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【转帖】胡永云 - 我所知道的芝加哥学派
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这篇对芝加哥学派的科普文章，值得一睹。 读完文章后，除了敬仰，还是敬仰。 在这科学的历史中淌徉，面对这科学巨人，我们都会扪心自问，我们做的工作是否意义？我们工作是否努力？ 回想起我自己在芝大的经历，也有些类似Bryson当年的情况：学术论文放在我的导师R. Pierrehumbert桌子上一年多，他也没有时间修改；毕业论文送给他，他一共改了20～30个单词，然后告诉我：“你可以毕业了。”有一次，我半开玩笑地和系里的N. Nakamura教授抱怨此事，Nakamura说：“这没有什么可抱怨的，这是罗斯贝留给我们系的传统。” 下载地址： http://www.atmos.pku.edu.cn/yhu/chicago.pdf 征得作者同意，转载如下文章： 胡永云，我所知道的芝加哥学派，引自《江河万古流－－谢义炳院士纪念文集》，北京大学物理学院大气科学系编，北京大学出版社，２００７，２８１－３１０ｐｐ 虽然我非常遗憾从没有与谢义炳先生见过面，但在我的人生轨迹里却有两个最重要的阶段是和谢先生的经历重叠在一起的：一是我们都曾在美国芝加哥大学就读过，并在那里获得了博士学位；另一是我们回国后都来到北京大学工作，只不过谢先生比我先行了整整半个世纪。谢先生1945年去芝加哥大学，第一年是在国民政府资助下的培训，1946年开始博士阶段的学习，于1949年毕业；而我是1996年进入芝加哥大学，于2000年毕业。谢先生于1950年秋天回国后先是在清华大学任教，1952年“院校调整”后来到北京大学；而我则是在2004年回国来北大工作的。正是这两段相同的经历促使我撰写此文来纪念我的校友和尊敬的师长——谢义炳先生，也谨以此文献给为我国大气科学事业做出贡献的老一辈气象学家。因为没有见过面，我对谢先生的生平没有深入的了解，所以，我将把本文的重点放在培养了谢义炳先生等一大批杰出气象学家的“芝加哥学派”上。 一、芝加哥学派 在大气科学或气象学的发展史上，能够被称为学派的大概只有两个：一个是以皮叶克尼斯（Bjerkenes）父子（Vilhelm Bjerkenes和他的儿子Jacob Bjerkenes）为首的“挪威学派”（Norwegian School或者Bergen School），另一个便是以罗斯贝（Carl-Gustaf Rossby）为首的“芝加哥学派”（Chicago School）。一个学术团体之所以能够被称为学派，我认为，首先是这个团体由一大批精英学者组成，而且，该团体为某一个学科的发展做出了奠基性或者是开创性的工作。其次，这个团体有着自成一体的学术风格和精神，这一学术风格和精神不是来自教条，而是在自由和宽松的学术气氛中自然形成的。以罗斯贝为首的芝加哥学派就包括了一大批大气科学精英，他们基本上代表了大气科学的一个时代，并为现代气象学和大气动力学的发展奠定了基础。芝加哥学派的影响并不仅限于欧美，也包括中国、日本和印度等亚洲国家。谢义炳、叶笃正和郭晓岚三位先生便是在罗斯贝的指导下完成博士论文的。谢义炳和叶笃正回国后，和其他老一辈气象学家一起为我国气象事业的开创和发展做出了巨大的贡献。芝加哥学派的学术风格和精神非常鲜明，它特别强调大气科学问题的基本物理原理，而不是停留在大气现象本身，这种从最基本的物理或流体力学原理出发来研究大气科学问题的风格，也许是芝加哥学派能够做出许多开创性工作的重要原因。芝加哥学派有众多代表性人物，下面，我只选择我所熟悉的或者我在芝加哥大学（简称“芝大”）学习期间亲身接触过的几位学者来介绍。 1、罗斯贝（C.-G. Rossby，1898—1957） 罗斯贝是芝加哥学派的创始人（图1, 2）。他于1898年生于瑞典，于1918和1925年在斯德哥尔摩大学分别获得理论力学学士和数学硕士学位[1]。根据T. Bergeron[2]的回忆，罗斯贝的学习成绩非常优秀，尤其喜欢新的挑战。1919年，罗斯贝开始跟随老皮叶克尼斯学习气象学和海洋学。我们知道，那时的挪威学派正在构建极锋和气旋的概念性模型，罗斯贝几乎参加了该概念模型建立的全部过程。今天，我们在天气图上使用红色标注暖锋，蓝色标注冷锋，这一标注法便是由罗斯贝首先提出并沿用至今的[3]。1925年，罗斯贝申请并获得了瑞典-美国基金会1000美元资助前往美国学习。在1925～1927年，他主要在美国气象局工作，除了做天气预报，还做了大概是世界上第一个转盘试验来模拟大气运动[4]。 罗斯贝的学术生涯大致可以分为三个阶段：1928年在麻省理工学院（MIT）建立了美国第一个气象系，并一直任教到1939年；1941～1947年任教芝大，并创立了芝加哥学派；1947～1957年回到瑞典斯德哥尔摩大学建立斯德哥尔摩气象研究所（这期间他仍然兼任芝大的教授，并经常回去）。罗斯贝本人对气象学的主要学术贡献是在MIT工作期间做出的，他的关于中纬度西风带波动的著名文章也是在此期间完成的[5]，后来人们把西风带大尺度波动称为罗斯贝波。