1969年三線建水壩，他的計算讓這一工程省了500萬

2012年，陳耀松在中科大做報告。圖源：北京大學(xué)

導(dǎo)讀：

1969年，北大工學(xué)院陳耀松被調(diào)到漢中參與三線建設(shè)。其中一個任務(wù)是為當(dāng)?shù)氐乃畨卧O(shè)計求解一組24階線性方程組。當(dāng)時，他使用西安計算中心的一臺計算機，四分鐘就完成求解。受此啟發(fā)，這一水壩工程最后設(shè)計了七個方案，并通過計算機來選出最優(yōu)方案，最后為水壩建設(shè)節(jié)省500萬資金。

“技術(shù)科學(xué)的價值，不僅在于解決具體的工程難題，更在于培養(yǎng)一種直面挑戰(zhàn)、勇于創(chuàng)新的精神。”陳耀松后來寫道。

陳耀松｜撰文

50多年前的一樁往事，如陳年佳釀，越品越有滋味。那段特殊年代的三線建設(shè)經(jīng)歷，不僅鐫刻著個人的悲歡離合，更凝結(jié)著技術(shù)科學(xué)在艱苦環(huán)境中綻放的璀璨光芒。如今重拾記憶碎片，串聯(lián)起那些與電子計算機、測量儀器創(chuàng)新相關(guān)的日夜，既是對那段歲月的致敬，也希望能為今天的讀者提供一份跨越時空的技術(shù)啟示與精神滋養(yǎng)。

記得那是1969年深秋的一個傍晚，北大力學(xué)系的校園里突然響起緊急集合的哨聲。全體人員立正肅立，傳達(dá)的是“林彪一號命令”——由黃永勝等人以“林副主席第一個號令”發(fā)布于1969年10月17日的緊急動員令，要求三天后出發(fā)，奔赴三線建設(shè)前線。北大的三線分遣隊分為兩組，我被分配到漢中方向，另一組則奔赴江西。當(dāng)時我已有家室和孩子，他們不受軍管限制，仍留居北京。最讓我牽掛的是妹妹妹夫一家：他們在清華工作，父母早已遷居江西，留下剛上初中的外甥女帶著要上小學(xué)的弟弟相依為命。平日里孩子們吃飯靠食堂，上學(xué)就在院子里，但凡有事全靠鄰居叔叔和我照應(yīng)。

三天后我將遠(yuǎn)赴他鄉(xiāng)，這兩個孩子該如何安置？情急之下，我緊急發(fā)電報通知妹妹。接到電報后，妹妹從農(nóng)場請假連夜趕回北京，輾轉(zhuǎn)將兩個孩子送到南方交給外婆撫養(yǎng)，后來又分開放在不同的親戚家寄養(yǎng)。那些日子，我常想，即便自己身染“吸血蟲病”也無可奈何，只要孩子們能平安成長就好。萬幸的是，這兩個當(dāng)年各赴三線親屬家寄養(yǎng)的外甥，如今都已成為享譽學(xué)界的“大院士”，這也成了我當(dāng)年忍痛別離最珍貴的慰藉。

圖1 各赴三線的外甥，如今已是“大院士”

而我自己，當(dāng)時在北京已是被監(jiān)管的對象，唯有絕對服從命令。簡單收拾了一個裝著換洗衣物的小包袱，我便跟著大隊人馬踏上了前往三線的征程。先乘坐一天火車，抵達(dá)山間小站陽平關(guān)——已然進(jìn)入四川境內(nèi)，下車后換乘卡車，在蜿蜒的山路上顛簸了四個小時，終于抵達(dá)目的地褒河營區(qū)。眼前一片嶄新的建筑群讓我頗感意外，原來這里是早已秘密開建的北京大學(xué)分校，代號“653”——因1965年動工而得名，只有參與建設(shè)的人員才知曉其真實身份。

這個地點實在太有名了：漢中、褒河、石門、棧橋，每一個名字都承載著厚重的歷史。“明修棧道暗渡陳倉”的軍事智慧，“烽火戲諸侯”的歷史典故，何人不知？可一旦改稱“653”代號，便成了地圖上找不到的隱秘角落，如今卻真切地鋪展在我腳下。

