20世纪下半叶中国的物理学研究（一）

　　1949年11月1日，中国科学院成立。1950年，原中央研究院物理研究所和原北平研究院物理研究所合并，经过调整、组建为以核物理和粒子物理为主要研究方向的中国科学院近代物理研究所和以固体物理、光谱学为主要研究方向的应用物理研究所（后改为物理研究所）。

　　1956年“中国十二年科学技术发展远景规划”制定后，半导体研究室与固体发光研究室于60年代前期先后改组为研究所；在上海成立了以红外科学为主要研究方向的中国科学院上海技术物理研究所。1977年中国科学院制定了新学科发展规划后，在合肥筹建了中国科学院固体物理研究所。此外还先后建立了中国科学院长春物理研究所和新疆物理研究所。到80年代初，中国科学院的凝聚态物理研究，在研究机构和学科内容方面已达到相当规模。

　　在光学研究方面，60年代以后除物理研究所外，中国科学院大连化学物理研究所、上海精密光学机械研究所都展开了激光光谱学、非线性光学、全息学的研究。

　　中国关于原子分子物理的研究起步较晚，物理所和中国科学院武汉物理研究所在原子分子结构、原子分子的碰撞以及它们与光子的相互作用方面做了不少工作。

　　中国科学院物理所、化学所、长春应用化学研究所、福建物质结构研究所、大连化物所、上海有机化学研究所、成都有机化学研究所、武汉物理所等，在核磁共振、顺磁共振、核电四极矩共振和量子频标时标等方面奠定了一定的基础。中国的理论物理学研究，1977年以前分散在物理所、半导体所、中国科学院金属研究所、福建物质结构研究所、武汉物理所和长春物理所进行。1978年，中国科学院理论物理研究所成立。他们在统计物理、原子分子物理、多体问题、固体能谱、超导和磁性理论、金属、半导体、非线性光学等领域完成了大量理论研究工作。

　　50年代初，长春光学机械研究所开始进行超声的应用研究。不久在物理所内成立了声学研究室，1964年正式组建了中国科学院声学研究所。声学所联合武汉物理所、中国科学院心理研究所、中国科学院上海生理研究所、中国科学院海洋研究所和物理所等，在水声学、超声学和空气声学等方面取得了很多高水平的研究成果。

　　关于原子核物理、宇宙线和放射化学的研究，50年代初就已经被中国科学院近代物理研究所定为主要研究方向。1958年，中国科学院原子能研究所正式成立，1984年改名为中国原子能科学研究院。1972年，中国科学院成立高能物理研究所。几十年来，中国在粒子物理、核反应和中子物理、宇宙线物理、强子结构、等离子体物理等方面完成了大量理论和实验的研究工作。

　　1953年，中国科学院在数学研究所组建了力学研究室，进行固体力学和流体力学的研究。1956年，正式成立了中国科学院力学研究所。几十年来，在弹性力学、塑性力学、流体力学、爆炸力学、物理力学等方面取得了一系列重要成果。

　　除中国科学院以外，北京大学、清华大学、中国科技大学、复旦大学、南京大学、四川大学、武汉大学、北京师范大学等许多高等学校，也云集了一大批物理学研究和教学工作者，建立了一些重点实验室，开展了大量理论和实验方面的研究工作，在物理学的所有分支学科上都取得了一批重大成果，推动了中国当代物理学的发展。

　　1．力学

　　本世纪50年代以前，中国现代工业基础薄弱，对于力学研究的需求并不感到特别迫切，当时的中国没有专门的力学研究机构。即便如此，仍有一些物理学、数学及工程技术等不同学科的学者进行了力学专门课题的研究。新中国建立后，工业现代化和国防现代化推动力学这门古老的学科蓬勃发展，取得了一些为世人公认的研究成果。力学横跨理学与工学两类学科，考虑到力学的理学属性，着重记述中国物理学家在流体力学和固体力学方面的研究。