在推导罗斯贝波的频散关系时，罗斯贝做出了著名的β平面近似的假设，而不是像Haurwitz那样精确地给出球坐标系下的频散关系[6]。G. W. Platzman曾指出[7]，如果把β平面近似看做一个简单的数学近似是错误的，它其实并不仅是一个简单的数学近似，在某种意义上它代表了罗斯贝的研究风格。他总是倾向于利用简化的数学公式来解释大气运动物理意义，而不是过于强调数学推导本身。在β平面近似的情况下，罗斯贝波是不受边界条件拖累的平面波动，其频散关系中的波数是连续的，而不是像球坐标关系式中的波数是离散的。相比较而言，连续波数的频散关系更接近于大气波动的真实情况[7, 8]。今天，罗斯贝波动理论的应用已远远超出了地球流体（包括大气和海洋）的研究范围，它也被广泛运用于行星和太阳大气、磁流体和普通流体的研究。该波动理论之所以有如此广泛的影响力，正是由于β平面近似的引入使得对物理问题的解释大大地简化。华盛顿大学的P. Rhines教授曾高度评价罗斯贝波动理论对地球流体研究的巨大贡献[9]，他写道： Carl-Gustaf Rossby developed an elegantly simple approximation known as the β-plane, with which the derivation of the waves is greatly simplified. As so often happens in science, the full force of the earlier theory did not become apparent until long after its discovery. ... Before the era of computer simulation of the atmosphere, Rossby waves provided a foothold of dynamical theory in aid of weather forecasting. Much later, in the last quarter of the twentieth century, Rossby wave dynamics has filled out like a powerful floodlight our understanding of the dark corners of atmospheric dynamics. 今天，大气科学中的许多术语都是用罗斯贝的名字命名的，如罗斯贝波、混合罗斯贝重力波、罗斯贝数、罗斯贝变形半径等。这些或多或少都是和罗斯贝波动理论相关的。罗斯贝还有另外两个重要贡献：中纬度西风急流的发现以及位势涡度守恒原理。在芝大的网页上，西风急流的发现和费米（Fermi）等进行的核链式反应曾被并列为该校的两个重要发现。在第二次世界大战时期，飞机对天气条件的依赖还非常大，高空气流对盟军在德国和日本的空袭行动影响很大，尤其是日本上空的西风急流。当时的B-29轰炸机在冬季执行对日本的空袭时，曾遭遇过很强的西风急流，罗斯贝被请去解释有关的气象原因[10]。早在执教MIT时，罗斯贝就指导他的学生J. Namias利用地面观测资料预测高空风速，并预估到在太平洋上空有一支西风急流[11, 12]。在芝大任教时，随着高空探测资料的增加，罗斯贝和当时在芝大访问的帕尔门（E. Palman）共同提出了“西风急流”的概念，并强调了预报西风急流的重要性。对西风急流预报准确性的提高大大地提高了盟军空袭的准确性[10]。 现在，位势涡度通常也被称为Ertel位势涡度，但包括J. G. Charney在内的许多气象学家都认为是罗斯贝首先提出了位势涡度守恒的原理[13]。Samelson指出[14]在Ertel的文章[15]发表之前，罗斯贝实际上已提出了“位势涡度”的概念以及位势涡度守恒的原理[16, 17]。后来，Ertel和罗斯贝在1949年合作的文章完善了这一理论[18]。 罗斯贝真正在芝大任教的时间只有不到7年时间，比起他在MIT和斯德哥尔摩大学的时间要短得多，但人们通常会把他的名字和“芝加哥”（大学或学派）联系在一起。这主要是因为在这短短的几年里形成了一个辉煌的学派，这个学派既包括罗斯贝当年的同事，也包括他们培养出的学生。这些学生分布在美国、欧洲和中国，其中有从事行政管理的，但更多的还是从事学术研究。表1是Lewis给出的罗斯贝在MIT、芝大和斯德哥尔摩大学指导过的博士生及其博士论文题目[19]，其中7名学生是和他人共同指导的。虽然J. Namias和Charney并没有在罗斯贝指导下获得过博士学位，但是Lewis还是把他们也列入了其中。Namias是罗斯贝在MIT指导的硕士生，但没有获得博士学位；Charney毕业于加州大学洛杉矶分校（UCLA），是J. Holmboe的学生，但Charney之所以选择大气科学是因为间接和直接地受到了罗斯贝的影响[13]。H. Stommel是我增加上去的，他和Charney一样并没有在罗斯贝指导下获得过学位。