驱动人类文明繁荣发展之“力” | 段慧玲院士在北京论坛(2024)闭幕式上的主旨报告
2024.11.05         浏览量:1756

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中国科学院院士、北京大学工学院院长段慧玲教授作主旨报告


各位领导、各位朋友,下午好!

感谢北京论坛组委会给我这个机会,和大家谈谈我关于人类文明繁荣发展的一些认识。

我是学力学的,在中华文化中,力不仅仅指force,还意味着协作、奉献和精神的力量。长久以来,我都在思考一个问题,那就是,我最熟悉的力学与人类文明繁荣之间有着什么样的关联?

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“宇宙之大,基本粒子之小,力无所不在。”遍历整个人类文明,力学可以说是一门永恒的学科。只要我们还生活在物理实体空间里,万物的运行就摆脱不了力的基本原理的约束。今天,我想从世界、中国以及未来这三个尺度,分享我的一些思考。

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第一,纵观人类文明发展史,力学作为最古老的科学之一,既是人类社会文明进步的主要推力,更是近现代工业文明发展的重要根基。

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自古以来,力学与人类社会的发展息息相关。远在六万年前的石器时代,人类便开始运用力学原理对石材进行加工,将其打磨成箭头等工具,以提升狩猎效率,这标志着“实验”力学的初步实践。

公元前500年左右,正值人类文明轴心时代,中国和古希腊不约而同地开始了对力学的探索与研究,总结前人对力学实践的理性认识。在中国大地上,墨家学派在《墨经》中介绍了其在力学领域的认识。而在古希腊,阿基米德提出了浮力定律和杠杆原理,使静力学成为了一门真正的科学。

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到了16至17世纪,达芬奇、伽利略、胡克、开普勒、牛顿等一大批科学家为力学的发展做出了不同程度的贡献,这其中又以牛顿最为突出。《自然哲学的数学原理》这本力学著作的发表,奠定了经典力学的基础,实现了科学方法论的革新,牛顿力学也从此成为了自然科学中的主导和领先学科。

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如今,随着人类文明向深空和深海迈进,流体力学、固体力学的重要性日益凸显。从冯·卡门到周培源、钱伟长、钱学森,一代又一代的力学家们在尖端科技领域的创新研究中、在人类现代科技进步事业中扮演着至关重要的推动者角色。

力学的重要性既体现在人类社会文明的演进中,更是深深的植根于近现代工业文明的发展里。

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第一次工业革命的标志是蒸汽机的使用。牛顿力学和热力学的融合发展,实现了热能到机械能的可控转化,蒸汽机作为动力机走进了社会生产,开创了以机器代替手工劳动的“蒸汽时代”,新的生产力的释放,也引发了深刻的社会变革,大大紧密了各国之间的联系,改变了世界的面貌。

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在第二次工业革命中,内燃机和发电机的应用极大地推动了技术革新和工业发展,人类就此迈入“电气时代”。社会生产的动力源从“蒸汽”升级为“燃料”和“电磁”,与之配套的真正负责“做功”的机械构件、机械原理也随之演进,工程科学、应用力学得到了极大发展,起到了至为关键的推动作用。

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在第三次工业革命背景下,信息技术的迅猛发展对半导体器件性能提出了更高要求。固体力学、量子力学,特别是在纳米力学特性方面的研究,为发现新型半导体材料、推动微电子技术发展提供了理论支持和物质基础。力学不仅促进了人类对材料性能的深入理解,也解决了微电子机械系统中的关键问题,为信息技术的持续进步奠定了坚实基础。


第二,回望新中国75年的历程,力学作为“大工业真正的科学基础”,在中国的社会主义现代化事业中同样发挥了极为关键的作用。

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今年是中华人民共和国成立75周年。75年来,中国发生了沧海桑田的巨大变化,迎来了世界发展史上规模最大的一次现代化事业。

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“天堑变通途,江山归咫尺。”75年来,中国公路桥梁数量从1957年的3.7万座增加到了2023年的108万座。从南京长江大桥到“世界第一长的跨海大桥”港珠澳大桥,力学理论的高度发展助力中国桥梁工程实现了由“跟跑”“并跑”走向“全面领跑”,为中国从桥梁大国迈向桥梁强国提供有力支撑。

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“要想富,先修路。”自新中国成立以来,中国公路网络从最初的8.1万公里扩展至如今的543万公里,铁路从2.1万公里延伸至16万公里,高铁里程更是占全球的三分之二。从川藏、青藏公路的建成到复兴号实现31个省区市全覆盖,中国已经建成世界上规模最大、最为现代化的公路、铁路和高铁网络。在这些宏伟实践中,中国的力学大放异彩,攻克了众多世界级技术难题,作出了卓越贡献。

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1970年,第一颗人造卫星“东方红一号”成功发射,极大地提升了中国的国际地位,对中国奠定航天事业、维护世界和平具有里程碑意义。半个世纪过去了,中国的航天事业不断发展壮大。就在前几天,神舟十九号乘组入驻中国空间站,完成中国航天史上第5次“太空会师”。“祝融”探火,“嫦娥”揽月,“羲和”逐日,“天和”遨游星辰,这些空天壮举的背后,力学的贡献更是极为核心、不可替代。

