物理史話之給夢想裝上翅膀馮·卡門

1963年的一天,在美國白宮玫瑰園裡,貴客雲集,美國第一枚"國家科學勳章"的頒發儀式將在這裡舉行。這一殊榮的獲得者就是本文的主角--現代航空大師--馮·卡門。當年過八旬的馮·卡門走下臺階時,步履艱難,年輕的總統肯尼迪趕緊上前攙住了他,老人拒絕了,笑笑說:總統先生,下坡者毋需攙扶,唯有舉足高攀者才求一臂之力。這句一語雙關的話也是馮·卡門個性的寫照。

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西奧多·馮·卡門

西奧多·馮·卡門於1881年出生在匈牙利的布達佩斯。馮·卡門的祖父是個裁縫,馮·卡門的父親當年在維也納大學學習,後來學成歸國,成了布達佩斯大學的教育學教授。由於在教育事業上成績斐然,馮·卡門的父親受到了皇帝的賜封,為他們家族添加了一個專門的姓--馮。當馮·卡門出生的時候,他的父親已經是匈牙利國家教育局的秘書長了。馮·卡門從小就顯示出過人的數學天賦,當他6歲的時候,就已經可以心算6位數字的乘法了,後來還通過自學掌握了百分比的運算。不過他的父親希望馮·卡門能夠全面發展,所以讓他多學一些人文科學知識。馮·卡門在中學的時候就已經通讀了龐加萊的名著《科學與假設》,併為書中的世界所深深地吸引。17歲的時候,馮·卡門進入約瑟夫皇家工藝大學,這是當時匈牙利唯一一所工科大學,只不過教學水平一般。在校期間,馮·卡門在一次偶然的機會中發現一種引擎在運轉到某一速度時,就會顫動起來,併發出非常大的噪聲。馮·卡門通過仔細觀察和思考,發現原來是閥門的開關和引擎之間產生了共振,得益於良好的數學訓練,馮·卡門很快為這個現象進行了數學建模,然後提出了圓滿的解決辦法。

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約瑟夫皇家工藝大學

大學畢業後,馮·卡門在軍中服役了一年,然後當了他在大學時候的老師的助教。在此期間,馮·卡門基本解決了"歐拉壓桿問題"。25歲的時候,馮·卡門爭取到了匈牙利科學院的獎學金,來到了哥廷根。哥廷根大學當時是世界理論科學的中心,也是近代流體力學的發祥地。當時被譽為"空氣動力學之父"的普朗特正好在哥廷根大學工作。在普朗特的指導下,馮·卡門對非彈性杆的彎曲現象做了一系列的研究,並通過了博士學位的答辯。1908年,馮·卡門聽從父親的建議,去了巴黎,因為他父親一直很欽佩法國的思想家和哲學家。馮·卡門在巴黎期間,參觀了一次飛行表演,使他對飛行產生了濃厚的興趣。正在這時,普朗特從哥廷根寄來聘請信,邀請他回去擔任實驗室的助手,參加哥廷根第一個風洞的籌建和"齊柏林"的設計。馮·卡門接受了邀請,開始了航空科學家的生涯。

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路德維希·普朗特

在哥廷根大學,數學家克萊因主持了一系列的討論會,討論當時最新的科學思想,愛因斯坦、希爾伯特、閔可夫斯基、洛倫茲等人都是討論會上的常客。馮·卡門廁身其間,眼界大開,受益終身。1911年,馮·卡門的老師普朗特正在研究邊界層分離現象,他觀察了水槽中圓柱體後面水流的分離現象,卻發現水流不斷髮生擺動,普朗特認為是圓柱體不夠圓引起的,但是馮·卡門並不這麼認為,他對這個現象進行了數學分析,從理論上證明了只有交叉排列的渦旋才是穩定的。他在3個星期內完成了兩篇出色的論文,成為流體力學中的一次重大的發現。後來人們就把這種現象稱為"卡門渦街"。"卡門渦街"在建築設計時是必須要考慮的重要因素。1912年,馮·卡門成為了亞琛工業大學空氣動力研究所所長,並在那裡工作了14年。在此期間,馮·卡門和他的老師一起對"湍流"現象進行了研究,取得了重大的進展。直到現在"湍流"仍是流體力學中最難的一個內容。

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卡門渦街

1926年,加州理工學院決定把原來的航空小組擴大為航空研究生院,並建立一個實驗室。實驗室需要一個能幹的主任,馮·卡門無疑是主任這個位置最合適的人選。當時具有猶太血統的馮·卡門已經在德國感受到了納粹排猶主義的壓力,而美國學術界那種昂揚奮發的氣氛又跟他的性格十分契合,於是,在1929年,馮·卡門同意出任實驗室的主任。馮·卡門領導的實驗室每週舉辦一次學術研究會,會上所有人都要簡短報告自己的工作進度,坦率講出工作中遇到的困難,然後大家一起想辦法解決問題。這種研究會大大激發了師生的創造熱情。1936年,英國著名流體力學家豪沃斯來訪,他和馮·卡門一起完成了有關湍流統計理論方面的論文。第二年,豪沃斯的老師戈爾茨坦來到加州理工學院,完成了《流體力學現代發展》一書的校訂。後來,比奧特教授還和馮·卡門合寫了《工程中的數學方法》一書。順便說一下,1936年,我國的空氣動力學泰斗、航天之父、導彈之父、自動化控制之父、火箭之王錢學森先生也來到加州理工學院學習,師從馮·卡門。錢學森先生當時看到了火箭技術的發展遠景,和其他5個青年科學家成立了一個名叫"火箭俱樂部"的研究小組,這個小組後來成長為著名的加州理工噴氣推進實驗室,成為火箭噴氣技術的一大中心。

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普朗特、錢學森和馮·卡門(師徒三代人)

二戰臨近結束的時候,美國軍用航空公司的首腦阿諾德將軍意識到將德國的先進軍事科學成果和技術專家接手過來對美國的軍事建設有著非凡的意義,他讓馮·卡門率領包括錢學森在內的一批專家來到德國,將德國研究V-2導彈的大批工程師和技術人員以及重達一千五百噸的資料統統都帶回了美國。1945年,馮·卡門向當局提交了一份題為"通向新地平線"的報告,在報告中論證了有效的科學組織對武器製造的決定作用,還具體探討了超聲速飛機和火箭的一些技術問題。這篇報告對美國當局產生了十分深遠的影響,隨後,各種研究機構相繼建立。50年代,馮·卡門還主持了在巴黎和哥本哈根召開的兩次國際航空會議,創建了國際宇航科學協會,該協會有個附屬機構--國際宇航科學院,一度推動了國際宇航事業的發展。

1929年,馮·卡門在經過中國的時候,曾建議清華大學開設航空課程。後來清華大學為了培養航空人才,創辦了航空系,馮·卡門派遣他的養子、青年航空技術專家沃登道夫來華擔任航空系的科學顧問。後來,在沃登道夫的指導下,清華大學航空系在南昌建造了一座大型風洞。1938年,馮·卡門應邀來到中國,見到了即將竣工的大型風洞,這個風洞也是當時世界上最大的風洞之一,馮·卡門非常高興,他認為一旦中國擺脫了內外困境,就一定會迸發出巨大的科學潛力。

馮·卡門在加州理工學院期間,桃李滿天下,光是中國的科學家就包括:錢學森、郭永懷和錢偉長。

1963年,在馮·卡門接受國家科學勳章後不久,因心臟衰竭,去世在去亞琛的路上,享年82歲。


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