杜祥琬院士：科學故事裡的應用和基礎、開闢和反哺

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來源：中國科學報

作者：趙廣立

中國工程院院士、中國工程物理研究院高級科學顧問杜祥琬 李子鋒攝

在9月18日於北京大學舉行的第十三屆創新中國論壇上，圍繞“在應用研究中感受基礎研究”的發言主題，中國工程院院士、中國工程物理研究院高級科學顧問杜祥琬講述了幾個故事。

前兩個小故事，分別是關於理論物理和粒子物理學家周光召及核物理學家于敏在“兩彈一星”相關研發中的科學軼事。

周光召“一個大膽的懷疑”

在原子彈研究初期，蘇聯專家曾提供過一些技術數據。但是後來研究人員當時利用“九次計算”（一種解方程的模擬方法）得出的一個關鍵數據與蘇聯專家所提供的技術指標不符合，引起了大家的爭議。

周光召從頭至尾重算了一遍，開始懷疑：會不會專家給的數據錯了？

這是一個大膽的懷疑——一個沒有搞過原子彈的人，否定專家給的數據，談何容易。

周光召發揮了他深厚的數理基礎功底，他從能量利用率入手，利用“最大功原理”證明了“九次計算” 結果的正確性和蘇方數據的不可能。後來，這個問題就解決了。

于敏“從物理概念發現一個晶體管壞了”

另外一個類似的案例——于敏“從物理概念發現一個晶體管壞了”，這個故事同樣精彩。

在突破氫彈的過程中，研究人員用晶體管計算機對理論模型進行計算，每個時刻的計算結果都會打在一條紙帶上，紙帶上詳細記錄着該時刻的速度、加速度、壓力、座標等物理量。研究人員就在計算機前盯着紙帶上密密麻麻的數字，觀察物理量的變化。

有一天，于敏和杜祥琬他們正在那兒看這些數據，突然于敏說：“這個量錯了！”

杜祥琬回憶說，一般來說計算機算出來的數據，是很難靠人腦算出來的。但于敏就發現了計算機算出的數據有問題：他看到某個物理量變化趨勢的異常，他的物理學功底告訴他，這個數據不對。

大家開始排查，物理、數學、計算方面的專家齊動手，發現物理參數、方程沒問題，計算編程、程序指令、程序邏輯也沒錯。

但于敏堅持這其中一定有問題。當時的晶體管計算機是由裝滿晶體管的大櫃子組成的，它們一個個擺在大廳裡。會不會是計算機出了問題？後來計算機專家就去檢查計算機有沒有問題。最後還真就發現其中一個加法器的晶體管壞了。他們把壞掉的晶體管換下來，對那個物理量重新計算了一遍，最後的結果果然對了。

計算機專家們非常驚訝：“你們從物理量出發，能找到計算機硬件的一個錯誤，實在令人佩服。”

杜祥琬半開玩笑地說，這大概是基於物理的“人工智能”了。而於敏之所以能夠質疑計算機的功底，就緣於其在理論物理學上打下的深厚基礎。

“基礎學科根基深厚的人才，在應用研究中會解決重大難點問題。”杜祥琬總結說。

杜祥琬自己的“另一個故事”

杜祥琬接着講的故事則是另一番景象：應用研究當中始所未料的問題，推動了基礎學科的新發展。

在覈能利用中，大家都認爲著名的“中子輸運方程”一定是線性的，因爲原子核的密度比中子大很多。

“然而，在實際工程中，我們發現在聚變反應很劇烈的地方，可能會出現中子密度比核密度還要大。”杜祥琬說，在這種情況下，中子之間的碰撞就不能不考慮，而此時線性的中子輸運方程就不足以描述這種情況了。

“於是我們提出了‘非線性中子輸運方程’的概念，這在之前是從未有過的。”杜祥琬說，1984年，他們把這一提法發表在《計算物理》雜誌上，代表中國科學家率先在國際上提出了非線性中子輸運方程及其解法。

“從這樣幾個例子，我認識到基礎科學跟應用學科之間的辯證關係，可分爲兩個方面：一是基礎科學的革命性的突破能夠引領創新的方向，能夠開闢新的領域；二是應用研究提出的基礎科學的問題，可以反哺和推動基礎研究應用科學的發展。”杜祥琬總結說。

對於當前如何加強基礎研究的問題，杜祥琬認爲，科技強國的一個標誌是，具有基於厚重的基礎研究的科學發現能力。

他建議，當下要注重創造更加友好的基礎研究環境，鼓勵科技人員憑興趣做想做的事情，並給以理解和寬容。

此外，基礎研究應“從娃娃抓起”，學校教育應該培養孩子們愛質疑、愛提問的創新素質。