　　周培源是中国湍流理论研究的领头人。50年代，在均匀各向同性湍流理论的研究中，周培源从分析湍流的物理本质着手，利用一个比较简单的轴对称涡旋模型作为湍流元的物理图象来说明均匀各向同性的湍流运动。考虑到湍流衰变后期雷诺数比较小的特点，周培源和他的学生蔡树棠引入求解方程的相似条件和涡旋角动量守恒条件，得到了最简单的均匀各向同性湍流的后期衰变运动的二元速度关联函数。在这一思路的基础上，他的学生黄永念用同样的方法，得到了均匀各向同性湍流三元速度关联函数。10年之后，这个三元速度关联函数被S.佩纳特（Bennett）与S.柯尔辛（Corsin）的实验所证实。与此同时，周培源与是勋刚、李松年还得到了与实验符合的均匀各向同性湍流在早期衰变运动的二元和三元速度关联函数。为了统一湍流在早期和后期衰变的模型，周培源于1975年提出了“准相似性”概念及与之相适应的条件；并与黄永念把这两个不同的相似性条件统一为一个确定解的物理条件——准相似性条件。这个条件在1986年由北京大学湍流实验室魏中磊等的实验所证实，从此国际上第一次由实验确立了从衰变初期到后期的湍流能量衰变规律的泰勒湍流微尺度扩散规律的理论结果。

　　谈镐生对非均匀各向同性湍流进行了研究。1963年，他与林松青通过低速水槽实验表明，网格后湍流末期能量按时间的（-2）次幂衰减；他们还注意到末期湍流有随机取向、互不相互作用的旋涡条纹图象。据此，他们提出了互相独立、取向随机、只通过粘性耗散进行衰变的末期湍流动力学模型，并由此导出了（-2）次幂规律。1964～1966年，谈镐生指导博士生D.A.李（Lee）研究了非均匀各向同性的分层湍流模型，给出了末期速度和压力-速度相关张量谱的表示式，并对末期得出两点重要结论：能谱在波矢量空间的原点，即使初始时解析，以后也变得不解析；对称条件、质量守恒条件和轴对称条件不足以限定能谱在原点的包括解析性质在内的局部性质，从而不能确定分层湍流的末期衰减规律，因此，为弄清湍流的末期性质，应直接从相关函数动力学方程出发做适当近似。这些结论指出了进一步研究末期湍流的方向。在湍流研究方面，还应该提到的研究工作有：1979～1990年，中科院力学所贾复等用实验模拟手段，揭示了中尺度涡、分层湍流等复杂现象及其过程的动力学机制。实验模拟利用Taylor柱现象进行Rossby数影响的考察，证明了旋转流体流动二维性与三维性和Rossby数的关系；在分层流体湍能研究中，找到了湍流锋面坍塌开始的特征时间，湍流锋面的坍塌意味着三维湍流动能的衰减和准二维湍流的水平涡场增强这一重要物理机制。这一结果被国际同行所接受。1989年，中国科学院力学研究所建成小型低湍流度水洞，达到了1.5%的低湍流度，并将热膜测速技术用于水中实验。鄂学全提出了分层流体无平均剪切湍流扩散的理论模型，描述了湍流扩散规律，以及湍流扩散速率与湍流源、湍流速度及外部参数的关系，对两层流体系统提出的模型，不仅适用于纯流体，而且也适用于含微粒的两层流体无平均剪切的湍流扩散。

　　当计算机的发展尚处于初级阶段时，在流体力学中只有罕见的几个准确解，所以寻求物理问题的近似解析解颇受青睐；摄动理论是求物理问题近似解的一种有效手段。1953年，郭永怀在美国研究激波与边界层的相互作用，得出远场超声速流动与近场边界层相互作用的速度场和压力场的表达式，得到与实验一致的理论结果。在这项研究中，他把H.彭加莱所开创并为M.J.莱特布尔所发展的参数求解方法运用于远场解和近场解的对接中，这个推广后的方法按上述三人的姓氏称为“PLK”方法，现称为奇异摄动法。

　　运动浸没体与表面波研究，是50年代与发展水翼船有关的一项应用基础研究课题。谈镐生对无限深水中平行于自由表面做匀速运动的单频源和涡的二维问题，给出了表面波解，并提供了叠加求振荡水翼表面波问题精确解的基础。他还指出上述单频振荡源激发的表面波解的特性依赖于振荡频率ω与以同样水平速度运动的恒定强度源所激发的表面波的频率ω0之比值τ：当0＜τ＜和τ＞时，各有4个和2个具有不同波长的无衰减的简谐波向下游行进，上游一边则无波列；当τ=1/4时，则出现共振现象。这些结果对于认识水翼所受阻力是至关重要的。