科學(xué)的藝術(shù)之美與科學(xué)人生

引言

2024年7月4日，中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)何滿潮院士做客北京大學(xué)，講述了隧道工程中的科學(xué)、藝術(shù)融合之美，并分享科研工作中人生價(jià)值追求的心得體會(huì)。巖體力學(xué)是研究巖體力學(xué)性狀的一門理論科學(xué)，同時(shí)也是應(yīng)用科學(xué)。巖體力學(xué)的研究可以為工程設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)，其應(yīng)用成果是地質(zhì)災(zāi)害防治和資源開發(fā)的重要支撐。何院士憑借深厚的學(xué)術(shù)造詣、寬廣的科學(xué)視角，把科技成果應(yīng)用在實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的事業(yè)中，為科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。何院士在分享前沿科技成果的同時(shí)，勉勵(lì)青年肩負(fù)國家使命、追求崇高人生價(jià)值，使與會(huì)者受益匪淺，為當(dāng)代青年學(xué)子樹立了卓越的榜樣。

非常高興，我這么一個(gè)研究理工科的科技工作者，能夠和偏文科的同志一起來探討科學(xué)、藝術(shù)與人生，這對(duì)我來講是一個(gè)挑戰(zhàn)。

我們重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了戰(zhàn)略科技力量的重組。去年重組以后，我們的名字從“深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”變?yōu)椤八淼拦こ虨?zāi)變防控與智能建養(yǎng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”。所以我給大家匯報(bào)的內(nèi)容，首先是隧道工程，其次是科學(xué)人生的價(jià)值之美。每一個(gè)人都會(huì)有價(jià)值，它的價(jià)值模型和價(jià)值曲線是什么樣子？這么難的一個(gè)問題，一旦和藝術(shù)相結(jié)合，就有可能揭開它的面紗。

隧道工程：科學(xué)、藝術(shù)融合之美

隧道工程，我們?cè)趺磸拿缹W(xué)的范疇去理解它？它具有一種美，一種科學(xué)、藝術(shù)融合之美。

有這么一座山脈，從歐洲到亞洲，曲曲折折約1萬公里，如同一幅畫卷（圖1）。這個(gè)杰作的“作者”，是歐亞板塊和它南邊的印度板塊等。歷時(shí)幾十億年的擠壓，它形成了彎彎曲曲的東西向構(gòu)造帶。這個(gè)構(gòu)造帶的最西部，有著名的阿爾卑斯山。20世紀(jì)，歐洲人在阿爾卑斯山上進(jìn)行大量的隧道工程建設(shè)，總結(jié)出一個(gè)“新奧法”，即新奧地利隧道施工方法。

20世紀(jì)末到21世紀(jì)初，我們國家有大量的隧道工程建設(shè)，從東部往西部、往喜馬拉雅山地區(qū)推進(jìn)，遇到了很復(fù)雜的地質(zhì)問題。我們采用新奧法進(jìn)行挑戰(zhàn)，發(fā)生了很多慘烈的事故。為什么會(huì)這樣？實(shí)際上，阿爾卑斯山以及類阿爾卑斯山地區(qū)的條件是相對(duì)“簡(jiǎn)單”的，到了喜馬拉雅山，新奧法及所形成的這套理論就行不通了。這兩個(gè)山脈有什么區(qū)別？阿爾卑斯山的最高峰4800多米，喜馬拉雅山的最高峰珠穆朗瑪峰8848米，大概是它的兩倍。隧道施工，高度意味著難度。兩大板塊擠壓的時(shí)候，山體被擠得越高，說明當(dāng)時(shí)那個(gè)力越大。另外一個(gè)難點(diǎn)，表現(xiàn)在里面有很多縫合線，這叫特提斯縫合帶。在板塊擠壓的過程中，首先會(huì)擠壓出一個(gè)破裂帶來，破裂帶和深部的上地幔連接。上地幔有巖漿，如同建筑工地焊接，巖漿把裂縫給焊接了。第二次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)再來的時(shí)候，被焊接的這個(gè)地方就比較結(jié)實(shí)，不容易被破壞，但相鄰處會(huì)被破壞出一個(gè)破裂帶來。這樣的破裂帶越多，證明這個(gè)地方受到的這種構(gòu)造的力越強(qiáng)。這種特提斯縫合帶，阿爾卑斯山有3～4條，喜馬拉雅山有8～9條，后者是前者的兩倍之多。

