錢學森在美國的成長與巔峰時期

錢學森在美國的成長與巔峰時期

2006/11/14 23:41:38　瀏覽3045丨回應2丨推薦12


中國人會讀書的太多了，中國留學生在國外表現傑出的也非常多，拿瑞典炸藥獎的就有六、七個，但是他們的影響力都很有限。錢學森一九三五年來美國作研究生，一九四五年就成為五角大廈導彈技術核心顧問組的成員，為美國未來的軍事發展規劃藍圖，成長速度之快、影響之深遠令人瞠目結舌。到當前為止沒有一個中國留學生的成就和影響力能夠跟錢學森相比，也沒有一個外國科學家能相提並論，譬如費米博士來美國以前就已經是世界知名的偉大物理學家了。錢學森在美國的事業成長是傳奇性的。





這篇文章我們就來談談錢學森在美國非常燦爛的事業與學術生涯。





（１）寬廣的學術背景





科學的領域太廣了，通常的學者隻能在很窄的範圍內做很深的研究。一般說來，研究越是深入的學者，知識範圍越是狹窄，因為人的學習總量通常隻有這麽大。理論大師進入實驗室不是打翻瓶子，就是被地上的電線絆倒；會動手的工程師通常數學不怎麽樣，理論走不深。錢學森學習的領域廣闊，因此比別人更能做出革命性的突破，也比別人有前瞻性，更能做出開創性的規劃。





尤其要做一個好的領導者，知識的博大比精深更重要。這方麵負麵的例子很多，現成的例子就是李遠哲。李遠哲的知識太窄，深而不博，導致他領導的「教改」任務徹底失敗，連中小學的教育改革這種並不算複雜的任務都一敗塗地，更不用說領導什麽開創性與前瞻性的科技規劃了，完全超出他的能力範圍。退出化學裏他專精的那一小部份，李遠哲什麽都不懂。李遠哲若是為中華民國未來二年的科技發展作規劃，一定是災難性的。





錢學森則是一個典型正麵的例子。他在一九四五年為頂尖富強的美國規劃未來的軍事科技，又在一九五五年為一窮二白的中國規劃未來的軍事科技。這兩個國情完全不同的國家，他的長期規劃任務都獲得了空前的成功。如此艱钜的任務能夠成功絕不是偶然，也絕不是運氣，而是憑借淵博的知識與務實的經驗。這種既廣且深的領導任務就連偉大的全能物理學家楊振寧都做不了。





軍事科技包括麵之廣、牽涉知識之深不是一般人能想像的。舉一個例子，二戰時期為了發展雷達美國國防部在麻省理工學院成立了「放射實驗室」（Radiation Lab）。從零開端，「放射實驗室」在高峰期有超過一千名科學家在裏麵全時間任務。戰爭退出後，大部分的科學家回到學術界，其中有六位拿了諾貝爾獎，兩位成為美國總統的科學顧問，發展軍事科技所需要的天賦與知識由此可見。軍事科技處處是學問，雷達不過是軍事科技很小的一環而已。錢學森的影響力之所以超出絕大多數的科學家就是因為他能夠跨越「科學」與「工程」這兩個完全不同的領域，做到了既博大又精深，這是非常困難與罕見的。





錢學森１９３６年轉入加州理工學院就讀。這所學校強調理工結合，培養的學生既是科學家，也是工程師，博大精深就是在這種環境成長的。所以錢學森雖是航空係的學生，但是經常去數學係和物理係修課。譬如當時數學的前沿複變函數論、物理的前沿量子力學與相對論等，他都進修了。化學、生物學有些課程錢學森也去聽講，因此跟教授量子化學的鮑林（Linus Pauling，1901-1994，獲得1954年諾貝爾化學獎和1962年諾貝爾和平獎）大師成了好朋友，並且一同探討未來化學的發展。就是這樣，錢學森打下了堅實而又廣闊的數理化基礎。在火箭的研製任務中，錢學森負責設計並建造了加州理工學院的小型高速風洞，累積了工程經驗。這是導致他日後能夠為五角大廈規劃長遠發展計畫的重要原因。





