林為幹:解開電磁學的「哥德巴赫猜想」

2020-11-21 光明數字報

    林為幹是我國著名的微波理論專家,被公認為我國微波學界的奠基人之一。筆者與其相識,緣於「老科學家學術成長資料採集工程」。這一工程以搶救性地挖掘老科學家們的學術成長資料為目的。2011年7月工程啟動時,林為幹已93歲高齡,身體狀況不佳,經常住院。在與林為幹接觸的過程中,我們深深喜歡上了這位平易可親的老科學家。他對國家和科學事業的熱愛,九十高齡仍堅持讀書、學習和科研的奮鬥精神,深深地感染和教育了我們。

 

嶄露頭角

 

    林為幹1919年出生於廣東臺山大綱村。父親林本偉早年曾用心科舉求仕,希望自己的三個兒子都能成為國家棟梁,遂給兒子取名為棟、為梁、為幹。林為幹自幼學習成績突出,1939年從西南聯大(清華大學)畢業,獲工學學士學位。

 

    大學畢業後,林為幹並未放棄繼續求學的夢想,很快考入清華研究院電子工程學部電訊組攻讀研究生,師從華裔物理學家、時任清華大學研究院物理研究所所長任之恭教授。但戰爭斷絕了林為幹與父親的聯繫。他失去了經濟支持,被迫中斷研究生學業。此為林為幹最遺憾的事情,至今回憶起來他還有些自責。

 

    林為幹從事微波研究是從美國攻讀博士學位時開始的。

 

    微波,是指頻率為300MHz-300GHz

 

    的電磁波,是無線電波中一個有限頻帶的簡稱,即波長在1米(不含1米)到1毫米之間的電磁波。微波成為一門技術科學,開始於20世紀30年代。在第二次世界大戰中,微波技術得到飛躍式發展。

 

    在導師溫納裡的鼓勵下,林為幹寫成了博士論文《單腔多模微波濾波器》,通過了博士論文答辯。美國《應用物理》1951年8月號首頁刊登此文,產生了巨大的影響。林為幹首先發現了一個圓柱形諧振腔有5個同諧振頻率的簡併模可以利用,首次建立了單腔多模濾波器的多級電路模型,創立了一種新的單腔多波型微波網絡理論。該理論意義深遠,受到了同行們的重視,半個多世紀以來一直被國內外學者所引用,並對現代衛星通信等產生了重大影響。1994年仍有法國學者認為近代衛星廣播通信業所用的多模技術是由拉貢(Ragan)及林為幹提出來的,其發展的基礎是根據林為幹及庫恩(Cohn)的工作,此工作至今仍在發展。

 

    一腔多模的理論,使林為幹在微波研究領域初露頭角。

 

林—鍾方法

 

    1949年,新中國成立,海外學子們萬分激動。林為幹獲得博士學位,他婉言謝絕了導師溫納裡讓其留校的邀請,毅然衝破阻力回到祖國。受馮秉銓之邀,他到嶺南大學任教授,同時在中山大學授課,不久兼任嶺南大學電機系主任。1952年中國院系大調整,嶺南大學的電機工程系併入新成立的華南工學院,他調入華南工學院任電機系主任。1956年,他又服從組織安排,舉家西遷成都,參與組建成都電訊工程學院(今電子科技大學),並將一生奉獻給了這所高校。

 

    回國後,林為幹在教學及行政工作之餘,以極大的熱情和精力投身科學研究,在《物理學報》、《電子學報》等刊物發表學術論文40餘篇。其中,最重大的突破是被學術界稱為「林—鍾方法」的研究。這是林為幹和助手鍾祥禮發表在《物理學報》1963年第4期的「傳輸線特性阻抗的一個新計算方法」的學術論文。這篇論文確立了林為幹在微波傳輸系統方面的重要地位。

 

    當時國際上對傳輸線的特性阻抗的計算方法主要有兩種:一是比較廣泛的函數變換法,二是變分法。兩種方法的計算都過於複雜。林為幹、鍾祥禮將這兩種方法結合起來,即利用變分法的一個定理求出特性阻抗準確值的上限和下限,在計算過程中不應用變分法中常用的方法處理,而是利用函數變換法,大大簡化了計算方法。

 

    「傳輸線特性阻抗的一個新計算方法」發表後,在學術界產生重大影響。1972年,馬可尼叢書作者M.A.R·Gunston將林為幹、鍾祥禮創造的方法稱為「林—鍾方法」,將論文中的一些公式繪製成曲線和圖表,供全世界的微波工程師使用。該書將「林—鍾方法」和其他六七個歐美科學家(包括謝昆諾夫這樣的微波理論創始人)的計算公式進行了比較,認為「林—鍾」方法的計算公式最準確,最便於計算和估值。

 

    如果說一腔多模的理論讓林為幹在微波理論與技術研究領域初露頭角的話,「林—鍾方法」則讓林為幹成為世界微波學術界一顆耀眼的明星。

 

大展身手

 

    文革中,林為幹受到了衝擊,被批鬥、關牛棚,修下水道,下放到幹校進行勞動改造。在最黑暗的時候,林為幹並未絕望,他堅信自己沒做任何對不起黨和國家的事情,堅信這樣的日子不會長久,知識分子一定會發揮作用。在文革中,一有空閒,林為幹就看書學習,進行科學研究。他申請用扣發的工資訂閱外文學術刊物,意外地獲得批准,使其在文革中依然對國際學術前沿保持著了解。

 

