科學的藝術之美與科學人生

引言

2024年7月4日，中國巖石力學與工程學會理事長何滿潮院士做客北京大學，講述了隧道工程中的科學、藝術融合之美，并分享科研工作中人生價值追求的心得體會。巖體力學是研究巖體力學性狀的一門理論科學，同時也是應用科學。巖體力學的研究可以為工程設計和施工提供科學依據，其應用成果是地質災害防治和資源開發的重要支撐。何院士憑借深厚的學術造詣、寬廣的科學視角，把科技成果應用在實現現代化的事業中，為科技進步和社會發展做出了重大貢獻。何院士在分享前沿科技成果的同時，勉勵青年肩負國家使命、追求崇高人生價值，使與會者受益匪淺，為當代青年學子樹立了卓越的榜樣。

非常高興，我這么一個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、藝術與人生，這對我來講是一個挑戰。

我們重點實驗室已經實現了戰略科技力量的重組。去年重組以后，我們的名字從“深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室”變為“隧道工程災變防控與智能建養全國重點實驗室”。所以我給大家匯報的內容，首先是隧道工程，其次是科學人生的價值之美。每一個人都會有價值，它的價值模型和價值曲線是什么樣子？這么難的一個問題，一旦和藝術相結合，就有可能揭開它的面紗。

隧道工程：科學、藝術融合之美

隧道工程，我們怎么從美學的范疇去理解它？它具有一種美，一種科學、藝術融合之美。

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）。這個杰作的“作者”，是歐亞板塊和它南邊的印度板塊等。歷時幾十億年的擠壓，它形成了彎彎曲曲的東西向構造帶。這個構造帶的最西部，有著名的阿爾卑斯山。20世紀，歐洲人在阿爾卑斯山上進行大量的隧道工程建設，總結出一個“新奧法”，即新奧地利隧道施工方法。

20世紀末到21世紀初，我們國家有大量的隧道工程建設，從東部往西部、往喜馬拉雅山地區推進，遇到了很復雜的地質問題。我們采用新奧法進行挑戰，發生了很多慘烈的事故。為什么會這樣？實際上，阿爾卑斯山以及類阿爾卑斯山地區的條件是相對“簡單”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。這兩個山脈有什么區別？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。兩大板塊擠壓的時候，山體被擠得越高，說明當時那個力越大。另外一個難點，表現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，首先會擠壓出一個破裂帶來，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。第二次構造運動再來的時候，被焊接的這個地方就比較結實，不容易被破壞，但相鄰處會被破壞出一個破裂帶來。這樣的破裂帶越多，證明這個地方受到的這種構造的力越強。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。

在喜馬拉雅山地區做工程是非常困難的。從20世紀末到21世紀初，我們在這里做了很多工程，遇到了十分嚴峻的挑戰，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，產生了很多破壞，實際上這是強大的構造壓力造成的。打鉆以后巖石把鉆桿從里面推出來，這種現象非常少見。山體里面的巖石，在強大的構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，這是一個非常少見的地質科學現象。

還有一個在橫斷山脈發生的故事。隧道大家見多了，但這個隧道的情形不一樣。隧道建成了，強大的壓力把巖層里面的水擠了出來。巖層里的水是有限的，很快就被擠干了，這時有效應力就增加了，孔隙壓力大大降低或者為零，鋼筋混凝土產生大變形，整個隧道就沒辦法再用。這是一個非常嚴重的破壞現象。另外，巖爆的破壞也是非常嚴重的，其破壞力之大，觸目驚心。

發生在喜馬拉雅山脈和橫斷山脈的這些故事，好像與藝術相距甚遠，但它們給我們的啟示，卻與藝術相關聯。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？這好像有一點藝術的特色，但難度非常大。我們正在進行改進式探索，力求從科學與藝術融合著手，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，看到了整個地質歷史畫卷中一幅驚艷世人的長卷，看到在這樣一個地質背景下發生的許多故事，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，讓它們既穩固又安全地展現在人們面前。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峻的挑戰。我們加入藝術的元素，摸索出打造多種形狀隧道的施工方法，為挺進西部高寒地帶，貫通崇山峻嶺，探得了突破常規的新方法。當然，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，即開挖補償法。

