王振東：不盡長(zhǎng)江滾滾流——漫話流體與流動(dòng)性

　　何處望神州？滿眼風(fēng)光北固樓。

　　千古興亡多少事？悠悠，不盡長(zhǎng)江滾滾流！

　　這是辛棄疾（1140～1207年）在宋寧宗嘉泰四年（1204年）三月赴鎮(zhèn)江任知府，登臨北固亭時(shí)，所寫的《南鄉(xiāng)子.登京口北固亭有懷》一詞的上半闋。詞人站在長(zhǎng)江之濱的北固摟上，滿眼望去，那壯麗的自然山水里似乎隱隱彌漫著歷史的煙云，引起了千古興亡之感。因此，接下來(lái)問(wèn)一句：“千古興亡多少事？”縱觀千古成敗，往事悠悠，詞人以流體的流動(dòng)抒發(fā)了感愴雄壯的憂慮之情，以長(zhǎng)流不息的江水表達(dá)了胸中翻滾的不盡愁思和感慨。

　　其實(shí)，一些唐宋詩(shī)詞的名家都善于用流體的流動(dòng)性來(lái)表達(dá)各種情感，寫出了一些膾炙人口的精美絕句：

　　李白（701～762年）《金陵酒肆留別》詩(shī)

　　請(qǐng)君試問(wèn)東流水，別意與之誰(shuí)短長(zhǎng)。

　　《夢(mèng)游天姥吟留別》詩(shī)

　　世間行樂(lè)亦如此，古來(lái)萬(wàn)事東流水。

　　《將進(jìn)酒》詩(shī)

　　君不見黃河之水天上來(lái)，奔流到海不復(fù)回。

　　君不見高堂明鏡悲白發(fā)，朝如青絲暮成雪。

　　杜甫（712～770年）《登高》詩(shī)

　　無(wú)邊落木蕭蕭下，不盡長(zhǎng)江滾滾來(lái)。

　　李煜（937～978年）《虞美人》詞

　　問(wèn)君能有幾多愁？恰似—江春水向東流。

　　寇準(zhǔn)（961～1023年）《江南春二首（其二）》詩(shī)

　　日落汀州一望時(shí)，柔情不斷如春水。

　　王安石（1021～1086年）《桂枝香.金陵懷古》詞

　　六朝舊事隨流水，但寒煙衰草凝綠。

　　蘇軾（1140～1207年）《念奴嬌.赤壁懷古》詞

　　大江東去，浪淘盡，千古風(fēng)流人物。

　　在詩(shī)句中用流體的流動(dòng)抒發(fā)情感的事，可以追溯到我國(guó)最早的詩(shī)歌總集—《詩(shī)經(jīng)》。它是自西周末年到東周春秋中葉（公元前1100～約公元前600年）這500年間的抒情詩(shī)集，共有305首，約在公元前600年左右編集成冊(cè)�，F(xiàn)在我們來(lái)看其中用流體的流動(dòng)性抒發(fā)情感的兩首（左為原詩(shī)，右為白話譯文）：

　　《邶風(fēng).柏舟》

　　泛彼柏舟， 泛蕩著的柏木舟，

　　亦泛其流。

隨著河水在飄流。

　　耿耿不寐， 焦慮不安難成眠，

　　如有隱憂。

痛苦憂傷涌心頭。

　　微我無(wú)酒， 不是我家無(wú)美酒，

　　以敖以游。

遨游也不能消愁。

　　詩(shī)中以隨河水飄流的柏舟，寫出了主人公沉郁的心情。即使是美酒、遨游也不能排除自己的痛苦憂傷。邶（bèi）是周代諸侯國(guó)名，在今河南省湯陰縣東南。

　　《邶風(fēng).泉水》

　　毖彼泉水， 清清泉水泛綠波，

　　亦流于淇。

涓涓流淌入淇河。

　　有懷于衛(wèi)， 懷念衛(wèi)國(guó)我故土。

　　靡日不思。

沒(méi)有一天不惦記，

　　孌彼諸姬， 同來(lái)姊妹多美好，

　　聊與之謀。

且和她們共商議。

　　詩(shī)中以泉水始出，涓涓地流淌入淇河，比喻出嫁他國(guó)的婦人不能回歸衛(wèi)國(guó)，卻又沒(méi)有—天不在思念衛(wèi)國(guó)。無(wú)可奈何時(shí)，只有與同嫁來(lái)的女子談昔日，念故舊，想親人，思回歸，含情不盡。

