知者乐

【按语】Sir James Lighthill是20世纪最伟大的力学家之一。这里录入我十年前的一篇旧作，简介他的生平事迹。希望大家对这位流体力学巨子的成长历程、学术成就、创新精神和治学风格有个基本了解，追随他的脚步，在各自的岗位上创造骄人的业绩。

国际力学界一颗巨星陨落
-------劈波斩浪   辟新途-------
（记应用数学界、流体力学家詹姆斯•赖特希尔）

戴世强（上海大学，上海市应用数学和力学研究所）
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1998年7月7日，当代力学界的骄子詹姆斯•赖特希尔（Sir James Lighthill, 1924-1998年）在英吉利海峡环绕萨克岛游泳时不幸逝世，一颗巨星就此陨落，令人惋惜，但是，他那孜孜不倦的开拓精神和极具声色的人生道路将永远给人们以启迪，他那些卓著的学术成就将永载科技史册。_______________________________________________________________________________

一、航空航天时代的耕耘者

1903年莱特兄弟研制的飞机上天，人类进入航空时代。但当时，人们对飞行器运动的主要理论基础之一——流体力学（特别是空气动力学）还了解得十分肤浅。1905年，德国著名流体力学家路德维希•普朗特发现了物体在流体中运动时物面附近形成的边界层，随后以他与他的学生冯•卡门为代表的学者经过半个多世纪的不懈努力，使空气动力学渐臻完美，人们对边界层理论、流动稳定性、亚音速及超音速流动乃至高超音速流动等有了深入的理解。40年代，人类突破了“音障”，步入超音速新纪元；五六十年代，“热障”被突破，人造卫星上天，航天时代宣告开始。这时，人们意识到，必须进一步关心自身的生存环境和和生存机理。于是地球流体力学和生物流体力学应运而生；大约自1960年以来，海洋和大气动力学异军突起，颇具活力，它描述了波动与湍流的错综复杂的相互作用；生物系统流体动力学作为具有巨大挑战性的一个领域，约略发端于1970年，随即迅速成长，目前正方兴未艾。

詹姆斯•赖特希尔令人眼花缭乱的阅历特征，即是他对上述诸领域的开拓性贡献。他的工作以应用数学的经典技巧为基础，而他的风格则是孜孜不倦地以基础物理来解释数学结果，他异常成功地实现了这一目标。

迈克尔•詹姆斯•赖特希尔1924年1月出生于巴黎，父亲是英国人，母亲是法国人。1941年，他就读于剑桥的温彻斯特学院和特立尼德学院，在战时两年速成班钻研数学，毕业于1943年。在校期间，他显示了超人的数学天赋，本来他立志于从事纯数学研究，但战争的急需压倒一切，他毕业后随即就职于英国国立物理学实验室，进行超音速空气动力学研究，在那里他夜以继日地发奋工作。1945年，他受聘为特立尼德学院的研究员；翌年，受著名流体力学家悉德尼•果尔斯汀吸引，他转到曼彻斯特大学任职，直至1959年；1950年，他继果尔斯汀之后，任应用数学贝耶教授，时年26岁，这样年轻的讲座教授在当时是绝无仅有的，现时也不多见。

二、现代空气动力学的开拓者

在四五十年代，詹姆斯•赖特希尔在空气动力学领域里纵横驰骋，硕果累累。出于航空事业发展的实际需要，他的研究涉及面很宽：超音速机翼理论（尤其是有限翼展理论）、旋成体（机身）的超音速绕流、翼栅绕流、跨音速流的速度图变换、激波（冲击波）理论、边界层理论、湍流理论等等，他熟练地运用数学技巧，巧妙地解决种种困难，有关成果可以直接应用于现代飞机的设计。值得一提的是，为了研究上述问题，他发展了多种应用数学方法，其中最为著名的是：1949年，他拓宽了邦加莱等提出的一种奇异摄动方法，通过坐标变形来消除摄动解的奇异性，被后人命名为邦加莱-赖特希尔-郭永怀方法（PLK方法）。然而赖特希尔的举世公认的最大贡献是在气动噪声方面。喷气式飞机一问世，人们就认识到气动噪声的危害性，对于设计低噪声喷射引擎来说，了解噪声成因机理至关重要，当时人们没有良策，众说纷纭，成了世界性难题。赖特希尔在1952年和1954年先后发表了论文“论空气动力学生成的声音”的第一、第二部分，为这一课题的所有后续性工作奠定了基础。他发现高速喷射流中的湍流等价于一种四极源分布，据此计算出辐射声场的强度（一种八次幂律）和方向分布。赖特希尔的这一创造性工作为他赢得了世界性的声誉，他年仅29岁就荣任皇家学会会员。