分校坐落于褒河北岸的山坡上，南岸便是正為褒河石門水庫設(shè)計建壩的工程局（前身為青銅峽工程局）。放眼望去，不遠(yuǎn)處的四大機床廠、飛機制造廠、軸承廠等，都是近期從沿海內(nèi)遷的重點企業(yè)。僅從眼前的布局便能感受到，漢中正在快速建成國家重要的基礎(chǔ)工業(yè)和科教基地。

早聽說物理系的同學(xué)奔赴西北參與原子彈研制，我曾工作過的氣動力研究院已在四川山區(qū)建成“29基地”，如今輪到高校投身三線建設(shè)，這不只是單一項目的布局，而是國家層面全面建設(shè)基礎(chǔ)工業(yè)和科研院校的戰(zhàn)略考量。想通了這一點，個人的榮辱得失便顯得微不足道，心情也隨之豁然開朗。

為了盡快將理論知識與生產(chǎn)實際結(jié)合，北大力學(xué)系的同事王大鈞主動與南岸的水壩設(shè)計工程局聯(lián)系，承接了一項緊急計算任務(wù)——求解24階線性方程組。水壩結(jié)構(gòu)計算本就是我們力學(xué)固體組的本行，工程技術(shù)人員已將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)問題簡化為線性代數(shù)方程組，核心難點在于如何高效求解。這與電影中我國科研人員用手搖計算機設(shè)計原子彈的場景如出一轍，只是水電設(shè)計局自身不具備這樣的計算能力，才委托北大分校協(xié)助解決。

從算法層面看，求解線性方程組的原理并不復(fù)雜。我們內(nèi)遷時，已經(jīng)將北大僅有的五臺電動計算機悉數(shù)帶來。據(jù)工程數(shù)字計算“第一號種子選手”曲圣年估算，即便這五臺電動計算機日夜不停運轉(zhuǎn)、換人不換機，要完成24階方程組的求解也需要兩周時間——而這個估算是建立在計算過程中零差錯的理想前提下。現(xiàn)實情況遠(yuǎn)比想象中復(fù)雜：串聯(lián)計算的各個環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)全靠人工抄錄后再輸入下一步計算，如此龐大的抄錄量，想要不出一次差錯幾乎是不可能的！

我們心里都清楚，僅靠電動計算機難以按期完成任務(wù)，必須借助電子計算機的力量。在那個年代，北大能擁有電動計算機已屬不易，其他單位大多還在使用手搖計算機。但既然接受了委托，北大沒有推諉的余地，只能硬著頭皮答應(yīng)下來，并承諾“我們來設(shè)法解決”。

就在大家一籌莫展之際，我突然想起西安計算中心有一臺104型電子計算機，便大膽冒出一句：“西安計算中心有一架104，我去設(shè)法夾塞兒。”在那個絕大多數(shù)人從未見過電子計算機的年代，大家對這個提議充滿疑慮，不太相信我能辦成。于是眾人商定兵分兩路、雙管齊下：一方面，由我?guī)е匠滔禂?shù)趕赴西安，尋求電子計算機支持；另一方面，立即啟動五臺電動計算機，由曲圣年統(tǒng)一指揮，全員加班加點并行計算，確保萬無一失。

說起我與計算機的淵源，其實早在年少時便已埋下種子。兒時我最喜歡跟大哥玩推理游戲，比如選定一個對象，按“動、不動、男、女”的線索編故事，讓我找出目標(biāo)人物。偶爾看到同學(xué)帶的“加法器”，我總不屑一顧；但見到手搖計算機時，便忍不住想拆開一探究竟。

1948年轉(zhuǎn)學(xué)進(jìn)入清華后，我發(fā)現(xiàn)航空系有一臺損壞的IBM電動計算機被丟棄在角落。航空館是一座小樓，院內(nèi)有一個風(fēng)洞空殼和兩架破舊飛機，我一有空就往那里跑，爬進(jìn)爬出風(fēng)洞后，就到圖書館旮旯里搗鼓這臺計算機。IBM計算機內(nèi)部采用的是長短杠桿而非齒輪，杠桿一旦變形就會失靈，又無法順著齒輪齒數(shù)排查問題，我所謂的“修理”不過是拿把改錐到處撬動，純粹碰運氣而已。由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，終究沒能修好。

