中国科学院院士 — 熊大闰(紫金山天文台)

[ 录入者:linq | 时间:2010-01-12 23:04:06 | 作者: | 来源:紫金山天文台网站 | 浏览:6647次 ]

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 ,同年分配到紫金山天文台工作。1991年当选为中国科学院院士。曾任紫金山天文台学术委员会主任,《天文学报》主编,以及多个国家重大研究项目的 首席科学家。熊大闰在恒星 对流理论以及与之有关的 恒星 结构、演化和脉动稳定性问题这一研究领域,提出独立的 “熊氏对流理论”,解决了20世纪70年代到80年代该领域内诸多国际性难题。他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和王丹萍科学奖,并发表多篇论著。 

  “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。” 

  1938年9月16日,我出生于江西吉安。那时,日寇飞机轰炸南昌,我们举家向赣南撤逃,我就出生在南逃的 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。其于1942年死后几乎家无余财,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、曾文正诸公,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。 

  在中小学,我最喜爱数学,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。 

  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,整整六年没有回过家,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三十年之久。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。 

  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。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拼白矮星 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。 

  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 三年所确定的 。 

  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。分子除其在短暂的 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。 

  随后的 研究我发现大质量恒星 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。 

  至今此仍是恒星 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 的 所谓造父变星 质量矛盾和缓和理论与观测的 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。

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