赖特希尔的研究兴趣不全在于军事应用，1955年，他与他的学生惠瑟姆发表了著名论文“论运动学波”运用流体力学中的连续性方程成功地对交通波和洪水波进行了分析，奠定了现在交通流理论的基础，被后人称为赖特希尔-惠瑟姆理论或L-W理论。自1959年至1964年，赖特希尔受聘为位于汉普郡法恩波罗的英国皇家航空研究中心主任，尽管为这一职务所累，他仍与众多研究团体保持密切联系，而且发表了关于地球物理流体力学和生物流体力学的几篇论文，它们预示了他日后全身心地关注的兴趣所在。在1964年，他任伦敦帝国学院的皇家学会教授；1969年，接任剑桥的卢卡西安数学教授，任期达十年之久。任教期间，他的上述兴趣得到了充分发挥。

三、生物流体力学的奠基人

在此期间，他的主要工作涉及流体（特别是旋转中的流体，如地球物理流体）中的波动，有关成果后来被他写进了专著《流体中的波》；更知名的工作是关于他名之为“生物流体动力学”（biofluiddynamics）的课题。赖特希尔对这一课题的兴趣源自剑桥动物学詹姆斯•格雷教授的启发，格雷在1969年发表了评论文章“亲水动物行进的水动力学”，大大地触动了赖特希尔的灵感，他将流体力学的边界层理论、涡面理论等出色地运用于鱼类动物的分析，成功地认识了鱼类游泳规律、鱼群运动减阻特性等，并且编制了人类仿生学的梦想（如今梦想正在成真！）。在这类研究中，赖特希尔特别强调交叉性学科研究的必要性：“……如果我想对亲水动物运动的水动力学进行分类，我必须与动物学家交谈，而且一直交谈下去；必须读他们的著作，而且一直读下去；必须（在博物馆或水族馆里）研究他们的收集物，而且一直研究下去！”他的确是这样做的。正是通过这种专心投入，科学探索中的一个崭新领域才得以界定、探索并呈现在流体力学界面前。

在生物流体动力学领域中，赖特希尔同样对了解鸟类和昆虫的飞行做出了贡献，对这一话题，他所擅长的空气动力学正好大有用武之地。1979-1989年，他担任伦敦大学学院院长，这并未阻挡他的科研成果源源涌出的势头。他与动物学家的交流再次显示了关键性作用，其中，他与托克尔•维斯-福格（剑桥的詹姆斯•格雷的继任者）进行了出色的合作，揭示了小型飞行昆虫升力产生的机理，即振翼-急冲-扫掠的系列过程，此过程在昆虫翅膀上产生环流，从而通过基本上是无粘的机制生成升力。正因为如此，一种小蜂的升力系数超过了所有的人造飞行器。

在这一领域中，赖特希尔另一个巨大贡献是在心血管流体力学方面。他敏感地觉察到，血管中的血液流动，尤其是所产生的剪切应力与心血管疾患应该有密切关系，于是亲自主持了有关动脉粥样硬化的国际学术讨论会，为日后的心血管流体力学研究定下了框架。他还别出心裁地把流体润滑理论用于血液微循环理论，成功地解释了直径大于微血管的血流细胞进入微血管的机理。在他去世后不久，1998年8月在日本召开的第三届世界生物力学大会上，人们公认赖特希尔是生物流体力学的奠基人之一，他的工作仍在发挥巨大的作用。

他的上述工作在专著《数学生物流体动力学》（1975）中作了总结，这本书成了应用数学用于力学科学的典范。

四、国际力学组织的带头人

1971年，正值他漫长的研究生涯中途，赖特希尔受勋为爵士。他频繁地应邀在国际会议上做大会报告，而且总是兴致勃勃地乐此不疲。他演讲的风格颇具师长尊严，充满权威性地演绎他的观点，绝少顾忌时间的限制，他的演讲表现了他对这一学科的执着的忠诚，而且经常妙语连珠。例如，1962年，正值磁流体力学大行其道之际，他说：“需要明白无误地重申的是，无电流流体的连续统力学与物理学所有其他分支一样，有着生气勃勃、激动人心的现在和未来。”赖特希尔本人的工作验证了他这一论断的长久正确性。