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进入21世纪以来,中国的科技事业蓬勃发展,重大创新成果层出不穷,科技工作者们既向深空发起挑战,又深入海洋深处,为人类认识自然不断拓展新的视野。在深海探测中,面对极端的静水压挑战,力学给出了“刚”和“柔”两种耐压思路。一方面,蛟龙号等载人潜水器通过采用坚固的钛合金材料耐压舱,保证了在深海高压环境下的密封性和结构完整性。另一方面,仿生狮子鱼机器人通过柔软的机身设计,无需耐压外壳即可承受深海的极端水压。这些技术的应用充分展现了深海科技领域“中国力学”的非凡实力和巨大潜力。

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第三,展望未来,北京大学将着眼于人类文明持续繁荣发展,继续推动力学学科的深刻变革、与时俱进、纵横拓展。

1952年,中国的第一个力学本科专业诞生于北大。72年来,北京大学一直是中国力学学科的开拓者和主导者,持续推动着学科的快步发展。面向未来,特别是在席卷而来的第四次工业革命中,北大力学必将肩负更为重要的时代使命。

习近平主席指出,“当前,新一轮科技革命和产业变革深入发展,学科交叉融合不断推进,科学研究范式发生深刻变革”。这也阐述了北大力学学科发展的背景和方向:

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在学科布局方面,面对以人工智能为主导的第四次工业革命,北京大学将承前启后、推陈出新,推动力学与数据科学、人工智能的深度融合、交叉发展,进一步壮大以力学为核心的新工科事业。

一方面,我们需要把握时代发展脉络,不断推进“数智力学”的交叉融合。当前,我们正在迎来数字计算能力爆炸式增长的时代,大数据和智能算法为自然科学带来了全新的发展机遇。未来,北大将致力于将传统力学理论与现代数据科学、人工智能技术相结合,以新视角激发新创造,不断优化力学模型,积极运用先进的数据科学方法来分析复杂现象、解决疑难问题。

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另一方面,我们需要聚焦未来技术挑战,加大物理智能力度,促进其与计算智能的协同发展。物理智能是人工智能向真实世界发展的技术基础,而力学是物理智能研究领域的重要支点。当前,计算智能的发展远快于物理智能,导致机器人在复杂环境中的适应性等方面存在不足。未来,北大将继续发扬力学学科传统优势和跨学科交叉优势,推动先进制造与机器人等领域的研究,实现物理智能与计算智能协同进化,推动人工智能研究的全面发展。

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在人才培养方面,面对数智时代给高等教育带来的冲击,北京大学将坚持“以理启工、以文冶工、以工促多”的理念,以力学为基,为中国、为世界不断输送具有原始创新能力的、富有人文情怀的、面向未来的新工科领军人才。

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第一,坚持“以理启工”,夯实“发于理而成于工”的人才培养模式。未来,北大将加大以力学等为代表的基础学科人才的培养力度,进一步强化力学在基础研究和工程技术之间的桥梁纽带作用,为未来的工科人才储备扎实的数理基础,为未来的创新创造储备坚实的底层能力,以满足第四次工业革命的需求。

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第二,坚持“以文冶工”,建设蕴含人文精神的工科。AI对信息的处理以信息整合和数据计算为主,而人类智能(也就是HI),则更擅长解决复杂、模糊和创造性的问题。面对数智时代给高等教育的冲击,北大将坚守人类文明殿堂的本道,在人才培养中,把涵养人文精神、伦理道德等“人性”教育提升到更高的层次,让数智时代的人类文明更加熠熠生辉。

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第三,坚持“以工促多”,推动学科交叉融合。未来,北大将充分发挥多学科交叉的优势和特色,深化工科与理科、医科、人文、社科、经管等学科的交叉融合、协同发展,加强人才的跨学科视角、跨学科思维培养,将工程思维有机嵌入到其他学科的人才培养体系,为未来的人才塑造扎实的技术能力底座。

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在努力完成人才培养、学科发展等任务的同时,北大力学,更应继往开来,以更大的格局、更强的决心、更主动的担当,助力人类社会面临的重大挑战和问题的解决。

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力学学科作为北京大学学科力量的重要组成,将继续坚持开放合作、交流互鉴,积极开展国际科研交流合作,吸收和融合国际先进的科研理念和技术,积极展示和传播中国的研究成果和经验,携手全球科研机构和高等学府,以高质量科技创新合作,共同应对可持续发展、环境保护、灾害预防等全球性挑战,为人类命运共同体的建设贡献力量。

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朋友们:

阿基米德曾言:“给我一个支点,我可以撬起整个地球!”力学不仅是一门科学,更是一种文化、一股力量。它的存在跨越了空间的阻隔,超越了时间的界限;它教会我们如何理解世界、改造世界,帮助我们在不同的时代去推动人类文明的发展。

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在此,我诚挚地邀请各位友人,共同关注人类共有的力学学科的发展,携手合作、凝心聚力,以“力学”这个小小的支点,撬动并推动人类文明的未来走向新高度、新境界、新繁荣,共同创造人类更加美好、灿烂的明天!

谢谢大家!