在喜馬拉雅山地區(qū)做工程是非常困難的。從20世紀(jì)末到21世紀(jì)初，我們?cè)谶@里做了很多工程，遇到了十分嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，有很多“卡脖子”工程，比如兩邊都把公路修好了，中間卻有一段修不通。打隧道二襯（二次襯砌）做完以后大變形的情況，不僅中國有，意大利、土耳其等國也有，產(chǎn)生了很多破壞，實(shí)際上這是強(qiáng)大的構(gòu)造壓力造成的。打鉆以后巖石把鉆桿從里面推出來，這種現(xiàn)象非常少見。山體里面的巖石，在強(qiáng)大的構(gòu)造壓力作用下被壓碎了，巖石里面的水又把壓碎了的巖石變成牙膏狀，從鉆孔里擠了出來。被擠出的牙膏狀物體大概有6米之長(zhǎng)，這是一個(gè)非常少見的地質(zhì)科學(xué)現(xiàn)象。

還有一個(gè)在橫斷山脈發(fā)生的故事。隧道大家見多了，但這個(gè)隧道的情形不一樣。隧道建成了，強(qiáng)大的壓力把巖層里面的水?dāng)D了出來。巖層里的水是有限的，很快就被擠干了，這時(shí)有效應(yīng)力就增加了，孔隙壓力大大降低或者為零，鋼筋混凝土產(chǎn)生大變形，整個(gè)隧道就沒辦法再用。這是一個(gè)非常嚴(yán)重的破壞現(xiàn)象。另外，巖爆的破壞也是非常嚴(yán)重的，其破壞力之大，觸目驚心。

發(fā)生在喜馬拉雅山脈和橫斷山脈的這些故事，好像與藝術(shù)相距甚遠(yuǎn)，但它們給我們的啟示，卻與藝術(shù)相關(guān)聯(lián)。試想，如果把隧道打造成圓形、馬蹄形的，或是矩形、正方形的，又是怎樣一種情形？這好像有一點(diǎn)藝術(shù)的特色，但難度非常大。我們正在進(jìn)行改進(jìn)式探索，力求從科學(xué)與藝術(shù)融合著手，打造一些矩形隧道和三角形隧道。巖土工程科技工作者和施工者做了很多工作，都在為建造多種形狀的隧道工程貢獻(xiàn)聰明才智。

從這些隧道工程里面，我們看到了一段歷史，看到了整個(gè)地質(zhì)歷史畫卷中一幅驚艷世人的長(zhǎng)卷，看到在這樣一個(gè)地質(zhì)背景下發(fā)生的許多故事，更看到了人類的智慧與力量。無論是圓形的、方形的還是三角形的隧道，我們都力求把它們打造好，讓它們既穩(wěn)固又安全地展現(xiàn)在人們面前。新奧法是一種成熟的隧道工程施工方法，但它有局限性，尤其在中國西部遇到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。我們加入藝術(shù)的元素，摸索出打造多種形狀隧道的施工方法，為挺進(jìn)西部高寒地帶，貫通崇山峻嶺，探得了突破常規(guī)的新方法。當(dāng)然，這并不是全部。在喜馬拉雅山脈，我們探索出了一種有效的方法，即開挖補(bǔ)償法。