“開挖補償”，很直白，簡而言之就是三個原理。首先，所有的破壞都是開挖造成的，不開挖不會出現這些破壞。其次，開挖會產生三個效應，分別為三軸狀態變為單軸狀態、徑向應力為零、切向應力集中，這三個效應濃縮一下，就是“強度在下降，荷載在上升”。最后，開挖引起破壞，怎么辦？要補償。這個破壞，開挖之初沒有出現，過了一定時間才產生。因此需要在沒有產生破壞的時間內實施補償措施，迅速消除三個開挖效應，充分發揮圍巖的三軸強度和調動深部圍巖強度，避免出現淺部巖石遭到破壞，深處巖石卻在“隔岸觀火”。開挖補償，就是不讓周圍的巖石“隔岸觀火”，而是讓它們參與戰斗，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，達到工程穩定狀態，維護整個隧道的安全。

用科學的莫爾圓來表示，就是開挖時兩條線，即包絡線和強度線不能碰。包絡線在下，不能碰上面的線，即強度線。這兩條線一碰就出狀況、出問題。

為了理解這樣一個現象，我專門找了一張圖（圖2）。這張圖看起來挺復雜，具有一種藝術的美感，而它的科學本質是非常簡單的。破壞的現象也是非常復雜的，但它的科學本質也是非常簡單的，簡單到我們用幾個圓就可以模擬出來。我們來看看它是怎么形成的。它實際上是一個“四節棍”在做圓周運動，是吧？破壞與圓有關系，這樣一幅畫也與圓有關系，“四節棍”每個節點都在做圓周運動，運動軌跡就是非常漂亮的一幅畫。

科學藝術是有美感的，雖然科學很骨感，藝術又是比較復雜的現象，但是科學的本質往往簡單。所以，科學和藝術總是融合在一起，它的融合之美需要我們去體會。

科學人生：更具價值、更加美好

對于人生的價值，特別是科學人生的價值，我有一些想法與體會。我認為，要充分認識各種人生的價值，要人盡其才，人盡其用，讓年華不虛度，讓人生更有價值。但我以為，科學的人生更具價值，科學的人生更加美好。

2004年至2012年，我在中國礦業大學（北京）力學與建筑工程學院當院長。每年學生畢業，我們都要請一批畢業生代表座談。什么都可以談，其中有一個問題必須談。這個問題是：你在這個學校待了這么多年，最難忍受的一件事情是什么？

有一個研究生說，他和導師一起做科研，導師拿來項目，提出方法，他來做，做完以后經費還剩下不少，他卻畢業了。按照馬克思主義剩余價值學說，這剩下的經費也是剩余價值。剩余價值是誰創造的？顯然是他創造的。他畢業以后誰來占有？是他的導師占有了。導師占有了他創造的剩余價值，所以每每想起，他心里都很難受。在場的研究生都贊成他的意見。我聽后感到震驚，當然也發表了意見。

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值學說的觀點來認識問題、分析問題，還能得出一些結論，是非常難能可貴的。第二，你這個結論是有問題的，問題出在哪里還不清楚，因為我是研究巖石力學的，不是研究剩余價值學說的。第三，我們能不能形成一個協議，給我兩年時間，我來研究一下剩余價值學說。如果我將來研究的結論和你一樣，你就可以這樣說；如果我研究的結論和你不一樣，而且你也認為我的結論更有道理，希望你按照我所研究的結論去說。大家都表示理解，最后形成一個諒解備忘錄。

接下來，我就開始研究剩余價值學說。我買了三本馬克思的《資本論》，那時候才知道《資本論》用英文發表是三本書。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，用一年半的時間又讀了一遍，這次有很多體會。其中一個重要體會，就是覺得馬克思是一位真正的科學家。他花了40多年、一輩子中最重要的時光，做了一件重要的事——研究資本論。到他去世的時候，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、17世紀復雜的社會經濟運行形態，用剩余價值公式表達得淋漓盡致。能從復雜的現象里提煉出簡單的公式來說明道理，這值得我們學習。他說，所有的社會經濟形態在16世紀、17世紀，無非是資本。你買的任何機器都是資本，你招收工人去勞動，資本加上工人的勞動等于產品。產品進入流通領域，就變成有價值的東西。價值減去成本就產生剩余價值。剩余價值誰創造的？是工人。那個時候資本是不能創造剩余價值的。現在我們把錢（資本）存到銀行里有利息，那時候還沒有。所以他得出一個重要結論，就是工人的勞動創造剩余價值。工人創造剩余價值，資本家卻占有剩余價值，資本主義社會很不合理，所以資本主義一定會滅亡。帝國主義是資本主義發展的最高階段，但它是垂死的、腐朽的。這個理論很厲害，他認為18世紀、19世紀歐洲會出現很多社會主義國家。這是他的理論。