正好此時，一位經(jīng)濟系教授從國外帶回一臺齒輪式電動計算機。當(dāng)時國家一項殼體結(jié)構(gòu)計算任務(wù)急需算力支持，張維先生將這項任務(wù)交給黃克智，我們便向經(jīng)濟系教授借來了這臺計算機。黃克智負(fù)責(zé)計算核心工作，我則承擔(dān)維護(hù)職責(zé)，只要計算機卡住，我就動手排查。我們一搭一檔在宿舍里完成了整個計算任務(wù)，也讓我對計算機的操作與維護(hù)有了更深入的實踐。隨后院系調(diào)整，我分到北京大學(xué)數(shù)學(xué)力學(xué)系，力學(xué)專業(yè)頗受重視，分到了多臺電動計算機，這為我后續(xù)的計算工作創(chuàng)造了更好的條件。

當(dāng)時國內(nèi)尚無自主研制的電子計算機，但不斷有國外相關(guān)消息傳來，留學(xué)生回國潮中也有少數(shù)參與過計算機研制的專家。北大的年輕教員們按捺不住探索熱情，于1955年在數(shù)學(xué)力學(xué)系增設(shè)了“計算數(shù)學(xué)”專業(yè)。1956年，國家請來蘇聯(lián)專家?guī)椭贫ā妒陣铱茖W(xué)發(fā)展規(guī)劃》，其中有專門針對計算機技術(shù)的科技報告。我有幸參加了系列講座，第一次系統(tǒng)學(xué)習(xí)了馮·諾依曼計算機的工作原理，全程聽懂后，心中滿是難以言喻的興奮與得意。

興奮之余也有無奈，當(dāng)時我已深陷力學(xué)專業(yè)的教學(xué)與科研工作，既要開設(shè)各類力學(xué)課程，還要牽頭爭取建設(shè)風(fēng)洞，根本抽不出專門時間鉆研電子計算機技術(shù)。1957年一紙調(diào)令將我借調(diào)到五院（國防部第五研究院），1959年陸平校長到五院考察時發(fā)現(xiàn)了那份《借調(diào)陳耀松》的文件，既然是借調(diào)，終究要歸還北大。回到北大時，迎接我的竟是一張大字報——“陳耀松回來了，快燒！”所幸當(dāng)時運動火候已過，并未真的受到嚴(yán)重沖擊，但與我同批的系秘書作為“黨內(nèi)專家”，仍在接受批判。

恰逢當(dāng)時工程兵正要北大幫助解決原子沖擊波計算問題，系里便安排我與計算數(shù)學(xué)專業(yè)的幾位教師組成專門小組單獨開展工作，無需參加日常批判會。這讓我得以名正言順地補學(xué)電子計算機知識。當(dāng)時國內(nèi)已有104型萬次電子計算機，還有小型的103機，民間僅有科學(xué)院一家擁有。其他單位只能通過聽取使用報告了解相關(guān)情況，很難獲得實踐機會。計算機所的同志非常熱心，將使用經(jīng)驗整理成“小書”公開發(fā)行，我只要見到相關(guān)新書就立即買下，連夜研讀。

圖2 發(fā)展我國計算原型機，功不可沒

讓我印象最深的有兩本：一本是《103電子計算機程序匯編》，103機僅有四條運算指令，分別是00（加）、10（減）、11（乘）和邏輯判斷，打開書，滿版都是這些阿拉伯?dāng)?shù)字，看似枯燥卻蘊含著無窮奧秘；另一本是某大學(xué)專家撰寫的《高級語言FORTRAN編譯程序》，這本書非常接地氣，無需深厚的軟件知識就能看懂，能直接將高級語言轉(zhuǎn)化為機器碼，讓我對程序設(shè)計有了全新認(rèn)知。

不久后，北大優(yōu)先配備了一臺103計算機，我終于獲得了實踐機會。當(dāng)時我能直接得到陳堃球教授的指導(dǎo)，使用的教材就是她學(xué)生在103機上完成的畢業(yè)論文。我先將論文中的算例重復(fù)運算一遍，熟悉操作流程后，還獨立找了一個簡單的流體力學(xué)計算課題在103機上完成，成功獲得了計算結(jié)果。當(dāng)時文革尚未開始，我們已遷到昌平分校，記得是勛剛正在替周培源先生計算“渦球”問題，已經(jīng)簡化為常微分方程。他同意我接著用計算機繼續(xù)深入計算，可惜在編程前我發(fā)現(xiàn)他所需的積分存在發(fā)散問題，計算就此終止，沒有繼續(xù)“浪費時間”。

