1988年12月至1992年12月	九三學社第八屆中央委員會，主席、常務委員、委員 [37]
1992年12月	九三學社第九屆中央委員會，名譽主席 [38]
-	中國人民外交學會副會長，中國波蘭友好協會會長，中國人民爭取和平與裁軍協會會長 [70] [76]
	中國最早的國際理論與應用力學聯合會執委 [77]，亞洲流體力學大會的發起人之一 [78]，以反對核戰爭和核武器為目的PUGWASH（帕格沃什）科學與世界事務會議的理事 [71]

 

個人生活

 

 

情感生活

 

1930年某個星期日，周培源到一同學家中作客，無意中發現一張女子照片，他原以為是這位同學的妻子劉孝錦，其實照片的主人叫王蒂澂，是劉孝錦的同學，北平女子師范大學的學生。周、王兩人相識兩年后，于1932年6月18日在北平的歐美同學會舉行了婚禮，清華大學校長梅貽琦親自主持了婚禮。 ^[7]

 

家庭成員

周培源的大女兒如枚、二女兒如雁相繼問世，王蒂澂因身體虛弱而得了嚴重的肺病。周培源把夫人送至香山眼鏡湖邊的療養院療養了一年。他自己則挑起了既為人父又為人母的雙重責任 ^[74]。在女兒看來，父母雖然性格不同，卻恩愛一生，“人家一輩子沒紅過臉”，母親1989年癱瘓之前，兩人每年都要踏青、游玩 ^[75]。

 

其他

周先生早生華發，50歲上右耳失聰，所以說話總“大聲嚷嚷”，“自己聽不見也怕別人聽不見”。89歲時，他的相對論引力論研究有重大進展，一興奮，心梗住院。91歲時他又招收了博士研究生，想在研究領域有新的突破 ^[39]。

“文化大革命”期間，“中央文革小組”組長陳伯達為了搶奪“科學革命的旗手”，提出要組織批判愛因斯坦的相對論，要周培源參加批判并要召開萬人大會 ^[40]。周培源明確指出：“愛因斯坦的狹義相對論批不倒，愛因斯坦的廣義相對論在學術上有爭論”。 ^[41]

 

人物評價

 

周培源為人正直無私，剛直不阿，作風正派，從不阿諛奉承，投機取巧 ^[55]（科普中國 評）。

周培源先生一生向往光明進步，追求真理，以國家獨立、民族振興、社會進步、人民幸福為己任，把畢生精力獻給了祖國和人民，獻給了民主科學事業 ^[56]（王志珍 評）。

他是一個有鋒芒的人，有人沉默、有人順從、有人阿諛時，他能像大河奔突著向前（武際可 評） ^[43]。

他是一個豁達而公正的人，一位杰出的科學家和教育家，亦有高度的行政才能（陳省身 評） ^[44]。

由衷欽敬他那一貫的為探求真理獻身、不計榮辱、不畏物議，堅持實事求是的科學精神（王淦昌 評） ^[45]。

中國科學、教育界最受尊敬的領導者之一（周光召 評） ^[46]。

自己從事物理學習的好老師（錢三強 評） ^[57]。

 

人物紀念

 

故居

周培源故居位于宜興市芳橋鎮后村，1996年11月宜興市人民政府公布為市級文物保護單位。周培源故居坐北朝南，建于清末至民國初年，有建筑三進 ^[53]。

 

座談會

2012年9月3日，九三學社中央與中國科協在全國政協禮堂聯合舉行紀念周培源誕辰110周年座談會 ^[47]。

 

紀念活動

2012年8月28日，周培源誕辰110周年紀念活動在培源故里、宜興芳橋鎮舉行 ^[48-49]。

 

雕像

2014年6月4日，周培源雕像在北大漢中分校的舊址、陜西理工大學北校區正式落成 ^[54]。