張瑞琦

剛剛進(jìn)入高中的我，對科學(xué)的理解，是利用已有的科學(xué)與技術(shù)，對舊的知識(shí)提出新的看法，發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律或機(jī)理，促成新的技術(shù)生產(chǎn)力。英才計(jì)劃，向一群和我一樣對自然科學(xué)充滿向往與好奇的青少年打開了科學(xué)的大門。

奇妙的緣分

最初，被磁流體可愛的小觸角（磁丘）吸引的我，想利用它實(shí)現(xiàn)某些藥物的運(yùn)輸，或在嚴(yán)苛條件下讓其代替人手完成工作，但由于它太過“柔軟”，承載力有限，限制了這一想法的實(shí)現(xiàn)。

后來，奇妙的緣分讓我見識(shí)到了小圓環(huán)在半球形碗中的滾動(dòng)，出乎意料的是，它的運(yùn)動(dòng)異?；顫?，甚至可以稱得上是“妖嬈”，它在碗里歡快地似跳舞一般扭來扭去，跌倒了還會(huì)爬起來，非常頑強(qiáng)。圓，存在于我們周圍世界的各個(gè)角落，小到充滿童趣的滾鐵環(huán)，大到行星公轉(zhuǎn)軌道，整個(gè)宇宙到處都有它的形跡，見慣了圓在平面上運(yùn)動(dòng)的我，懷著滿滿的好奇，嘗試用科學(xué)的眼光探索圓的奧秘。因此，在沈健老師、殷立峰老師和團(tuán)隊(duì)的指導(dǎo)下，我開展了關(guān)于“剛性圓環(huán)在球面上的運(yùn)動(dòng)行為”的研究課題。當(dāng)1個(gè)圓環(huán)被丟入碗中時(shí)，它會(huì)呈現(xiàn)非常獨(dú)特、活潑的運(yùn)動(dòng)模式，并且當(dāng)初始條件稍作改變，它的運(yùn)動(dòng)模式會(huì)有極大的不同，類似混沌現(xiàn)象。

攜手歐拉與拉格朗日抗擊混沌

之所以將研究過程稱為“抗擊”，自然是因?yàn)檫@其中的百般困難，如何描述圓環(huán)的運(yùn)動(dòng)便是第1個(gè)難題。經(jīng)過大量的預(yù)實(shí)驗(yàn)，我終于發(fā)現(xiàn)了其中的門道：每次運(yùn)動(dòng)都是多階段的，當(dāng)特定的初始條件改變，它會(huì)呈現(xiàn)出另一種運(yùn)動(dòng)行為，可以選擇它的特性為其運(yùn)動(dòng)行為命名。將運(yùn)動(dòng)描述清楚后，如何分析這個(gè)系統(tǒng)又讓我犯了難，關(guān)于圓環(huán)運(yùn)動(dòng)的文獻(xiàn)并不多，在了解到完全自由的圓環(huán)具有6 個(gè)自由度后，結(jié)合實(shí)際背景——圓環(huán)在球面上滾動(dòng)，我將它簡化為擁有5個(gè)自由度。描述轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的選擇過程是曲折的——投影角不方便建立關(guān)系式、完全對應(yīng)的坐標(biāo)軸夾角又不能將圓環(huán)的運(yùn)動(dòng)描述完整……終于，歐拉角的出現(xiàn)讓這個(gè)問題迎刃而解。平動(dòng)自由度的描述相對簡單了許多，只需自己建立主坐標(biāo)系，并建立質(zhì)心坐標(biāo)與接觸點(diǎn)坐標(biāo)的關(guān)系式。選擇拉格朗日力學(xué)對不穩(wěn)定系統(tǒng)進(jìn)行分析，由于計(jì)算量過于龐大，因此利用Mathematics編寫程序進(jìn)行數(shù)值求解，并通過繪制參數(shù)圖等呈現(xiàn)計(jì)算結(jié)果。

如何將理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合呢？既然可以繪制出模擬軌跡，不如將真實(shí)軌跡追蹤出來對比一下，于是，我將每個(gè)運(yùn)動(dòng)行為應(yīng)有的自由度初值代入得到模擬軌跡，再用Tracker追蹤得到真實(shí)軌跡，對比發(fā)現(xiàn)二者高度相符。同時(shí)，計(jì)算得到的圓環(huán)自由度隨時(shí)間的變化關(guān)系與慢速的實(shí)驗(yàn)視頻中觀察到的自由度隨時(shí)間的變化趨勢相一致。