（２）“自殺小組”（the suicide squad）





美國在上個世紀的三０年代沒有什麽科學家願意從事火箭的研究，他們把火箭跟星際旅行連在一起，看成是科幻式的旁門左道。因此當時的美國沒有科學家會正經八百的看待火箭。但是加州理工學院出了一個研究生名叫馬林納（Frank Malina）要挑戰傳統，他倡議成立一個火箭研究小組。根據張純如（Iris Chang）的書，加州理工學院的火箭研究小組初始成員隻有四個人：馬林納（Frank Malina），派生斯（Jack Parsons），福曼（Edward Forman），和錢學森。這就是後來著名的“自殺小組”（the suicide squad）成員。





錢學森在晚年回憶說：“馬林納這個人很聰明，小組的其他幾個人動手能力也強，但他們理論上不怎麽樣，於是找到我，要我幫助他們解決一些理論計算的問題，就這樣我參加了火箭小組的任務。”





火箭小組成立了，但沒有經費。同事把他們看成一幫怪人，他們就打工購買二手材料製作火箭。後來有一位研究生阿諾德（Weld Arnold）願意給小組捐獻一千美元，條件是允許他進行拍照，於是這一千美元就成為美國火箭研究小組的第一條資金。





有了這一千元，大家立即著手展開任務。錢學森首先對火箭研究進行分析計算，於１９３７年５月２９日向小組提供了一份研究報告，解決了火箭設計中遇到的幾個理論問題。報告的屬性包含：燃燒室中的溫度、火箭的理想效率、燃燒產生氣體膨脹不足和過度膨脹對火箭效率的影響、燃燒噴嘴的設計、發動機推力的計算等等。這份報告被收進他們的火箭研究課題選集，該選集被小組成員稱為他們的“聖經”（美式幽默）。





到了６月份，小組的任務得到馮卡門的支持。於是小組可以利用學校的實驗室設備進行試驗。但是隨後的試驗有多次失敗，並且給校園造成許多災難性的損失。火箭試驗時產生的腐蝕性氣體使許多儀器的金屬表麵氧化，有一次爆炸差一點使馬林納喪命，汙染性氣體彌漫著辦公樓的許多房間，嗆得人喘不過氣來。





馮卡門不得不把他們趕出校園，全校師生從此戲稱他們是一個“自殺俱樂部”，這個火箭小組就成了日後大大有名的“自殺小組”（the suicide squad）。





“自殺小組”並不因此而灰心喪氣，他們把設備搬到市郊一個名叫阿洛約．塞科（Arroyo Seco）的幹枯河床上進行試驗。於是這個地方就成了美國火箭的搖籃，後來發展成為全球著名的「噴氣推進實驗室」（Jet Propulsion Laboratory，簡稱 JPL）。





（３）助飛火箭（JATO）與噴氣推進實驗室（JPL）





１９３８年的秋天，馮卡門和加州理工學院的校長參加一個美國科學院所屬的軍事航空委員會召開的會議。軍方在會議中建議發明一種火箭能夠助推重型轟炸機，使它能在很短的跑道上或者航空母艦上迅速起飛。當時傳言納粹德國正在發展火箭，所以美國國防部感到壓力，特別是時間上的緊迫。馮卡門回到學校後立即找馬林納、錢學森等人商議，決定接受這個名為“JATO”的任務。JATO 就是 Jet-Assisted Take Off（噴氣助飛）的縮寫。





錢學森原本對火箭就很有興趣，也意識到火箭技術的軍事用途，他的博士論文最後一部分就是探討和論證連續脈衝的火箭推進方法，題目是「探空火箭的飛行分析」。有了“JATO”的任務，在馮卡門的支持下，火箭小組做了一隻八英寸長的小火箭吊在實驗室的屋頂上作理論實驗，然後再到山穀裏作規模較大的試驗。如此理論與試驗反覆進行，終於在一九四一年８月的火箭試飛獲取成功。“JATO”誕生了。“JATO”這種火箭助飛器很快就在二戰時的美國空軍得到戰場應用。





１９４４年德國的V1和V2飛彈發展成功，希特勒開端大量使用飛彈攻擊英國，倫敦不斷遭受飛彈襲擊。美國國防部急如星火，希望加州理工學院的火箭小組能製造出新式飛彈來對付納粹德國。馮卡門和錢學森等研究後認為美國的技術水平和實驗條件比德國差太多，必須耗費钜資創建一個全新的、大型的噴氣推進實驗室，才能設計出射程超過一百英裏以上的飛彈。於是美國軍方投入三百萬美圓正式創建了一個龐大的實驗室，這就是加州巴沙迪那「噴氣推進實驗室」（Jet Propulsion Laboratory，簡稱 JPL）的誕生。