1984年，赖特希尔当选为国际理论和应用力学协会主席，他风尘仆仆地奔波于世界各地，也曾两次来华访问。任职四年间，他组织了许多小型讨论会。1990-1995年，他担任国际减灾十年特别委员会主席，运用他在地球流体力学中的渊博知识，对全球气候变化和热带气旋作了精湛的研究，并在1992年主持了国际减灾十年北京讨论会。尽管他年事已高，但聪明睿智不减当年。

赖特希尔一生著述颇丰，共出版专著六种。学术论文150余篇（代表性论著详见参考文献）。

1998年7月17日，赖特希尔在英吉利海峡的波浪滔滔的海面上，绕萨克岛几乎游完全程，不幸竟意外逝世，享年74岁。25年前他曾首次有这样的壮举。他有环岛游泳的嗜好，这方面，他引以自豪的是在火山喷发期间绕斯特洛姆波利岛游泳。在海滨苟安不是他的风格，他的死犹如他的生。他留有遗孀南希•杜马莱斯克，他俩结发53载，有一子四女。

致谢：英国剑桥大学的皇家学会会员H. K. Moffatt教授为本文写作提供了大量的素材；复旦大学的柳兆荣老师与作者进行了有益的讨论；谨此一并感谢。

（1998年10月7日收到）

 戴世强  教授，博士生导师，中国力学学会理性力学与力学中的数学方法专业委员会副主任、流体力学专业委员会委员、水动力学专业组副组长，上海大学，上海市应用数学和力学研究所，上海 200072