　　自然科學(xué)中比擬流體流動(dòng)進(jìn)行研究

　　流動(dòng)性是流體的主要特性。在常溫常壓下，物質(zhì)可分為固體、液體和氣體三種狀態(tài)（在特殊情況下，還有等離子態(tài)和超固態(tài)）。近代物理學(xué)的研究表明，任何物質(zhì)都是由大量分子構(gòu)成的，這些分子處于永不停止的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)和相互碰撞之中，同時(shí)各分子之間還有—種相互作用力。對(duì)于固體，分子間相互作用力較強(qiáng)，無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)較弱，不易變形；
對(duì)于氣體，分子間作用力較弱，無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)劇烈，易于變形和壓縮；
對(duì)于液體，其特征介于固體和氣體之間，易變形，不易壓縮。

　　氣體和液體又合稱為流體。從力學(xué)分析的角度，通常認(rèn)為，流體與固體的主要差別在于它們對(duì)于外力的抵抗能力是不同的。固體有能力抵抗—定大小的拉力、壓力和剪切力。當(dāng)外力作用在固體上時(shí)，固體將產(chǎn)生—定程度的相應(yīng)變形。只要作用外力保持不變，固體的變形也就不會(huì)變化。因此，當(dāng)固體靜止時(shí)，既有法應(yīng)力，也有切應(yīng)力。而流體在靜止時(shí)，不能承受切向應(yīng)力，任何微小的剪切力的作用，都會(huì)使流體產(chǎn)生連續(xù)不斷的變形。只有當(dāng)外力停止作用時(shí)，流體的變形才會(huì)停止。流體這種在外力作用下連續(xù)不斷變形的宏觀特性，通常稱為流動(dòng)性（或易流性）。

　　在自然科學(xué)的發(fā)展歷史上，有許多將其比擬流體流動(dòng)進(jìn)行研究的例子。

愛(ài)因斯坦（A.Einstein）和英費(fèi)爾德（L.Infeld）合著的《物理學(xué)的進(jìn)化》一書中，就談到了一些在物理學(xué)上比擬流體流動(dòng)進(jìn)行研究的事例。如：

　　對(duì)熱學(xué)的研究，一開始就是將其與水比較，比擬水從較高的水位流向較低的水位，認(rèn)為熱從較高的溫度流向較低的溫度。后來(lái)雖已將熱看成能的形式之一，但這種熱流的比擬仍在起作用。

　　對(duì)電學(xué)和磁學(xué)的研究，早期也都曾比擬為電流體和磁流體來(lái)研究電磁現(xiàn)象。后來(lái)又比擬流場(chǎng)，來(lái)研究電場(chǎng)和磁場(chǎng)。

　　在光學(xué)的研究上，有比擬質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的“粒子說(shuō)”，和比擬流體波動(dòng)的“波動(dòng)說(shuō)”，后來(lái)“粒子說(shuō)”演化為“量子說(shuō)”，但“波動(dòng)說(shuō)”仍然存在。

　　在聲學(xué)的研究中，聲速本身就定義為小擾動(dòng)傳播的速度，所以聲學(xué)更是以比擬流體波動(dòng)在研究發(fā)展。

　　在天文學(xué)的研究上，有不少概念也是比擬流體流動(dòng)得來(lái)的，如將夜晚天空中由閃爍的星座組成的一條明亮的光帶，比擬成“銀河”。又如，將銀河系之外一種從正面看形狀象旋渦，從側(cè)面看形狀象梭的星云，稱為“旋渦星云”；
將星際空間分布著的許多細(xì)小物體與塵粒，叫做“流星體”。

　　現(xiàn)代自然科學(xué)正面臨著深刻的變化，非線性科學(xué)貫穿著數(shù)理科學(xué)，生命科學(xué)、空間科學(xué)和地球科學(xué)，成為當(dāng)代科學(xué)研究最重要的前沿領(lǐng)域之一。而推動(dòng)非線性科學(xué)發(fā)展的一些重要

　　概念恰巧又來(lái)源于流體運(yùn)動(dòng)的研究。如：

　　孤立波，是拉塞爾（J.S.Russell）于1834年在愛(ài)丁堡挌拉斯哥運(yùn)河中，觀察到的一種他稱作大傳輸波的現(xiàn)象。當(dāng)時(shí)他正騎在馬背上，追蹤觀察一個(gè)孤立的水波在淺水窄河道中的持續(xù)前進(jìn)，這個(gè)水波長(zhǎng)久地保持著自己的形狀和波速。這一奇妙現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，就是關(guān)于孤立波和現(xiàn)今關(guān)于孤立子研究的起始。