１９４４年 V1 飛彈襲擊倫敦。





V1 又稱“飛翔的炸彈”（the flying bomb），身長7.9公尺，翼展5.37公尺，是人類戰爭曆史中第一種導彈，也是最早的巡航導彈。V1 最大飛行速度656公裏/小時，最大飛行距離240公裏，飛行高度3,050公尺，全重2,150公斤，彈頭重830公斤。從１９４４年６月到１９４５年３月，德國使用大量V1飛彈攻擊英國南部。德國總共製造了三萬枚V1飛彈，用了大約一萬枚攻擊英國，其中 2,419 枚擊中倫敦市區，造成倫敦 6,184人死亡，17,981人受傷。


V1 是一種非常恐怖的飛彈，因為它飛行的時候發出「嘶---- 嘶----」的恐怖聲音，然後突然停止，死一般的沈寂，飛彈開端向下俯衝，接著就是轟然巨響的爆炸。這種恐怖的聲音對人心和士氣造成非常大的衝擊。





JPL 成立後，美國國防部要求 JPL 不僅進行火箭的研究，而且負責製造出可以控製的導彈（台灣稱作「飛彈」，其實「導彈」更為恰當，因為導引是飛彈飛行的重點，火箭一般說來是沒有導引係統的）。JPL 成立時馮卡門是當然的主任（Director），錢學森是研究分析組的組長，林家翹（1962年當選美國國家科學院院士）、錢偉長（1955年返回大陸）、郭永懷（1956年返回大陸）等華人科學家都在這段時間為 JPL 效力。





下麵這張照片是錢學森（右邊第二人）和其他任務人員在美國導彈試射場拍攝的照片。







（４）美軍上校錢學森赴德國考察





有了「噴氣推進實驗室」，加州理工學院自然成為美國研發導彈的核心，馮卡門從一九四四年１０月起擔任美國空軍科學顧問團的團長，錢學森作為團裏唯一的外國人，配戴可以參與最高軍事機密的金色證章出入五角大廈。





1945年春，盟軍勝利在望，羅斯福總統要求迅速派遣專家前往德國的軍事工業重地探索所有可能的隱密。四月底，馮卡門編譯版了一個由三六位專家組成的「科學諮詢團」前往德國。馮卡門受聘擔任這個科學諮詢團的團長，被授與少將軍階；錢學森受聘擔任火箭組的主任，被授予上校軍階。一群美國科學家浩浩蕩蕩前往歐洲訊問德國軍事科學家，收繳德國掌握的軍事科技和最新裝備，並且爭取優秀的德國軍事人才來美國效力。





錢學森參與訊問的第一位德國火箭專家就是馮．布勞恩（Wernher von Braun），他是德國 V1 與 V2 飛彈的總設計師。錢學森讓布勞恩寫出【德國液態燃料火箭發展及未來展望概論】，受到美國軍方的重視。美國將布勞恩和他的設計小組都帶到美國。移居美國的布勞恩後來擔任美國「國家航空暨太空總署」（NASA）的空間研究設計師，主持設計了「阿波羅４號」太空計畫。





馮卡門與錢學森在德國布隆施維市郊外一片茂密的鬆林中，意外發現納粹空軍元帥戈林直接領導的、高度秘密的「氣體動力學研究所」。他們不但查驗了研究所，而且還檢驗了高速風洞、實驗室、和所屬車間等等總共五幾個偽裝良好的建築物，並且用儀器探測到埋藏在密林深處的數千件機密文檔。這些發現使錢學森對德國火箭與炸藥的研製有了深刻的了解。





對我而言，最有意思的是下麵兩張照片。







1945年四五月間，錢學森跟隨馮卡門訊問馮卡門的老師──著名的空氣動力學家普朗特。這是錢學森（中），馮卡門（右），和普朗特（左）三人會見時的合影。


這張照片是世界氣體動力學三代掌門人的合照：徒弟錢學森，師父馮卡門，和開山祖師爺普朗特。這是一張曆史性的照片，非常有趣。師父和徒弟聯手審訊師祖，更是曆史的玩笑。







錢學森上校、馮卡門將軍與普朗特教授。


這張照片我不太能確定地點，應該是德國的哥丁根大學──普朗特執教的大學，也是馮卡門的母校。右邊算起，第一人是錢學森，第二人是馮卡門，第三人是普朗特，最左邊的人不知道是誰。拍攝時間應該是一九四五年５月。