“開挖補(bǔ)償”，很直白，簡(jiǎn)而言之就是三個(gè)原理。首先，所有的破壞都是開挖造成的，不開挖不會(huì)出現(xiàn)這些破壞。其次，開挖會(huì)產(chǎn)生三個(gè)效應(yīng)，分別為三軸狀態(tài)變?yōu)閱屋S狀態(tài)、徑向應(yīng)力為零、切向應(yīng)力集中，這三個(gè)效應(yīng)濃縮一下，就是“強(qiáng)度在下降，荷載在上升”。最后，開挖引起破壞，怎么辦？要補(bǔ)償。這個(gè)破壞，開挖之初沒有出現(xiàn)，過了一定時(shí)間才產(chǎn)生。因此需要在沒有產(chǎn)生破壞的時(shí)間內(nèi)實(shí)施補(bǔ)償措施，迅速消除三個(gè)開挖效應(yīng)，充分發(fā)揮圍巖的三軸強(qiáng)度和調(diào)動(dòng)深部圍巖強(qiáng)度，避免出現(xiàn)淺部巖石遭到破壞，深處巖石卻在“隔岸觀火”。開挖補(bǔ)償，就是不讓周圍的巖石“隔岸觀火”，而是讓它們參與戰(zhàn)斗，即讓淺部巖石和深部巖石完全連接起來，從而有效控制破壞，達(dá)到工程穩(wěn)定狀態(tài)，維護(hù)整個(gè)隧道的安全。

用科學(xué)的莫爾圓來表示，就是開挖時(shí)兩條線，即包絡(luò)線和強(qiáng)度線不能碰。包絡(luò)線在下，不能碰上面的線，即強(qiáng)度線。這兩條線一碰就出狀況、出問題。

為了理解這樣一個(gè)現(xiàn)象，我專門找了一張圖（圖2）。這張圖看起來挺復(fù)雜，具有一種藝術(shù)的美感，而它的科學(xué)本質(zhì)是非常簡(jiǎn)單的。破壞的現(xiàn)象也是非常復(fù)雜的，但它的科學(xué)本質(zhì)也是非常簡(jiǎn)單的，簡(jiǎn)單到我們用幾個(gè)圓就可以模擬出來。我們來看看它是怎么形成的。它實(shí)際上是一個(gè)“四節(jié)棍”在做圓周運(yùn)動(dòng)，是吧？破壞與圓有關(guān)系，這樣一幅畫也與圓有關(guān)系，“四節(jié)棍”每個(gè)節(jié)點(diǎn)都在做圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡就是非常漂亮的一幅畫。

科學(xué)藝術(shù)是有美感的，雖然科學(xué)很骨感，藝術(shù)又是比較復(fù)雜的現(xiàn)象，但是科學(xué)的本質(zhì)往往簡(jiǎn)單。所以，科學(xué)和藝術(shù)總是融合在一起，它的融合之美需要我們?nèi)ンw會(huì)。

科學(xué)人生：更具價(jià)值、更加美好

對(duì)于人生的價(jià)值，特別是科學(xué)人生的價(jià)值，我有一些想法與體會(huì)。我認(rèn)為，要充分認(rèn)識(shí)各種人生的價(jià)值，要人盡其才，人盡其用，讓年華不虛度，讓人生更有價(jià)值。但我以為，科學(xué)的人生更具價(jià)值，科學(xué)的人生更加美好。

2004年至2012年，我在中國礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院當(dāng)院長(zhǎng)。每年學(xué)生畢業(yè)，我們都要請(qǐng)一批畢業(yè)生代表座談。什么都可以談，其中有一個(gè)問題必須談。這個(gè)問題是：你在這個(gè)學(xué)校待了這么多年，最難忍受的一件事情是什么？