詹姆斯•赖特希尔的主要学术论著

1. Introduction of Fourier Analysis and Generalised Functions（傅里叶分析与广义函数引论）。Cambridge/New York: Cambridge University Press, 1958
2. Higher Approximations in Aerodynamic Theory（空气动力学理论中的高阶近似），NJ: Princeton University press,1960
3. Mathematical Biofruiddynamics（数学生物流体力学），Philodelphia: Society for Industrial and Applied Mathematics, 1975
4. Waves in Fluids（流体中的波动），Cambridge/New York: Cambridge University Press, 1978
5. An informal Introduction to Theoretical Fluid Mechanics（理论流体力学简明教程），Oxford: Oxford University Press, 1986
6. The supersonic theory of wings of finite span.  ARC Rep. & Mem. , No. 1930, 1944
7. Supersonic flow past bodies of revolution.  ARC Rep. & Mem. , No. 2003, 1945
8. A mathematical method of cascade design.  ARC Rep. & Mem. , No. 2104, 1945
9. The hodograph transformation in transonic flow. Parts Ⅰto Ⅳ, Proc. Roy. Soc. Ser. A, 1947; 191: 323-369, 192: 135-142
10. The position of the shock wave in certain aerodynamic problems. Quart. J. Mech. & Appl. Math. , 1948; 1: 309-318
11. A technique for rendering approximate solutions to physical problems uniformly valid. Phil. Mag., 1949; 40: 1203-1223
12. A new approach to thin aerofoil theory. Aeron. Quart.，1951; 3: 193-210
13. On sound generated aerodynamically , PartⅠ.Proc. Roy. Soc. Ser. A, 1954; 211:564-587
14. The hodograph transformation, Chap. 7. In: High Speed Flows, Vol.Ⅲ of Modern Developments in Fluid Dynamics, 1953
15.  On the energy scattered from the interaction of turbulence with sound or shock waves. Proc. Camb. Phil. Soc., 1953; 49:531-551
16. On sound generated aerodynamically , PartⅡ.Proc. Roy. Soc. Ser. A,1954; 222:1-32
17. Higher Approximations, Sec. E. In: General Theory of High Speed Aerodynamics, Princeton University Press, 1954
18. Mathematical methods in compressible flow theory. Comm. P. & A. Math., 1954; 7: 1-10
19. On cnoidal waves and bores. Proc. Roy. Soc. Ser. A, 1954; 224: 448-460（with T. Brooke Benjamin）
20. On kinematic waves, PartⅠ&Ⅱ Proc. Roy. Soc. Ser. A, 1955; 229: 281-345 （with G. B. Whitham）
21. Dynamics of a dissociating gas, PartⅠ. J. Fluid Mech., 1957; 2: 1-38
22. Shock waves (The Ramsden Memorial Lecture). Mem. Manchester Lit. phil. Soc., 1959: 1-16
23. Studies in magnetohydrodynamic waves and other anisotropic wave motion. Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1960; 252: 197-430
24. Note on the swimming of slender fish. J. Fluid Mech., 1960; 9: 305-317
25. A technique for rendering approximate solutions to physical problems uniformly valid. Z. Flugwissen., 1961; 9: 267-275
26. Sound generated aerodynamically（The Bakerian Lecture）. Proc. Roy. Soc. Ser. A, 1962: 147-181
27. Jet noise (The Wright Brothers Lecture). AIAA J., 1963; 1: 1507-1517
28. Contribution to the theory of waves in nonlinear dispersive systems. J. Inst. Math. Appl., 1965; 1: 296-306
29. Dynamics of rotating fluid, a survey. J. Fluid Mech., 1966; 26: 411-431
30. Pressure-forcing of tightly fitting pellets along fluid-filled elastic tubes J. Fluid Mech., 1968; 34: 113-144
31. Dynamic response of the Indian Ocean to onset of Southwest Momsoon, Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1969; 265: 54-92
32. Hydromechanics of aquatic animal propulsion, Ann. Rev. Fluid Mech., 1:413-446
33. Motion in narrow capillaries from the standpoint of lubrication theory, In: Wolstenholme, Knight ed. Circulatory and Respiratory Mass Transport. J. & A. Churchil, 1969: 85-104
34. Aquatic animal propulsion of high hydromechanical efficiency. J. Fluid Mech., 1970; 44
35. Large-amplitude elongated-body theory of fish locomotion. Proc. Roy. Soc. B, 1971; 179
36. The propagation of sound through moving fluids. J. Sound Vib., 1972; 24:471-492
37. Physiological fluid dynamics: a survey. J. Fluid Mech., 1972; 52: 475-497
38. Aquatic animal locomotion. In: Becker E., Mikhailov G. K. eds. Theoretical and Applied Mechanics, Springer. 1973
39. On the Weis-Fogh Mechanism of lift generation. J. Fluid Mech., 1973; 60: 1-17
40. Aerodynamic aspects of animal flight. In: Fifth Fluid Science Lecture Arranged by the British Hydrodynamics Research Association, 1974: 423-491
41. Flagellar hydrodynamics. SIAM Rev., 1976; 18: 161-230
42. Mathematical theories of fish swimming. In: Steel J. H. ed. Fisheries Mathematics, Academic Press, 1977: 131-144
43. Acoustic streaming. J. Sound. Vib., 1978; 61: 391-418
44. Two-dimensional analyses related to wave-energy extraction by submerged ducts. Fluid Mech., 1979; 91:253-317
45. Energy flow in the cochlea. J. fluid Mech., 1981; 106: 149-213
46. Advantages from describing cochlear mechanics in terms of energy flow. In: de Boer. E., Viergever M. A. ed. Mechanics of Hearing, Delft University Press, 1983: 63-71
47. Fundamentals concerning wave loading on offshore structures. J. Fluid. Mech., 1986; 173: 667-681
48. Biofluiddynamics of balistiform and gymnotiform locomotion , Parts 1-4. J. Fluid. Mech., 1990; 212: 183-207, 213: 1-28
49. Biomechanics of hearing sensiuvity (The Rayleigh Lecture). ASME J. Vib. Acoust., 1991;113:1-13
50. Acoustic streaming in the ear itself. J. Fluid. Mech., 1992; 239: 551-606
51. Biofluiddynamics: a survey, In: Cheer A. Y., van Dam C. eds. Amer. Math. Soc., 1993: 1-32
52. Global climate change and tropical cyclones. Bull. Amer. Meteor. Soc., 1993; 75: 2147-2157
53. Some aspects of the aeroacoustics of high-speed jets (The Inaugural Theodorsen Lecture). J. Theor. Comp. Fluid Mech., 1994; 6: 261-280
54. The role of the lateral line in active control of reduction by clupeoid fishes. In: Animal Locomotion, The Society for Experimental Biology, 1995: 35-48
55. Internal waves and related initial-value problems. Dynamics of Atmospheres and Oceans, 1996; 23: 3-17

