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石根华一位数学家的41年传奇

时间:2014-09-21 20:26:30  来源:  作者:  本文已影响:

 “今天是2009年2月18日,我是在1968年2月18日早晨8点离开北京大学的,现在正好41年,一天不差。我从北京大学数学系毕业,在甘肃的碧口山里参加白龙江水电工程建设,一呆就是10年。一个学数学和拓扑的人直接参与到工程中去,当然有许多背景。” 
   
  2月18日,应数学家林群院士邀请,石根华到中国科学院数学与系统科学研究院计算数学研究所作演讲,并接受《科学时报》采访。林群说:“他的一生充满传奇色彩。”这是一位数学家41年的工程师经历。 
   
  “我相信数学是有用的” 
   
  石根华在中学时代就喜欢数学,但并不知道数学有什么用。 
   
  1963年,他从北京大学数学系毕业,考入该系研究生。在学校的分配下,他师从江泽涵教授,主攻代数拓扑学和不动点理论,在《数学学报》上发表了《最少不动点和尼尔生数》与《恒同映射类的最少不动点数》论文,被国际同行称为“石氏类型空间”和“石根华条件”。20世纪60年代出版的美国《数学评论》就介绍了“姜(伯驹)—石学派”,在当时的中国数学界引起轰动。 
   
  读研究生时,江泽涵曾希望他能留校任助教。然而,“文化大革命”开始后,学校停了课,并提倡应用。石根华参与了海边寻找淡水项目中的数学计算,这激起了他对数学应用的兴趣。研究生毕业时,他被分配到水电部。当时,水电部人事工作的负责人告诉他,他可以到水电部的高等院校和研究所去作研究,但石根华表示自己很想作应用,并自愿申请到工地。 
   
  1968年5月,石根华从水电部西北设计院来到了甘肃省白龙江,参加碧口水电站工程的建设。谈到当初的选择,他说:“这是因为‘文革’时期,如果不做工程,我就只有‘上山下乡’了。在北大时,我就接触了很多工程方面的研究。所以,还是做工程好一点,因为我相信数学是有用的。” 
   
  当他穿着工作服、帮一位工程师挑着扁担来到工地时,大家以为他是搬运工。他说:“当时我不认识周围的人,地方也是完全陌生的——在深山里,两边陡壁夹着山沟,山上开着油菜花,连工作也完全不熟悉。但我感到,到了工地好轻松啊,北大的竞争压力太大了。所以,虽然我的工作是打眼放炮,背着那么重的炸药过吊桥,但我并不觉得可怕,反而觉得北大的那种竞争是可怕的,就是在那个时候我下决心重新开始。”
   
  石根华说,当年,建造白龙江水电站的目的是为我国的原子弹研究提供最可靠的电源。电站不大,但很重要,无论地理地质条件如何,都必须在这里建。“那里的岩石软到什么程度呢?拿手一抓,岩石会像饼干一样碎掉了。队伍进去了,大家说,算了,这种岩石,我们谁也回不去了。” 
   
  让当初的他没有想到的是,他在碧口电站一干就是10年,并在这里成为岩石力学专家。 
   
  数学理论给出的结果是对生命的保证 
   
  在山里建水电站,首先要挖隧道,塌方问题是开挖隧道前需要解决的最关键问题。在碧口这种地质条件下,这个工程是否可行呢?当时,白龙江水电工程召集了各方面最好的专家,也请来了身经百战、最有经验的隧道工人,包括从煤矿上请来的8级安全工。 
   
  “专家开始比较小心,没有论证,他们不能说任何话。”石根华说,“于是,工人们上。工人们怎么说呢?‘就这么破的岩石,我拿电铲一铲就铲出来了,开什么隧道啊?’这是最有经验的隧道工人说的话。这就没法挖隧道了。但是,从其他角度看,还是应该挖这个隧道的。那么,可行性到底由谁来做呢?” 
   