有一個(gè)研究生說，他和導(dǎo)師一起做科研，導(dǎo)師拿來項(xiàng)目，提出方法，他來做，做完以后經(jīng)費(fèi)還剩下不少，他卻畢業(yè)了。按照馬克思主義剩余價(jià)值學(xué)說，這剩下的經(jīng)費(fèi)也是剩余價(jià)值。剩余價(jià)值是誰創(chuàng)造的？顯然是他創(chuàng)造的。他畢業(yè)以后誰來占有？是他的導(dǎo)師占有了。導(dǎo)師占有了他創(chuàng)造的剩余價(jià)值，所以每每想起，他心里都很難受。在場(chǎng)的研究生都贊成他的意見。我聽后感到震驚，當(dāng)然也發(fā)表了意見。

我說_{b9f871c68179b6fde895f036ce1cf91e}，第一，你作為工科的研究生，能夠用馬克思主義剩余價(jià)值學(xué)說的觀點(diǎn)來認(rèn)識(shí)問題、分析問題，還能得出一些結(jié)論，是非常難能可貴的。第二，你這個(gè)結(jié)論是有問題的，問題出在哪里還不清楚，因?yàn)槲沂茄芯繋r石力學(xué)的，不是研究剩余價(jià)值學(xué)說的。第三，我們能不能形成一個(gè)協(xié)議，給我兩年時(shí)間，我來研究一下剩余價(jià)值學(xué)說。如果我將來研究的結(jié)論和你一樣，你就可以這樣說；如果我研究的結(jié)論和你不一樣，而且你也認(rèn)為我的結(jié)論更有道理，希望你按照我所研究的結(jié)論去說。大家都表示理解，最后形成一個(gè)諒解備忘錄。

接下來，我就開始研究剩余價(jià)值學(xué)說。我買了三本馬克思的《資本論》，那時(shí)候才知道《資本論》用英文發(fā)表是三本書。書讀完了，有些明白，有些還不明白。我又買了中譯本，不懂的地方讀中譯本，用一年半的時(shí)間又讀了一遍，這次有很多體會(huì)。其中一個(gè)重要體會(huì)，就是覺得馬克思是一位真正的科學(xué)家。他花了40多年、一輩子中最重要的時(shí)光，做了一件重要的事——研究資本論。到他去世的時(shí)候，就出這么一本書，其他兩本是恩格斯幫助他出版的。

馬克思把16世紀(jì)、17世紀(jì)復(fù)雜的社會(huì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行形態(tài)，用剩余價(jià)值公式表達(dá)得淋漓盡致。能從復(fù)雜的現(xiàn)象里提煉出簡(jiǎn)單的公式來說明道理，這值得我們學(xué)習(xí)。他說，所有的社會(huì)經(jīng)濟(jì)形態(tài)在16世紀(jì)、17世紀(jì)，無非是資本。你買的任何機(jī)器都是資本，你招收工人去勞動(dòng)，資本加上工人的勞動(dòng)等于產(chǎn)品。產(chǎn)品進(jìn)入流通領(lǐng)域，就變成有價(jià)值的東西。價(jià)值減去成本就產(chǎn)生剩余價(jià)值。剩余價(jià)值誰創(chuàng)造的？是工人。那個(gè)時(shí)候資本是不能創(chuàng)造剩余價(jià)值的?，F(xiàn)在我們把錢（資本）存到銀行里有利息，那時(shí)候還沒有。所以他得出一個(gè)重要結(jié)論，就是工人的勞動(dòng)創(chuàng)造剩余價(jià)值。工人創(chuàng)造剩余價(jià)值，資本家卻占有剩余價(jià)值，資本主義社會(huì)很不合理，所以資本主義一定會(huì)滅亡。帝國主義是資本主義發(fā)展的最高階段，但它是垂死的、腐朽的。這個(gè)理論很厲害，他認(rèn)為18世紀(jì)、19世紀(jì)歐洲會(huì)出現(xiàn)很多社會(huì)主義國家。這是他的理論。