但根据Wunsch[21]以及其他人的纪念文章，Stommel在遇到罗斯贝之前没能在物理海洋学方面取得任何突出成绩，虽然他很聪明，但有点自相矛盾的个性使得他在此之前始终找不到一个明确的学术立足点。然而，即使是这样的特殊人才，也能够在罗斯贝那里找到发挥才能的机会。大约是在1946年，当Charney在芝大临时任教的时候，Stommel访问了该校学气象系并拜访了罗斯贝。他了解到罗斯贝的β平面近似并将其运用到风生洋流的线性方程中，成功地解释了大洋西边界强化现象，也就是墨西哥湾流[22]。这一成果被认为是现代物理海洋学的奠基性工作。所以，罗斯贝的影响并不仅仅局限于大气科学，也包括物理海洋学[9]。 罗斯贝的这些学生绝大部分后来成为大气科学界的精英，并且大多数都获得了以他们导师的姓名命名的美国气象学会（AMS）最高学术成就奖“罗斯贝奖”（the Carl-Gustaf Rossby Research Award）。在这些学生中，Byers, Starr, Platzman, Fultz和郭晓岚等后来留在芝大，他们推动了芝加哥学派的后期发展；Charney , Wexler和Starr去了MIT；Holmboe和Neiburger在UCLA与J. Bjerkenes一起创立了气象系。这基本上是在20世纪80年代之前美国大学里最好的三个气象系。Bryson在威斯康辛大学麦迪逊分校（UW-Madison）建立了气象系；Simpson（Malkus）后来担任过AMS主席；Bolin和Wiin-Nielsen留在斯德哥尔摩大学，保留了瑞典在气象学研究的传统。令我们很荣幸也很幸运的是，表1的名单里有三个中国人的名字：郭晓岚、叶笃正和谢义炳，他们把芝加哥学派的影响扩大到中国，并对中国气象事业的发展做出了奠基性的贡献。 就培养出如此多优秀的学生来说，大概只有Charney可以和罗斯贝相比较，但也稍显逊色一些。为什么罗斯贝能够培养出这么多优秀的学生？我想大概有以下几方面的原因：一是现代气象学当时正处于起飞阶段；二是罗斯贝的学术造诣和思想境界代表了当时气象学的最高水平，所以能够为学生建议最前沿的研究方向；三是他极其有效的教授和指导学生的风格。前两个方面都是大家易于理解的，而后一点则是许多人好奇和希望探讨的。Lewis对此进行了广泛的调查和深入的研究，并把罗斯贝指导学生的风格与物理学中“哥本哈根学派”的玻尔（Bohr）以及加州理工学院（Caltech）著名的物理学教授费因曼（Feynman）等进行了比较[19]。Lewis指出，罗斯贝指导学生的风格更像玻尔，他们都不是一个很好的任课教师，对学生的科研进程也不愿关注，甚至对学生的研究方向和结果渐渐地失去了兴趣；但罗斯贝和玻尔都有一种独特的能力去激发学生们对所研究的问题的激情。当然，这一指导学生的风格对学生的要求是很高的，它要求学生能够独立、主动地发现问题，并且具有足够的能力解决这些问题。相应地，费因曼是举世闻名的物理学教授，他可以生动活泼、深入浅出地把艰深复杂的物理问题讲得通俗易懂，他的三卷物理学讲义一直是最值得推荐和阅读的经典教科书[24]。可是，费因曼的学生中的确没有出现像玻尔或罗斯贝的学生那样出类拔萃的学者。罗斯贝在写给Charney的一封亲笔信中，曾这样概括自己的教学方法[25]： Perhaps I occasionally sought to give, or inadvertently gave, to the student a sense of battle on the intellectual battlefield. If all you do is to give them a faultless and complete and uninhabited architectural masterpiece, then you do not help them to become builders of their own. 从这封信可以看出，罗斯贝并不是没有意识到自己的教学方法和指导风格可能带给学生的困难，但他坚信这样可以训练出优秀的学生。 罗斯贝希望训练学生独立地发现和解决问题的能力，还可以从其他方面看出。在1950年，芝大物理学部（Division of Physical Sciences）《研究生手册》[26]上曾有这样的要求 ： Select a thesis topic and begin the investigation for the dissertation under the supervision of a faculty member. The student, as part of his demonstration of originality, will be expected to propose his own thesis topic for acceptance by the Chairman of the Department, and will also be responsible for finding a sponsor for the research. 