（５）錢學森對美國國防的貢獻





自從１９４１年火箭助推器發展成功以後，美國軍方不但需要火箭，而且需要培訓一批了解這門新武器的軍官。於是錢學森除了為航空係的研究生講課外，還要為這些軍官開設工程數學原理和噴氣推進原理等課程。這些軍官後來成為美國先進部隊的骨幹。





在培訓這些軍官研究生的第二年，錢學森編了一部屬性豐富的教材，取名【噴氣推進】，成為美國第一部全麵係統論述噴氣推進的基本原理和火箭性能的著作。此後的幾年，這部巨著一直是美國研究生和軍事工程師必讀的教材和參考書，被奉為權威性的著作。





錢學森對美國國防最大的貢獻是二戰退出，馮卡門率領的三六人科學諮詢團從德國回來以後，向美國政府提出的書麵報告。這時候的錢學森不但從德國帶回豐富的數據，而且走訪了美國各處的研究中心和實驗室，對美國航空事業的發展現況和未來潛質有了全盤了解。





科學諮詢團從歐洲回到華盛頓後，便開端整理數據，最後向美國國防部提出了著名的【邁向新高度】研究報告。這份遠景規劃的國防報告一共有九卷，其中第３、４、６、７、８卷和技術情報附錄是出自錢學森之手。





作為「科學諮詢團」的核心成員，並且代表戰勝國審訊代表戰敗國的普朗特和馮．布勞恩，錢學森掌握了大量的第一手數據，而且深刻了解德國在飛機和火箭技術上已經走在美國前麵。錢學森總結了歐洲各國特別是德國的科研成果與發展經驗，向美國政府提出戰略性發展的獨創見解和實際可行的技術路線。在【邁向新高度】研究報告中，錢學森翔實論述了高速空氣動力學的發展，包括了脈衝式噴氣發動機、衝壓式噴氣發動機、固態與液態燃料火箭、超音速導彈、以及核能作為飛行動力的可能性等等先進技術，評估這些技術已有的研究成果、當前存在的問題、和未來發展的前景。





【邁向新高度】是美國二戰後航空與航天發展的規劃藍圖，它為美國空軍未來50年的發展指明了方向，從根本上改變了未來戰爭的型態。有了【邁向新高度】所奠定的理論基礎，二世紀的下半葉美國在航空與航天事業上獲得飛躍的發展，成為世界第一軍事強國。美國專欄作家米爾頓．維奧斯特曾這樣寫道：「錢（學森）是幫助美國成為世界第一流軍事強國的科學家銀河中的一顆明亮的星。」





（６）麻省理工學院最年輕的正教授





１９４６年，錢學森應聘為麻省理工學院航空係的副教授。同年，錢學森在美國的【航空科學期刊】發表題目為「原子能」的論文，提出了原子能如何應用在航空與航天上。他在麻省理工學院舉行一係行的演講，敘述核燃料助推火箭的設想和相關工程問題，引起廣泛的興趣與討論。





一九四七年初，麻省理工學院決定破格提升錢學森為終生職的正教授，並恭請馮卡門教授寫推薦信。在馮卡門的高度推薦下，錢學森成為當年麻省理工學院最年輕的正教授。這一年，錢學森榮升正教授、返國探親、結婚、再回到麻省理工學院的校園繼續研究和教學，一切都那麽的順利和完美。





（７）回到加州理工學院任教





雖然享有麻省理工學院的終身職，錢學森並沒有在這個校園住多久。





１９４８年的夏天，實力雄厚的古根漢基金會（Solomon R. Guggenheim Foundation）在加州理工學院和普林斯頓大學各成立一個「噴氣推進中心」。這兩個中心不約而同地熱情邀請錢學森擔任這個中心的主任。加州理工學院新任校長杜布裏奇親自寫信歡迎錢學森回到巴沙迪那的校園來，錢學森接受了他的邀請。第二年，錢學森奔赴加州理工學院，進入他事業充滿曲折的第二階段。







一九四九年初夏，錢學森與妻子蔣英前往加州理工學院，途中留影。（郭永懷攝）





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