20世紀(jì)末到21世紀(jì)初，情況發(fā)生了很大的變化。因?yàn)榭茖W(xué)技術(shù)對(duì)社會(huì)運(yùn)行形態(tài)的介入，產(chǎn)生剩余價(jià)值的機(jī)理變了，變成科學(xué)技術(shù)和工人的勞動(dòng)一起來創(chuàng)造剩余價(jià)值?？茖W(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，科學(xué)技術(shù)創(chuàng)造剩余價(jià)值，這個(gè)需要證明。怎么證明呢？在特殊的情況下，把工人的勞動(dòng)變成機(jī)器人的勞動(dòng)，所有的剩余價(jià)值便都是科學(xué)技術(shù)創(chuàng)造的。這與先前的情況產(chǎn)生了很大的變化，就是資本主義國家的人員掌握了先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，科學(xué)技術(shù)創(chuàng)造了剩余價(jià)值。

雖然它的社會(huì)制度，即資本主義制度是落后的，但是它所擁有的先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)創(chuàng)造了剩余價(jià)值，因而緩和了它的社會(huì)矛盾，使資本主義腐而不朽，帝國主義垂而不死。從創(chuàng)造剩余價(jià)值這一角度觀察與思考問題，我認(rèn)為它的總體效果要好于我們。我們的社會(huì)制度先進(jìn)，但生產(chǎn)力還處于落后或相對(duì)落后狀態(tài)?？茖W(xué)技術(shù)先進(jìn)不能等同社會(huì)制度優(yōu)越。我們現(xiàn)在總體上落后于他們，但我們的社會(huì)制度是先進(jìn)的，我們也會(huì)擁有先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)。所以，我們國家要進(jìn)行科技創(chuàng)新。今年的6月24日，全國科技大會(huì)隆重舉行。往前追溯，2016年5月30日，在全國科技創(chuàng)新大會(huì)上，習(xí)近平總書記做了一個(gè)很重要的講話，強(qiáng)調(diào)要擔(dān)當(dāng)歷史重大責(zé)任與使命，努力為建成創(chuàng)新型國家、建成世界科技強(qiáng)國作出新的更大的貢獻(xiàn)。

科技創(chuàng)新關(guān)系著中華民族的生死存亡，關(guān)系著國家的發(fā)展進(jìn)步。社會(huì)制度先進(jìn)，加上科學(xué)技術(shù)先進(jìn)、生產(chǎn)力先進(jìn)，就是中國強(qiáng)大的時(shí)候。這個(gè)時(shí)候我們要回答的一個(gè)問題，就是“資本主義什么時(shí)候要滅亡”。當(dāng)我們的先進(jìn)的生產(chǎn)力能夠和資本主義國家先進(jìn)的生產(chǎn)力并駕齊驅(qū)的時(shí)候，大概就是帝國主義和資本主義離滅亡不遠(yuǎn)的時(shí)候。

在這樣一個(gè)推論里面，我們看到了社會(huì)主義的希望、共產(chǎn)主義的希望。過去，我覺得共產(chǎn)主義是個(gè)烏托邦，不可能實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在這個(gè)想法有了改變。機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化快步向我們走來，將來的勞動(dòng)，我們會(huì)更多地依靠它們。它們?yōu)槲覀儎?chuàng)造無比豐富的物質(zhì)財(cái)富。未來，機(jī)器去勞動(dòng)，機(jī)器去掙錢，人力就搞更高級(jí)的科研和社會(huì)活動(dòng)。機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化的高度普及與發(fā)展，預(yù)示著共產(chǎn)主義一定能夠?qū)崿F(xiàn)。