20世紀末到21世紀初，情況發生了很大的變化。因為科學技術對社會運行形態的介入，產生剩余價值的機理變了，變成科學技術和工人的勞動一起來創造剩余價值。科學技術是第一生產力，科學技術創造剩余價值，這個需要證明。怎么證明呢？在特殊的情況下，把工人的勞動變成機器人的勞動，所有的剩余價值便都是科學技術創造的。這與先前的情況產生了很大的變化，就是資本主義國家的人員掌握了先進的科學技術，科學技術創造了剩余價值。

雖然它的社會制度，即資本主義制度是落后的，但是它所擁有的先進的科學技術創造了剩余價值，因而緩和了它的社會矛盾，使資本主義腐而不朽，帝國主義垂而不死。從創造剩余價值這一角度觀察與思考問題，我認為它的總體效果要好于我們。我們的社會制度先進，但生產力還處于落后或相對落后狀態。科學技術先進不能等同社會制度優越。我們現在總體上落后于他們，但我們的社會制度是先進的，我們也會擁有先進的科學技術。所以，我們國家要進行科技創新。今年的6月24日，全國科技大會隆重舉行。往前追溯，2016年5月30日，在全國科技創新大會上，習近平總書記做了一個很重要的講話，強調要擔當歷史重大責任與使命，努力為建成創新型國家、建成世界科技強國作出新的更大的貢獻。

科技創新關系著中華民族的生死存亡，關系著國家的發展進步。社會制度先進，加上科學技術先進、生產力先進，就是中國強大的時候。這個時候我們要回答的一個問題，就是“資本主義什么時候要滅亡”。當我們的先進的生產力能夠和資本主義國家先進的生產力并駕齊驅的時候，大概就是帝國主義和資本主義離滅亡不遠的時候。

在這樣一個推論里面，我們看到了社會主義的希望、共產主義的希望。過去，我覺得共產主義是個烏托邦，不可能實現，現在這個想法有了改變。機械化、自動化、智能化快步向我們走來，將來的勞動，我們會更多地依靠它們。它們為我們創造無比豐富的物質財富。未來，機器去勞動，機器去掙錢，人力就搞更高級的科研和社會活動。機械化、自動化、智能化的高度普及與發展，預示著共產主義一定能夠實現。

回頭來回答和解釋那位研究生提出的問題。很多導師有科研項目。在一個科研團隊中，參與項目科研的學生，除了享受學校給予的助學金外，還會享受rJ7HRa3ZcGmcQT/PaUT2UQ==一些額外的科研補助。這里面有一個平均值，大家一般按平均值享受科研補助。這是參與項目科研工作應該享受的。實際上這種補助是有區別的。有的人，特別是導師，他們拿到的補助高出了平均值。這是不是剝削？又剝削了誰？這需要探討、分析。我認為，導師的勞動，是不可替代的。導師拿了項目，其科研的思路、方法，也是不可替代的。學生們的勞動是可以替代的，小王可以做，小李也可以做。研究生跟著導師學什么？就是要學習他們的創造性思維，學習他們的方法、經驗，然后為自己所用，用于創造、創新，用于創造剩余價值，為社會作貢獻。參與項目科研，是來學習本領的，不是來掙剩余價值的。

理清了這些認識之后，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說法。我兌現了承諾，不過花了兩年時間。但我覺得，這兩次對話、這一個承諾，很有意思、很有意義。

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

先談談普通人。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者，拐點是從消費者變成生產者。生產者創造的價值一般大于消費價值，所以有剩余價值。這意味著消費者變成了貢獻者。一般來說，貢獻者到了四五十歲，體力、精力都還很旺盛，正是為國家作更大貢獻的時候。過了這個歲數，人老體弱，貢獻日小，到生命結束（有一種說法叫“零點”），為社會作貢獻的步伐就停止了。這是普通勞動者的人生價值模型告訴我們的。接受過高等教育的本科生或研究生，他們的人生價值模型，應該是通常說的“綠色模型”。他們前期消耗更多，因為他們要接受教育，轉折點即拐點滯后。當然，“零點”也來得晚。他們與普通勞動者的最大不同，就在于當生命結束的時候，他們的創造、發明，他們留下的技術、成果，仍然在為這個社會創造剩余價值。這種貢獻，也許到了一定的時間，達到一個頂點，就會逐漸減少或者消失。一個杰出科學家的人生價值，是難以估算的。在生命結束之后，他仍會長時間給社會作貢獻。國家培養大學生，培養一大批科學家，就是為了大大提升他們的人生價值。從《資本論》的剩余價值學說來闡釋，就是讓他們能夠創造更多的剩余價值，為社會進步作更大的貢獻。