思緒拉回到1969年年底的褒河，面對水壩設(shè)計局急需解決的24階線性方程組，我自告奮勇帶著方程系數(shù)去西安，我有把握找到電子計算機來算。當(dāng)時西安計算中心的104機幾乎被航空設(shè)計院“包場”使用。我老弟中學(xué)畢業(yè)時，恰逢國家大力建設(shè)航空工業(yè)，他們班大批學(xué)生被推薦報考西北工業(yè)大學(xué)，畢業(yè)后大多留在當(dāng)?shù)仫w機設(shè)計院所工作。其中有一位“小兄弟”，當(dāng)時正負(fù)責(zé)占用104機計算飛機氣動彈性問題。憑借這層關(guān)系，我找到他說明來意，懇請“夾塞兒”計算水壩方程。

在機房里，他擁有絕對的調(diào)度權(quán)，便將我?guī)サ臄?shù)據(jù)夾在飛機計算任務(wù)中間，安排專人幫忙“穿紙帶”。我則在一旁仔細(xì)核對紙帶上的孔眼，確保數(shù)據(jù)輸入無誤。趁著兩個飛機計算任務(wù)交接的間隙，水壩計算的紙帶被快速送入計算機。

僅僅四分鐘，24階線性方程組便求解完成！我連夜將計算結(jié)果通過電報發(fā)回褒河分校，曲圣年接到數(shù)據(jù)后立即組織反演核算，確認(rèn)結(jié)果準(zhǔn)確無誤，便宣布：“問題解決了，大家回家睡覺去吧！”

第二天，水壩設(shè)計局的工程師們得知計算難題僅用四分鐘就圓滿解決，個個欣喜若狂。自從1958年大躍進(jìn)以來，工程界便盛行“邊設(shè)計邊施工”的風(fēng)潮，設(shè)計尚未全部完成，施工就得倉促啟動。水壩這類大型土木工程，一旦施工中途需要修改設(shè)計，不僅難度極大，還會造成巨大的人力物力浪費。設(shè)計人員為了趕在施工開始前完成初步設(shè)計，不得不盡量簡化設(shè)計方案，即便簡化到僅剩一組低階的線性方程組，仍面臨算力不足的困境。大家早聽說電子計算機“運算神速”，卻不知如何對接使用。如今有了北大分校這個“鄰居”幫忙，成功嘗到了電子計算的甜頭。

既然電子計算機如此高效，設(shè)計局當(dāng)即決定重新調(diào)整設(shè)計流程：一方面與西安計算中心正式建立合作關(guān)系，申請長期使用104機計算水壩工程問題；另一方面再次委托北大分校幫助編制水壩設(shè)計的專用計算程序。北大隨即派出四位教員，在計算中心指定的編程專家指導(dǎo)下，全身心投入專項程序開發(fā)。

在沒有電子計算機的年代，即便只是一個24階的代數(shù)方程，求解周期都難以把控。為了避免施工中途發(fā)現(xiàn)安全問題而被迫停工修改，設(shè)計時只能采用最保守的方案，通常是選用結(jié)構(gòu)笨重但安全性看似有保障的重力壩。大家都知道拱形壩結(jié)構(gòu)精巧，能大幅節(jié)省建筑材料，但拱形壩的受力計算需要極高的精度，沒有電子計算機的支持，沒人敢貿(mào)然采用。現(xiàn)在有了電子計算機作為后盾，設(shè)計局大膽提出新的工作方法——要擬出七個不同壩型方案，通過計算對比選出最優(yōu)方案。

經(jīng)過多輪計算與論證，最終選定了拱壩方案。與原先計劃采用的重力壩相比，僅建材一項就節(jié)省了至少500萬元——在那個物資匱乏、資金緊張的年代，這無疑是一筆巨款。這便是當(dāng)年利用極其稀缺且初級的計算資源，成功實現(xiàn)的一次“多快好省”的水壩設(shè)計實踐。隨著計算機技術(shù)、算法與軟件的快速發(fā)展，計算已成為繼理論分析和實驗驗證之后，解決科學(xué)與工程問題的第三種核心手段，在科技進(jìn)步、社會發(fā)展、國家安全等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