物理学部当年的教学管理秘书回忆说，上面对该学部研究生的要求很可能是罗斯贝提出来的，并被整个学部接受[19]。Lewis在与罗斯贝的许多学生和气象系的其他毕业生交谈中发现，罗斯贝甚至从来不给学生具体的论文题目，顶多建议一个大方向而已。许多学生自己选定的论文题目是根据每天例行的天气会商中教授之间、教授和学生之间的讨论或者是外来访问学者的学术报告会上的讨论。Platzman回忆说，他的博士论文研究便是起源于罗斯贝和帕尔门在天气会商会上有关西风急流和波动的激烈争论[19]。 关于罗斯贝指导学生的风格，Lewis专门写信询问过谢义炳先生，谢先生是这样答复的： I read MIT series of papers in 1940, in the last year of my undergraduate college education. I did not understand thoroughly, but I was excited to know that I could study under him (Rossby). In September 1946 I came to the University of Chicago as a graduate student. Rossby arranged an assistantship for me. Rossby did not advise my graduate work in details. He just let me fight my own way out. Rossby gave me the impression that he was not only a scientist but also a great teacher and philosopher…. We did often swim along Lake Michigan and take supper at a small restaurant middle way between the lake and International House. It gave me chances to understand Rossby’s philosophy and try to follow him. From 1950-1978, I had no communications with our foreign friends. But we read American and European scientific periodicals. My works in education and scientific research in the past 40 years were mainly following Rossby and Palman. Lewis采访过的气象系的学生大部分很欣赏罗斯贝的教学和指导学生的风格，但并非都是这样。罗斯贝的学生R. Bryson直到晚年回忆起罗斯贝和他的师生关系仍有无法释怀的感觉。在2000年芝大气象系成立60周年的纪念会上，Bryson教授以幽默的口味回忆了他和罗斯贝之间的不愉快：大约是在第二次世界大战后期，Bryson被派往关岛做热带天气观测（可能是为美国太平洋舰队服务），在那里，他像其他学生那样独立地选择了自己的论文题目并完成了论文的大部分。1945年，他回到芝加哥时被告知罗斯贝将是他的论文指导教授。1947年，Bryson基本完成了他的论文并在UW-Madison找到了工作，临走之前把论文交给罗斯贝，罗斯贝就把论文放在书桌上。一年以后，Bryson回来准备答辩。他来到罗斯贝的办公室，发现论文仍原封不动地放在那里，上面落满了灰尘。罗斯贝把论文拿起来，吹掉封面上的浮尘后翻了几页，然后对Bryson说：“我估计你无法通过答辩。” Bryson神情低落地去找另一位教授E. Biel，并告诉他罗斯贝的意见。Biel告诉Bryson不用太担心，他说：“明天你的报告完了之后，我准备问你20个问题，不给罗斯贝提问的机会。如果这20个问题你回答得很好，答辩委员会一定会让你通过的。”Bryson写道，那天晚上罗斯贝跳舞去了，而他却必须呆在办公室里琢磨Biel有可能提哪20个问题。第二天，Biel的提问果然持续了差不多两个小时，罗斯贝很着急，但始终没有提问的机会，Bryson通过了答辩。Bryson后来承认，罗斯贝的那句话也许只是跟他开个玩笑而已，并不是有意为难。回想起我自己在芝大的经历，也有些类似Bryson当年的情况：学术论文放在我的导师R. Pierrehumbert桌子上一年多，他也没有时间修改；毕业论文送给他，他一共改了20～30个单词，然后告诉我：“你可以毕业了。”有一次，我半开玩笑地和系里的N. Nakamura教授抱怨此事，Nakamura说：“这没有什么可抱怨的，这是罗斯贝留给我们系的传统。” |
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