  一位来自上海的勘探队隧道工长想了一个办法,解决了这个问题,白龙江工程建设的序幕就此拉开了。
   
  “这位工长是我的朋友,现在我闭上眼睛还能想起他的形象。我对他非常崇拜,我觉得这种人能真正解决问题。问题是怎么解决的?是靠思考和实践。在实践面前,不是谁受的教育最多、学位最高就能解决问题。解决问题的正确方法是老老实实根据实践来做。” 
   
  刚到白龙江水电工程之初,石根华从打眼放炮的工作开始干起,“我自己动手或者是带领工人开炮打洞都很成功,因为开炮打洞等实际上都是几何问题,我有数学知识,算得很准、布置得很准、打得也很准,所以很快就当了工长。” 
   
  除此之外,他在白龙江工程中还做了地下厂房的计算。在厂房的计算中,他接触到了结构力学。“我从头学起,作为一名数学家,学习方法就是与别人交换。我周围都是清华大学学工科的人,我给他们做计算,他们教我工程——他们必须把工程给我讲懂,我才能把计算做好,所以,大家都用最简洁的方法教我工程,我很快就学得很好,然后就开始做计算,有时一个下午要做3个计算。” 
   
  他最初在工地上做的都是弹性力学,没有想到做岩石力学,一件意外的悲剧改变了他。“我有个朋友,当时大学生到碧口工地上锻炼的就我们两人。我是学拓扑学的,知道岩石的分类。但我不肯作岩石力学的研究。当时,我想,世界没有岩石力学,做它干什么?然而,一天早晨,我和这位朋友推着小车,结果不到两个小时,他就被岩石砸到,死在我面前,而我活下来了。回来以后,我感觉这样不行,所以从这时候开始我才下决心作岩石块体研究。” 
   
  他介绍,岩石块体分为两类:关键块体和一般块体。关键块体就是不用其他块体阻碍,自己能塌下来、掉下来的块体,“这是最危险的块体,第一批岩石掉下来后,其他岩石就会一批批地掉下来。数学上可以证明,这种塌方是可以利用计算算出关键块体的。这就不是几何问题,而是拓扑学的问题,而且还有许多统计学在里面”。 
   
  在白龙江水电工程中,一个难题摆在了众人面前:地下工程开挖需要在岩石中挖一个80米深的高压井,这个高压井会不会塌方?当时,负责此项工作的领导与设计人员之间出现了激烈的争论。那位领导说:“完了,设计人员给我们画的这个东西我们开不出来。”这时,有人向他推荐了石根华。 
   
  “在没有办法的时候,我被调来做调压井。做的时候用数学解决了一个问题。开始时,将房子切成块体。块体是什么?就是一个平面一刀切下去,是一个不等方程,另一刀切下去,也是这个方程,一个块体就是几个不等式方程的解,再将不等式方程转化为球面几何,这样就开始进入了正统的数学。你必须证明并找出每个关键块体。” 
   
  他用拓扑学理论计算出了工程中的关键块体,找准了调压井的开挖部位,调压井成功了,没有出现伤亡。“我利用现代数学有限元的方法,将无限个关键块体分为有限类,同一类中有可加性,其中有一个最大,我在数学上把最大的求出来,就可以了。但做这个东西时,真是感到惊心动魄。这时的数学理论给出的结果是对生命的保证,越严格越有保证;不严格,错了,就是生命的丧失!” 
   
  在白龙江水电工程中,石根华首创了岩体稳定性分析的全空间赤平投影和块本分析方法,并在工程中得到应用。1978年,他在《中国科学》的中英文版上分别发表了《岩体稳定性分析的赤平投影方法》和《非连续岩体稳定性分析的几何方法》。 
   
  2007年7月,国际岩石力学会50年会议在葡萄牙召开,会议的图标就是石根华在《中国科学》上发表的这篇文章的图。石根华说:“现在,关键块体是国际岩石力学的一门必修课程,这是从白龙江水电工程开始的。” 
   
  调压井的成功让石根华成为英雄式的人物。1979年,他被水电部调回北京水科院水利水电科学院。他借用朋友的诗句表达心情:“十年一电站,毕生能几何?”

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