近期虎門大橋渦振，讓我們不禁想到美國塔科馬大橋倒塌。位于美國華盛頓州的塔科馬大橋，在建成通車4個月後，被一場大風吹塌了，此事件被稱為“20世紀最嚴重的工程設計錯誤之一”。當風吹動橋梁時，就會在橋梁後面形成“卡門渦街”引發共振現象。 “卡門渦街”是什麼？塔科馬大橋倒塌給我們又帶來什麼科學啟示呢？

出品："SELF格緻論道講壇"公衆号（ID：SELFtalks）

以下内容為中國科學院力學研究所研究員王育人演講實錄：

今天，我想分享的主題是“科學、技術與人的選擇”。

研究者的困惑

作為一個研究者感到最大的困惑是什麼？我在念初中高中的時候對科學很感興趣，因為在廣闊的宇宙中，人是很渺小的，所以我就想，人是從哪裡來的呢？這個宇宙還藏了什麼樣的秘密？

作為一個年輕人，對科學的興趣首先源于一顆單純的好奇心。

當我念完碩士、博士，進入中國科學院，成為一個研究者，真正以科學為職業，以科學為生計時遇到了一個困惑，這個困惑一直伴随我到現在。

作為一個研究者，首先要選擇研究方向，也就是課題，那麼研究什麼樣的課題才有意義？是研究促進知識發展的課題還是研究技術的課題？這些課題會帶來前途嗎？

要搞清楚這個問題，首先要弄明白科學與技術之間的關系。

卡門渦街的故事

在這之前，我想用“卡門渦街的故事”來解釋這個問題。

這是位于美國華盛頓州的塔科馬大橋，這座大橋的跨度有853.4米，始建于1940年7月。在它建成通車4個月後，也就是當年11月，一個19米/秒，相當于八、九級的風把它吹塌了。

當時一個攝影團隊正好路過這座橋，拍下了一段短視頻。視頻中橋被風吹得來回搖擺，接着這座橋竟然被風吹塌了。

塔科馬大橋坍塌被稱為“20世紀最嚴重的工程設計錯誤之一”。

橋為什麼會塌？要想解釋清楚原因，就要把時間往前推到1911年。

這個人叫馮·卡門，出生于奧地利布達佩斯，被譽為全世界航空航天時代的科學奇才，他是美國噴氣推進實驗室的創始人，也是美國的火箭之父，著名的空氣動力學家，還是錢學森的老師。

1911年，馮·卡門工作于哥廷根大學，是一名助教。他的老師普朗特也是一位偉大的科學家，當時在哥廷根大學當教授。普朗特關心邊界層問題，他曾讓他的博士生哈依門茲去做一個實驗。

實驗如圖所示。在水槽裡放入一個圓柱體，讓左邊水流以一定速度沖擊這個圓柱體。哈依門茲做了這個實驗，他發現當水流繞過圓柱體之後，會在後面搖擺不定，穩定不住，他把這個現象彙報給了他的老師普朗特。

普朗特認為實驗可能做錯了，圓柱體可能不夠圓，左右不夠對稱。他重新精确修正了這個圓柱體，但再做實驗，結果還是如此。

普朗特又認為，是水槽做得不對稱，于是他又去做了一個水槽并進行實驗，結果還是這樣。

這件事被馮·卡門關注到了。他想：尾流的搖擺不定肯定有一些物理原因，并不是實驗誤差造成的。于是他就對這個問題進行了深入研究，最後找到了答案。因為水流繞過圓柱體後形成的兩股擾流，産生了圓柱體後的一系列渦街，這些渦街造成了尾流的搖擺不定。

他把研究結果報告給了普朗特，随後發表了相關的論文，把這種渦旋稱為“卡門渦街”。他發現“卡門渦街”在律動的時候，與同行列内相鄰兩渦旋的間隔有一定的比值時才會穩定。

回頭去看塔科馬大橋的坍塌事故，這個事故之所以會發生，是因為當風吹動橋梁時，就會在橋梁後面形成“卡門渦街”，“卡門渦街”形成一定的拍動力量，以一定的頻率拍動橋梁，當拍動的頻率與橋梁本身固有頻率相吻合的時候就會發生著名的共振現象，就是這個共振讓橋塌了。

從那以後這個工程問題被弄清楚了。現在高大建築物在建設的時候必須對風，以及風對它的影響進行計算和設計，這在建築領域已經形成了一套标準。

從科學産生到技術進步，再到行業标準需要多長的時間？我們需要注意三個年代：1911年，1940年，1960年。

1911年，“卡門渦街”現象被發現，科學解釋産生。1940年大橋坍塌後到1960年才弄清楚事故的原因。直到近代，“卡門渦街”的原理才逐漸發展為一個建築的行業标準。