　　混沌的研究盡管在數(shù)學(xué)上可以追溯到Poincare柵欄和Birkhoff平面環(huán)扭轉(zhuǎn)映射的吸引子，但促使混沌研究熱起來(lái)的，卻正好是流體湍流的研究。洛侖茲（E.N.Lorenz）于1963年在研究大氣對(duì)流現(xiàn)象時(shí)，從流體動(dòng)力學(xué)基本方程組（納維一斯托克斯方程組）出發(fā)，經(jīng)過(guò)無(wú)量綱化并作傅里葉級(jí)數(shù)展開，截取頭一二項(xiàng)，得到傅里葉系數(shù)滿足的一組常微分方程，稱為洛侖茲方程（Lorenz方程），它的解在一定的參數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)時(shí)間充分大時(shí)是一個(gè)混沌解。自洛侖茲模型發(fā)表之后，對(duì)混沌的研究才熱了起來(lái)。

　　分形，是曼德勃羅（B.B.Mandelbrot）1967年在研究湍流時(shí)首先提出的，并將其應(yīng)用于星系、海岸、河網(wǎng)、樹皮等的測(cè)量，現(xiàn)己應(yīng)用到自然科學(xué)和工程技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，成為推動(dòng)非線性科學(xué)的重要概念之一。

　　社會(huì)科學(xué)中比擬流體流動(dòng)進(jìn)行研究

　　在人文社會(huì)科學(xué)中，經(jīng)�？梢钥吹接帽葦M流體流動(dòng)所引出的許多概念和術(shù)語(yǔ)。如：

　　將文學(xué)上的一種創(chuàng)作方法稱為“意識(shí)流”；

　　將人們工作單位或地方的改變，稱為“人才流動(dòng)”；

　　將社會(huì)成員的社會(huì)地位或職業(yè)的改變，稱為“社會(huì)流動(dòng)”；

　　將某產(chǎn)品的加工過(guò)程分成若干不同的工序，按順序進(jìn)行，稱為“流水作業(yè)”，這樣的生產(chǎn)線亦稱為“流水線”；

　　將商品或資金的周轉(zhuǎn)過(guò)程，稱為“流通過(guò)程”；

　　將物資的運(yùn)輸、配送，稱為“物流”；

　　將某一件事的歷史很悠久，稱為“源遠(yuǎn)流長(zhǎng)”；

　　將時(shí)間過(guò)得非�？�，稱為“年華似水流”或“似水流年”；

　　將人的心情很平和、安靜，稱為“心平如水”或“心靜如水”；

　　將沒(méi)有根據(jù)的傳言，稱為“流言蜚語(yǔ)”；

　　將感情不自覺(jué)地表現(xiàn)出來(lái)，稱為感情的“流露”；

　　將某一事物或事件在短時(shí)間內(nèi)集中出現(xiàn)，比喻為“潮水”，如“學(xué)潮”、“民工潮”、“金融潮”等等。

　　在軍事科學(xué)上，被國(guó)際公認(rèn)為最早的軍事理論著作的《孫子兵法》，其“虛實(shí)篇”的最后一段：

　　夫兵形象水，水之形避高而趨下，兵之形避實(shí)而擊虛。水因地而制流，

　　兵因敵而制勝。故兵無(wú)常勢(shì)，水無(wú)常形。能因敵變化而取勝謂之神。故五

　　行無(wú)常勝，四時(shí)無(wú)常位；
日有短長(zhǎng)，月有死生。

　　也正是將用兵作戰(zhàn)比擬如同水的流動(dòng)。“兵無(wú)常勢(shì)，水無(wú)常形”這段話的意思是：用兵作戰(zhàn)如同水的流動(dòng)。水流動(dòng)的規(guī)律是避開高處而流向低處；
用兵取勝要避開敵人堅(jiān)實(shí)之處，而攻擊其虛弱的地方。水因地勢(shì)的高低而不斷改變流向，用兵作戰(zhàn)要根據(jù)敵情變化而決定其取勝的方針。水沒(méi)有固定不變的形態(tài)，所以用兵也沒(méi)有固定不變的原則。能夠根據(jù)敵情的變化而取得勝利的，才可以稱得上用兵如神。用兵作戰(zhàn)的原則，如同自然現(xiàn)象一樣，五行（古人認(rèn)為：金、木、水、火、土是五種物質(zhì)）相生相克；
四季（春、夏、秋、冬）依次交替，不可能哪一個(gè)季節(jié)在一年中常在；
白天有短有長(zhǎng)，月亮有明暗圓缺，永遠(yuǎn)處于變化之中。這段話以流體的流動(dòng)等自然現(xiàn)象的變化，生動(dòng)地比喻并闡述了兵家之法�！秾O子兵法》系孫武（約公元前500—前440年）所著，此書總結(jié)了春秋（公元前770—前476年）末期及以前的作戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，揭示了戰(zhàn)爭(zhēng)的—些重要規(guī)律。所以，這實(shí)際上是我國(guó)古代對(duì)流體屬性認(rèn)識(shí)和應(yīng)用得很早的科學(xué)論述。