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A Talent Passed Away in International Mechanics Circles—A Biographical note on Sir James Lighthill, a famous applied mathematician, fluid dynamicist
Dai shi-qiang
Professor. Supervisor of Ph. D. Candidate, Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics, Shanghai University
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詹姆斯•赖特希尔简历

职业经历：

1941-1943年  就读于剑桥特立尼德学院战时速成班
1943-1946年  任英国国立物理学实验室航空部研究实习员（后任研究员）
1946-1950年  任曼彻斯特大学数学高级讲师
1950-1959年  任曼彻斯特大学应用数学贝耶（Beyer）教授
1953年       成为英国皇家学会会员
1959-1964年  任英国皇家航空研究中心主任
1964-1969年  任伦敦帝国学院皇家学会研究教授
1965-1969年  任英国皇家学会物理学秘书
1969-1979年  任剑桥大学数学卢卡西安（Lucasian）教授
1979-1989年  任伦敦大学学院院长
1989-1998年  任伦敦大学学院数学系名誉研究员

部分社会兼职和荣誉称号：

1948年 .5-    英国航空研究委员会流体运动分委员会委员
1952年 .5-    英国航空研究委员会流体运动分委员会主任、航空委员会委员
1956-1979年  《流体力学杂志》（Journal of Fluid Mechanics）副主编
1961年-      英国皇家学会讲师
1961年-      英国皇家航空协会会员
1961年       获莫迪斯托•帕奈蒂（Modesto Panetti）奖（都灵）
1963年       获铁摩辛柯奖章（ASME）
1964-1966年  任数学及其应用研究所首任所长
1964年       获皇家学会皇家奖章
1965年       获皇家航空协会金质奖章
1965-1970年  任自然环境研究委员会委员及下属的海洋学和渔业研究委员会主任
1966年-      任造船工业盖兹（Geddes）咨询委员会委员
1971年       受勋为詹姆斯•赖特希尔爵士（Sir James Lighthill）
1971-1974年  任数学教育国际委员会主席
1976年       获美国航空航天研究院（AIAA）空气声学奖
1978-1981年  任英国研究与发展顾问委员会委员
1980-1986年  任英国研究委员会顾问团成员
1982年       获数学及其应用研究所金质奖章
1984-1988年  任国际理论和应用力学协会（IUTAM）主席
1990-1995年  任国际科协理事会国际减灾十年特别委员会主席

还担任过下列其他国家机构的名誉成员：

    美国艺术与科学学院、美国哲学学会、美国航空航天研究院、美国国家科学院、美国国家工程院、法国科学院、荷兰皇家科学院、意大利科学院、俄国科学院、印度科学院。

原载于《自然杂志》1998年第20卷第6期345-348

【后记】
我与这位流体力学家曾有两次晤谈，他的音容笑貌至今仍历历在目。给我印象最深的是1987年夏天我们在北京的第二届国际流体力学学术会议上的初识。在会议的间歇，我们有一次畅谈。我告诉他，我正在做内波方面的研究，读过他的名著《流体中的波》，得益匪浅。他说，“书是要读的，最要紧的是进行新的探索，把学过的知识用上去。内波研究是个挑战性的课题，我的书里只介绍了最基本的知识，还有许多规律性的东西有待于搞清。”我向他请教怎样做好流体力学研究？他说：“最要紧的是要让流体流起来，动起来，有的研究流体力学的人给了一大堆公式，却搞不清流动规律，这种‘工作’一文不值！要研究，就是要真刀真枪地解决问题！要工作，要多发表论文，来证明自己！”我当时就觉得这些话对我极有裨益，可能他已知道我是学数学出身，于是就有这番快人快语。从那时起，我更崇敬这位身材魁伟、个性鲜明的学者了。1998年夏天，我突然听说他已辞世，深感震惊，立即向他的学生、我的朋友英国皇家学会会员Moffatt教授打探消息，并向他索要有关Lighthill的信息。Moffatt很快给了我回音，证实了噩耗，并给我寄来了详尽的资料。1998年国庆节，我根据这些资料和平时对他的了解，奋笔直书，化了一整天时间写成上文，后投寄《自然杂志》，发表于该刊当年的最后一期。发表后引起了读者的注意，有些网站后来还予以转载，足见这位流体力学大师的影响力之大。然而，由于我才疏学浅，难以充分展示这位大师灿烂的人生篇章，期待着到了有闲阶段，再多读点书，把Lighthill的辉煌业绩和治学风格更详细深入地介绍给大家。