解決了水壩計算的核心難題后，我們與水壩設(shè)計局的合作進(jìn)一步深化。設(shè)計水壩必須根據(jù)壩基強度進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計，水壩通常選址在河段水流湍急之處，要在正對壩址的位置往下打孔取石樣難度極大。于是水電局采取了一個替代方案：在河的對岸橫向鉆進(jìn)30米，遇到巖石后取塊石樣作為壩基石樣的替代，送往成都研究所測定強度。測試結(jié)果顯示石樣強度良好，設(shè)計人員初步滿意。

但作為力學(xué)工作者，我總覺得用對岸的石樣代替壩址下方的原樣存在隱患。于是大膽提出建議：在壩址上游用雷管“設(shè)爆”，在壩址下游設(shè)置“監(jiān)聽”設(shè)備，通過測量經(jīng)過壩址的聲速來判斷壩基的實際強度。這個建議遭到了部分理論研究同志的反對，認(rèn)為“技術(shù)上不可行”。唯獨我所在的流體實驗室的邵鴻昌老師表示“可行，完全可以實現(xiàn)”，并當(dāng)即動手改造設(shè)備：找來收音機上廢棄的中周變壓器，改裝成聲波接收轉(zhuǎn)換器，再連接到當(dāng)時唯一可用的記錄儀器——八線示波器上。

整套儀器雖然略顯笨重，但在幾位身強力壯的民工幫助下，順利扛到壩址附近的山坡上安裝調(diào)試。測試結(jié)果顯示，壩基下的聲速比水電局在河床對岸打洞取樣測得的數(shù)值低20%——這意味著壩址的真實強度比之前推算的要低！當(dāng)時壩址冒出水面的部分都是堅硬的石質(zhì)，憑經(jīng)驗判斷底部強度應(yīng)該不差，為何聲速測量結(jié)果偏低？不久后水壩正式動工，壩址前后筑起圍堰，鏟土機進(jìn)場開挖，謎底終于揭開：壩基下方的石質(zhì)竟然都是碎石，結(jié)構(gòu)松散，這正是聲速偏低的根本原因！

北大提出的壩址強度測定方法最終被水電局正式采納，不僅褒河石門水壩工程采用了這一技術(shù)，下游安康正在建設(shè)的水壩也邀請我們前往測試。按照最初的分工，這項“游山逛水”的任務(wù)本該由我負(fù)責(zé)，但當(dāng)時我正被定為“反對毛主席教育改革”的批判對象，必須留在校內(nèi)作檢討、接受批判，錯失了這個難得的實踐機會。最終，袁明武老師帶著民工扛著儀器滿山奔走，不僅完成了褒河、安康兩地的壩基測試，還順便體驗了沿途的風(fēng)土人情。

圖3 三線美景，留贈后人

回望褒河石門水壩的參建歷程，以及那段歲月中一系列技術(shù)探索，我深深感悟到：技術(shù)科學(xué)的價值，不僅在于解決具體的工程難題，更在于培養(yǎng)一種直面挑戰(zhàn)、勇于創(chuàng)新的精神。從用電子計算機四分鐘破解24階線性方程組，為水壩建設(shè)節(jié)省500萬資金，到創(chuàng)新壩基強度測量技術(shù)，每一項成果都是在艱苦環(huán)境中，憑借對技術(shù)科學(xué)的執(zhí)著與熱愛，一步步探索而來。

如今，計算機技術(shù)早已日新月異，測量儀器也實現(xiàn)了高度智能化，但那段三線建設(shè)歲月中凝結(jié)的創(chuàng)新精神、務(wù)實作風(fēng)與協(xié)作意識，依然具有重要的現(xiàn)實意義。正是那些在山溝里堅守與探索的日夜，不僅為國家的三線建設(shè)貢獻(xiàn)了微薄之力，也為我們這一代人積累了寶貴的實踐經(jīng)驗，更激勵著后輩科技工作者在創(chuàng)新之路上不斷前行。

本文轉(zhuǎn)載自《賽先生》微信公眾號

《物理》50年精選文章