回頭來回答和解釋那位研究生提出的問題。很多導(dǎo)師有科研項(xiàng)目。在一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)中，參與項(xiàng)目科研的學(xué)生，除了享受學(xué)校給予的助學(xué)金外，還會(huì)享受rJ7HRa3ZcGmcQT/PaUT2UQ==一些額外的科研補(bǔ)助。這里面有一個(gè)平均值，大家一般按平均值享受科研補(bǔ)助。這是參與項(xiàng)目科研工作應(yīng)該享受的。實(shí)際上這種補(bǔ)助是有區(qū)別的。有的人，特別是導(dǎo)師，他們拿到的補(bǔ)助高出了平均值。這是不是剝削？又剝削了誰？這需要探討、分析。我認(rèn)為，導(dǎo)師的勞動(dòng)，是不可替代的。導(dǎo)師拿了項(xiàng)目，其科研的思路、方法，也是不可替代的。學(xué)生們的勞動(dòng)是可以替代的，小王可以做，小李也可以做。研究生跟著導(dǎo)師學(xué)什么？就是要學(xué)習(xí)他們的創(chuàng)造性思維，學(xué)習(xí)他們的方法、經(jīng)驗(yàn)，然后為自己所用，用于創(chuàng)造、創(chuàng)新，用于創(chuàng)造剩余價(jià)值，為社會(huì)作貢獻(xiàn)。參與項(xiàng)目科研，是來學(xué)習(xí)本領(lǐng)的，不是來掙剩余價(jià)值的。

理清了這些認(rèn)識(shí)之后，我把那些研究生叫了回來，把這些道理講給他們聽，與他們交換了意見，大家還是很贊成我的這個(gè)說法。我兌現(xiàn)了承諾，不過花了兩年時(shí)間。但我覺得，這兩次對(duì)話、這一個(gè)承諾，很有意思、很有意義。

2006年，我們建了一組人生價(jià)值模型（圖3）。它們要表示的當(dāng)然是人生價(jià)值、各種類型人的價(jià)值。其中有普通人的人生價(jià)值模型，有經(jīng)過高等教育的人的人生價(jià)值模型，有科學(xué)家的人生價(jià)值模型。

先談?wù)勂胀ㄈ?。普通人出生之后，一直在消耗世界上的很多資源，到一定年齡后變成了生產(chǎn)者，拐點(diǎn)是從消費(fèi)者變成生產(chǎn)者。生產(chǎn)者創(chuàng)造的價(jià)值一般大于消費(fèi)價(jià)值，所以有剩余價(jià)值。這意味著消費(fèi)者變成了貢獻(xiàn)者。一般來說，貢獻(xiàn)者到了四五十歲，體力、精力都還很旺盛，正是為國家作更大貢獻(xiàn)的時(shí)候。過了這個(gè)歲數(shù)，人老體弱，貢獻(xiàn)日小，到生命結(jié)束（有一種說法叫“零點(diǎn)”），為社會(huì)作貢獻(xiàn)的步伐就停止了。這是普通勞動(dòng)者的人生價(jià)值模型告訴我們的。接受過高等教育的本科生或研究生，他們的人生價(jià)值模型，應(yīng)該是通常說的“綠色模型”。他們前期消耗更多，因?yàn)樗麄円邮芙逃?，轉(zhuǎn)折點(diǎn)即拐點(diǎn)滯后。當(dāng)然，“零點(diǎn)”也來得晚。他們與普通勞動(dòng)者的最大不同，就在于當(dāng)生命結(jié)束的時(shí)候，他們的創(chuàng)造、發(fā)明，他們留下的技術(shù)、成果，仍然在為這個(gè)社會(huì)創(chuàng)造剩余價(jià)值。這種貢獻(xiàn)，也許到了一定的時(shí)間，達(dá)到一個(gè)頂點(diǎn)，就會(huì)逐漸減少或者消失。一個(gè)杰出科學(xué)家的人生價(jià)值，是難以估算的。在生命結(jié)束之后，他仍會(huì)長(zhǎng)時(shí)間給社會(huì)作貢獻(xiàn)。國家培養(yǎng)大學(xué)生，培養(yǎng)一大批科學(xué)家，就是為了大大提升他們的人生價(jià)值。從《資本論》的剩余價(jià)值學(xué)說來闡釋，就是讓他們能夠創(chuàng)造更多的剩余價(jià)值，為社會(huì)進(jìn)步作更大的貢獻(xiàn)。