無數的人參與了這個過程，無數的人做出了貢獻。

它給我們的啟示是一個偉大的發現必須源于對科學的興趣。在科學興趣産生的時候，它并不一定受利益驅動，或者說當時也許沒有看到它的應用。從研究意義的角度來說就是問題的産生是有科學意義的，但不一定有技術意義。

第二個啟示，技術革命性的進步必須源于對科學問題的新認識，否則就不會有技術革命性的突破。

第三，科學與技術的關系是相輔相成的，過程是複雜的，周期是很長的，不是一個人就能完成的。

還有一個關鍵的問題，在後世評價“卡門渦街”這個發現時，那個博士生很少被提及。實際上沒有他的實驗，這個事情是不會被發現并且被解密的。

所以，我們不但要重視那些偉大的發現者，還要重視那些勤勤懇懇工作的普通科研人員。

從科學發展史中可以看到，無論是經典力學、相對論、量子力學，都是源于1900年左右。比如相對論，到現在它都在發揮作用。要發現引力波，要制造量子計算機，它們的基礎也都源于很早以前。

在曆史長河中，無數人通過複雜的合作關系才産生了這麼大的技術進步，可以說個人是很渺小的，但人類是偉大的，雖然進步是很慢的。

研究分享

下面我再結合我個人的研究經驗回溯一下這個問題本身。

我個人的研究方向是超材料，尤其注重聲學材料方面。

超材料已被評為50年内十項重大突破之一。什麼是超材料？原子的尺寸很小，但如果把它無限放大到肉眼可辨識的厘米級、毫米級，也把它搭成這樣的結構，就會産生奇妙的東西。

電子二極管的發現促進了半導體工業的革命性變革。二極管是什麼？就是電流隻能單向導通，不能反過來。

在聲學裡，很難讓聲音從左到右穿過一個東西，但從右到左就穿不過來了。聲學的超材料發現以後，這個問題就解決了，這不是非常奇妙的一件事情嗎？

聲學超材料可以讓聲進行聚焦，還可以隐身。目前已經發明出了聲學鬥篷，鬥篷能夠遮掩的物體，對方聲呐是探測不到的，便隐身了。正是由于這些奇妙的特性，聲學超材料才引起了我的興趣。

我們提出了聲子玻璃這樣的概念，也就是說我們可以提出一種寬頻的，在水下能夠很好地吸收聲音的一種材料，可以讓水下的聲納波被吸收，就可以達到隐身的效果。

我們也提出了Diarc點的頻率可調，聲音沿着特殊的通道走，其他地方不傳播。

這些東西有沒有用呢？當時沒想這個問題，後來發現真有點用。比如說，大飛機翅膀上的發動機在下降時會有很大的噪聲，要求把噪聲降低，根據這些技術就可以做到減少對周圍環境的噪音影響。

以前聲學材料都是用普通材料做的，現在可以用上超材料和由3D打印技術和其他各種技術構造出新的材料，能使噪聲降低的效率更高。

比如基座，它是放在船裡用來架發動機的，發動機有噪聲，用這種具有減震性能的東西，可以完全隔離噪聲的傳播，達到靜音的效果。

我想說的不是研究本身，而是剛開始進行研究的時候可能并不清楚這個東西最後有什麼用處，但是過後會發現它确實能夠用于實際。

最後說一些個人體會。

首先，一個人要選擇他的科研課題，必須立足于本專業，必須是科學問題驅動的，而且要追求創新性。

第二，在搞科學問題的時候又要響應國家号召，時刻注意研究和社會需求之間有沒有對應關系，要積極推動它往社會需求上轉變。

第三，任何一個科學進步，要靠傑出的科學家領頭，但它又是一個非常複雜的群體性行為，所以必須要關注那些普通的科學工作者。

作為一名普通科學工作者，可能窮極一生也做不出什麼所謂的成就來，要做好犧牲的準備，要有默默無聞為科學奉獻一輩子的精神。

此外，我個人認為科學問題隻分兩類，解決了的科學問題和沒有解決的科學問題。它沒有問題大小的區别，因為你不知道一個科學問題在未來一百年，甚至一千年以後到底能夠發揮多大的作用。

技術、科學的進步都是點滴積累的。突然抱到一個金娃娃的事有嗎？有，但很少。所以在科學研究的時候一定要關注點滴的進步，這些進步是普通的科學研究者做出來的，那些坐冷闆凳的人做出來的。

所以我呼籲：坐冷闆凳的人甘心坐冷闆凳，但是不要讓坐冷闆凳的人心涼，全社會都要關注普通的科研工作者。

“格緻論道”講壇，原稱“SELF格緻論道”講壇，是中國科學院全力推出的科學文化講壇，由中國科學院計算機網絡信息中心和中國科學院科學傳播局聯合主辦，中國科普博覽承辦。緻力于非凡思想的跨界傳播，旨在以“格物緻知”的精神探讨科技、教育、生活、未來的發展。

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