當(dāng)然，上述結(jié)果只能在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行考慮分析，若要考察完整運(yùn)動(dòng)，必須引入摩擦力分析，因其對系統(tǒng)的不穩(wěn)定性起著重要作用。但是，要將摩擦力描述進(jìn)拉格朗日量中，并不太現(xiàn)實(shí)，因?yàn)槟Σ亮κ遣粩嘧兓?，靜摩擦、滑動(dòng)摩擦、滾動(dòng)摩擦在這個(gè)系統(tǒng)中都會(huì)出現(xiàn)。在與導(dǎo)師探討交流后，最終選擇利用工程軟件模擬對其進(jìn)行深入探索。

一路走來，導(dǎo)師與學(xué)長的建議，學(xué)校的支持，都幫助和鼓勵(lì)著我，讓我將課題研究得更加完善，認(rèn)識(shí)得更加透徹。成功“抗擊”、看透一個(gè)如此“妖嬈”活潑的不穩(wěn)定系統(tǒng)，自然是十分喜悅。同時(shí)，我還學(xué)到了求解復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的方法，比如類混沌現(xiàn)象，可對有阻力的天體運(yùn)動(dòng)問題求數(shù)值解提供參考——通過編寫程序進(jìn)行擬合，可得到天體運(yùn)動(dòng)的軌跡，需在拉格朗日力學(xué)中加入瑞麗耗散項(xiàng)進(jìn)行深入；非平面內(nèi)動(dòng)力運(yùn)動(dòng)求解的通用方法，與基于非歐幾何的運(yùn)動(dòng)分析有關(guān)聯(lián)。

英才計(jì)劃助力全面成長

利用課余時(shí)間，我還完成了題為《關(guān)于竹蜻蜓起飛條件和飛行最大高度相關(guān)因素研究》的課題，并作為隊(duì)長帶領(lǐng)學(xué)校“瘋狂的歐拉”隊(duì)參加上海市第六屆物理學(xué)術(shù)競賽，榮獲二等獎(jiǎng)。我愈發(fā)沉醉于物理的魅力，也更懂得怎樣科學(xué)地進(jìn)行基礎(chǔ)研究，怎樣清晰地、有條理地表述自己的研究成果。這一切的一切，讓我深切地感受到：這世界上最無法理解的事情是它是可理解的（The most incomprehensible thing about theworld is that it is comprehensible）。

我的成長當(dāng)然不僅限于此，英才計(jì)劃還讓我收獲了交流學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)：在復(fù)旦的高?？茖W(xué)營中，聆聽了干貨滿滿的講座，參觀了實(shí)驗(yàn)室與校史館，在楓林校區(qū)感受了醫(yī)學(xué)的魅力，在病理標(biāo)本博物館認(rèn)識(shí)了許多人體器官患病后的形態(tài)，聆聽了優(yōu)秀學(xué)長學(xué)姐對學(xué)習(xí)、對大學(xué)生活的看法；獲得了參加第四屆頂尖科學(xué)家論壇的機(jī)會(huì)，聆聽了來自全球的科學(xué)家對各自研究領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)，以及研究內(nèi)容的講解；與“小科學(xué)家”一起交流，在學(xué)習(xí)、研究的過程中探索奇妙的問題，“小科學(xué)家”都很有想法，也非常有個(gè)性，都說十八九歲或者十七八歲是人的智力發(fā)展接近頂峰的階段，少年們在對世界的認(rèn)識(shí)上或?qū)ψ约焊信d趣的領(lǐng)域，都有非常獨(dú)特的見解。

科研的魅力

短短一年，忙碌而充實(shí)，也許，做科研的有趣，既來自于對自有好奇心的滿足，也源于一個(gè)個(gè)靈感的迸發(fā)和對大膽猜想的回答。在這個(gè)過程中我發(fā)現(xiàn)，科研不是一個(gè)人的事，更不是一個(gè)學(xué)科的事?？蒲械镊攘?，在于它讓我們看到更加多彩的世界，為我們帶來更多的思考和自我延展。同時(shí)，科研也是我們深入了解這個(gè)世界的途徑，是我們描述這個(gè)世界的依據(jù)。

珍藏心中那份熱忱與興趣，也許哪天，一次契機(jī)，便開啟了一扇新領(lǐng)域的大門……