　　還有一個(gè)有趣的例子，是萊特希爾（M.J.Lighthill）和惠瑟姆（G.B.Whitham）于1955年成功地將行駛的車流，當(dāng)作可壓縮流體來(lái)處理。他們提出了一個(gè)流體力學(xué)的模型來(lái)研究一條很長(zhǎng)的單行路上車輛的運(yùn)動(dòng)。于是在研究交通管理時(shí)，又出現(xiàn)了“交通流動(dòng)”的概念和術(shù)語(yǔ)。

　　流體與固體的區(qū)分并不絕對(duì)

　　前面談到流體與固體的主要區(qū)別在于會(huì)不會(huì)流動(dòng)，而這種區(qū)分實(shí)際上并不絕對(duì)。當(dāng)放大了時(shí)間尺度后，就可以看到固體也會(huì)流動(dòng)。瀝青是固體，但容易發(fā)現(xiàn)，在馬路旁邊堆放著的準(zhǔn)備修路用的瀝青，時(shí)間一長(zhǎng)就在悄悄地“流動(dòng)”，向四周伸展開去。由于小草生長(zhǎng)不快，可以慢慢地將鋪設(shè)簡(jiǎn)單又較薄的瀝青面推開，在地上露出來(lái)）。瑞利（J.W.S.Rayleigh）對(duì)玻璃板作過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)：取一塊長(zhǎng)35厘米、厚0.3厘米的玻璃板，在沿長(zhǎng)度的兩邊支起來(lái)，板的正中放一6千克重物。從1938年4月6日到1939年12月13日，放置了一年零八個(gè)月后，將重物取下，測(cè)出玻璃板中部向下“流動(dòng)”了6×10ˉ⁴毫米。這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，玻璃在受力相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間后，也具有流體的性質(zhì)。金屬會(huì)有蠕變，也是一種流動(dòng)。當(dāng)觀察地層斷面時(shí)，我們可以看到巖石有皺紋狀的褶曲結(jié)構(gòu)，這是巖石在流動(dòng)的證據(jù)。在幾億年的地質(zhì)年代里，巖層受著橫向的力而流變或褶曲形狀。在一些山谷里，冰川慢慢地向下流了幾千年，古代冰川流動(dòng)的痕跡還遺留在巖石的表面上。有人測(cè)量計(jì)算過(guò)冰川的黏滯性，大約是混凝土的100萬(wàn)倍；
而混凝土的黏滯性，大約是水的100億倍�？梢姛o(wú)論冰川是多么“黏”，多么難于流動(dòng)，然而經(jīng)過(guò)幾千年、幾萬(wàn)年，冰川終就還是在慢慢地向下流動(dòng)。當(dāng)然還有一個(gè)使固體流動(dòng)的因素是溫度。溫度升高后，也會(huì)促使固體更快地表現(xiàn)出流動(dòng)性質(zhì)。

　　流體與固體的關(guān)系還巧妙地在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中表現(xiàn)出來(lái)�，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)工藝的重要趨勢(shì)之一，是將固體形態(tài)的原材料采用粉碎、浸提、熔化、加某種流體攪拌等辦法使之流體化后，在流體運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中進(jìn)行反應(yīng)、提煉、加工、改性等，最后再經(jīng)過(guò)冷卻、干燥、濃縮、蒸發(fā)、擠入模具等形成固體形態(tài)的產(chǎn)品。如冶金、造紙、化纖、塑料、橡膠、化肥、制糖、制造巧克力等食品……無(wú)一不是這種工藝思路。于是，這些工業(yè)生產(chǎn)的效率及產(chǎn)品的質(zhì)量，也就在很大程度上依賴于人們對(duì)流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)、掌握和應(yīng)用。

　　總之，人們?cè)趶牧黧w運(yùn)動(dòng)及其規(guī)律中吸取各種各樣的“營(yíng)養(yǎng)”，去發(fā)展自然科學(xué)和人文社會(huì)科學(xué)，去發(fā)展生產(chǎn)，為人類造福。

　　關(guān)鍵詞：流體，固體，流動(dòng)性，自然科學(xué)，社會(huì)科學(xué)

　�。ū疚脑�刊登于《科學(xué)》2005年57卷5期，作者授權(quán)天益發(fā)布）

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