    1978年3月,全國科技大會召開後,林為幹渾身上下都充滿幹勁。他每天早上不到八點就準時到辦公室,一年365天除了春節休息兩天外,天天如此。1978至1984年,林為幹的著作《微波網絡》、《微波理論與技術》、《電磁場工程》、《電磁場理論》相繼出版。這四部著作總計280多萬字,為電磁工程界高級科技人員以及大專院校的研究生提供了一套高水平的理論讀物,大大推動了我國電磁理論、微波理論與技術的發展。其中《微波理論與技術》一書獲得了國家教委全國高校優秀教材獎,被許多高校選為該專業研究生的必修教材。

 

    1977年至1989年十餘年間,林為幹發表了近60篇學術論文,最重要的成果有「橢圓直波導理論」和「含不均勻介質波導傳輸理論」。橢圓波導作為長距離、可彎曲的波導,應用於大面積天線,如無線通訊的30米天線中,它作為主波導使用,屬於大橢圓度。林為幹利用初等函數來逼近橢圓波導中的場結構,求出了簡易的工程設計公式。該理論成為了我國向國際電工標準會議推薦的橢圓波導標準的理論依據,廣泛運用於衛星通信。

 

    上世紀80年代由於雷射技術的發展,不均勻介質填充的波導又受到重視。因為這種波導有自聚焦能力,故而含不均勻介質的波導傳輸理論就顯得非常重要。林為幹在研究這個問題時與經典方法不同,他利用了微分方程理論的無窮極數解和變係數法,對某些波導問題則採用合流超幾何函數和高級超越函數理論來求解。這是世界上首次從微分方程角度,把微波波導和光波導邊界值問題有機地結合起來,廣泛用於光波、微波和毫米波傳輸系統。

 

    1980年,林為幹當選為中國科學院院士,這是學術界對其科技貢獻的肯定。

 

百歲人生規劃

 

    1989年,林為幹從科研和教學一線退下來,但絲毫沒有懈怠,依然以飽滿的熱情和旺盛的精力從事於科學研究和人才培養工作。此後的七八年時間裡,林為幹發表了130餘篇學術論文,獨著或為第一作者的近30篇。

 

    其中最值得稱道的是林為幹解開了電磁學界的「哥德巴赫猜想」。1995年12月,林為幹的學術論文《一個介質球的靜電鏡像群》在美國《靜電學》學報上發表。該文攻克了一個百年難題。1892年麥克斯韋的《電磁學》(第三版)出版以來,關於點電荷在介質球中能夠形成多大的鏡像,位於何處的研究一直是一個未解之謎。於是,這個百年未解的難題就成為了電磁學界的「哥德巴赫猜想」。解開這個「哥德巴赫猜想」成了很多電磁學家的夢想。林為幹從1951年起就曾涉及這個難題,他不相信難題永遠是難題,在上世紀50年代末發表了幾篇學術論文,研究雖然有所進展,但仍沒徹底解決。此後40年間,林為幹一直未放棄對這個問題的探索,終於成功找到了解決這個百年難題的鑰匙,通過旋轉退化雙極坐標系(α,β),林為幹求出了α=1/2這個表示式,從而發現了有介質平面的雙鏡現象,解決了這一經典難題。

 

    這一研究成果不僅攻克了電磁學界百年未解的難題,而且具有十分重要的應用價值,微波學界歡呼不已。鑑於林為幹在微波理論研究領域的巨大成就,他被稱為「中國微波之父」。1999年,香港何梁何利基金授予林為幹科學與技術進步獎。2003年5月18日,美國伊利諾伊理工大學授予林為幹名譽文科科學博士學位,這是伊利諾伊理工學院第一次將這一榮譽授予一位中國學者。用林為幹自己的話說,1950年的博士學位,是靠自己奮鬥取得的。而50多年後的博士學位,是別人送來的榮譽。

 

    93歲的林為幹仍然在規劃自己的人生。在電磁科學界,有一位叫MorayB.King的人,他在電磁科學界如同他的名字一樣,擁有「國王」般的地位,為電磁科學作出過巨大貢獻。2005年,在他100歲生日的時候,他還在國際著名的電磁學學報上發表了學術論文。於是,這位King先生,就成了90多歲的林為幹的榜樣和奮鬥目標。他說,我也要像King一樣,甚至超過King,爭取活到100歲,而且100歲時也要發表兩篇有影響力的學術論文。

 

    這成了90多歲的林為幹的人生目標。2012年春節,林為幹因感冒引發肺部感染,情況非常不樂觀,醫院都準備立即切氣管搶救,但林為幹以自己驚人的毅力和頑強的生命力,挺過了生死關,向100歲目標努力攀登。出院回家,林為幹一如既往,拿著放大鏡,翻看著各種資料;用顫抖的手,在紙上推算著公式,年年月月,日日如此……

     林為幹簡歷

 

    1919年10月出生。

 

    1939年西南聯大(清華大學)畢業。

 

    1950年獲美國加州大學博士學位。

 

    1951年回國後,在嶺南大學、華南工學院任教。

 

    1957年調成都電訊工程學院,曾任副院長等。

 

    1980年,林為幹當選為中國科學院院士。

 

    1989年獲國家級優秀教學成果特等獎。

 

    1991年獲國務院政府特殊津貼。

 

    1999年獲何梁何利科技進步獎。

 

    林為幹曾任成都市科協主席,現為電子科技大學教授、博士生導師,中國電子學會理事,IEEE微波理論與技術學會北京分會主席。1979年以來出版著作四部:《微波網絡》、《微波理論與技術》、《電磁場工程》和《電磁場理論》。

    (作者田永秀為西南交通大學政治學院教授,王安平為四川省科協工作人員)

 

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