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斷章師爺 深奧的理論VS簡單的實驗 & 精密的科學VS粗糙的工藝

作者：light12  於 2010-4-24 09:16 發表於 最熱鬧的華人社交網路--貝殼村

通用分類:其它日誌

時間: 24 4 2010 00:07
作者：斷章師爺

深奧的理論VS簡單的實驗 & 精密的科學VS粗糙的工藝
斷章師爺

前幾天在「我要註冊」先生的帖子後面，我跟了一帖表示：「『客觀世界實在太複雜，科學不是萬能的』 我要註冊先生的這句話，深得吾心。」 。小衲先生在我的帖子後面又追了一帖，指出：「這話是蘆笛網友說的」。今天看到蘆笛先生的原話是「大千世界確實極度複雜，科學是有限的，但科學仍然是人類認識它的唯一手段，理性之外無認識，科學之外無手段。」。不覺撓到了癢處，也想寫篇文字紓解心中的磈磊。不妥之處，尚望眾多網友指正。

還在小學念書時，就聽班主任老師說過科學家偉大的故事。當時她帶了一張報紙到課堂里來，那上面是「大救星」和一位長相清秀的中年人坐在十分考究的桌邊一同進餐的照片。老師說他叫錢學森，是一位了不得的大科學家。不久的一次命題作文「我的志願」，幾乎一半以上的同學都表示長大后要成為「科學家」。其實那時候我們連什麼叫科學都不知道（現在回想起來「大救星」對於科學的理解同當時的我們大概也就在50步和100步之間）。

上中學時，我們的校長本人是數學一級教師，全國中等數學教材的編寫組成員。幾乎全體學子都奉「學好數理化，走遍天下都不怕」為信條。高中畢業填寫志願時都選擇了第一類（理工），只有成績差的同學才報考第二類（醫農）和第三類（文史）。

我進的是工科大學，有一位副校長是全國聞名的冶金專家。他在新生入學周時給我們做報告，介紹學校的培養目標是又紅又專的工程師，而沒有提及科學家。我不覺想到這與自己從小的志願似乎不符，隨即聯想到那位了不得的大科學家當年念的也是鐵道機械工程，心裡也就漸漸平靜下來。

記得65年三秋支農，一位姓丘的副教授隨同我們班級一起下鄉。一次田間閑聊時，他說：「一個國家要先進發達，取決於兩個方面：一是工藝，二是材料。」這話我牢牢銘記了將近半個世紀，至今還認為是一句至理名言。

十年浩劫剛過，我回滬念碩士，正逢上「科學的春天」那陣熱潮。先是徐遲先生那篇散文《哥德巴赫猜想》出來，當時幾乎全國所有的學子都嚮往成為陳景潤那樣的大數學家。接著是錢學森先生在一次全國範圍的大會上的講話，強調了基礎科學的重要性。他以自己編撰的那本《物理力學講義》為例，說今後的科學研究要步入一個新的時期，所有的先進學科都應該先通過計算建立模型，再通過實驗進行驗證，然後即可推廣應用到工業生產中去了。結果是連生物系、地質系的研究生也都要學習數學和物理學。我最近看到一篇報導，提及大慶油田的發現者，官方的排名順序是：李四光、黃汲清、謝家榮。而黃汲清先生晚年則撰文指出：「大慶油田的發現與李四光的地質力學理論毫無關係。謝家榮（57年被打成右派）才是注意到在華北和東北平原上找油的第一位地質學家」。其實，錢學森先生的這番講話在私底下遭到了各行各業的專家和學者的非議。

一個國家要趕超世界先進水平，並不需要那麼多富於才華的科學家，更其需要的倒是大批腳踏實地的工程技術人員。下面想就我乾的材料行業，談談理論和實驗以及科學和工藝之間的關係。這兒，我不想做嚴密的論證，只想介紹幾個具體的實例。

（一）深奧的理論VS簡單的實驗
（1）粘彈性能
眾所周知，力學性能是材料學科的一項非常重要的研究內容。凡是稍具力學知識的學生都知道，完全彈性材料的力學行為遵循簡單的Hook定律；完全粘性材料的力學行為則可以用Newton粘性定律來描述。然而對於某些工程材料，例如混凝土、高分子、某些生物組織以及處於高速變形狀態的金屬材料來說，卻具有完全不同的力學性能，我們稱之為粘彈性（viscoelasticity）。對於粘彈性材料來說，一般的力學理論是不適用的，必須運用專門的粘彈性力學理論來處理。現在，粘彈性理論已是一門發展得相當成熟的新興學科了，每一年全世界發表的粘彈性理論的文章完全可以用浩如煙海來形容。粘彈性理論通常可以分為線性和非線性兩大部分。從原理上來說，利用本構方程、運動方程、幾何方程、邊界條件以及初始條件，可找到線性粘彈性邊值問題的解。至於非線性粘彈性材料的力學行為就複雜得多了，光是本構關係就有重積分型、單積分型和冪律型等。除了極少的幾個單積分型本構關係可以求出邊值之外，幾乎所有其它類型的本構關係都只能得到近似解或數值解。

在電腦和各種計算程序普及的今天，一般程度不太差的學生都會求近似解或數值解。倘若以為只要掌握了上述粘彈性力學的科學理論和電腦數值程序的科學方法，就可以順理成章地預測粘彈性材料的力學性質的話，那就大錯特錯了。事實上，所有工程材料的各項靜態粘彈性力學指標都是根據國際材料學會通用的標準手段在萬能力學試驗機上測試出來的；此外各項動態的特徵數值，例如應力鬆弛和蠕變曲線等也毫無例外都是使用簡單的實驗手段(例如Viscoelasticity analyzer vesmeter或者 rheometer等)測試出來的。絕對不是使用高深的理論方法計算出來的!

（2） 玻璃態轉化溫度
玻璃態轉化溫度Tg 是指粘彈性材料在玻璃態和彈性態之間相互轉化的溫度。從現象上看玻璃態轉化具有二級熱力學相變的特徵。所謂相變是指系統中不同相之間的相互轉變，其本質可以看成是有序和無序兩種傾向競爭的結果。過去的相變理論建立在熱力學基礎上，一級相變的定義是Gibbs自由能具有連續性，而其一階導數不具有連續性的轉變。二級相變即在轉變溫度下，自由能的一階導數連續，二階導數呈現突變。早在上世紀30年代Landau概括了平均場理論的實質，用序參量的冪級數展開來表示臨界點附近的自由能，提出了二級相變的唯象理論。 L.P.Kadanoff 和K.G.Wilson等人在上世紀後半葉將重整化群的方法用於二級相變。重整化群的概念起源於量子場論，為了解決場發散的問題，發展出了重整化的方法來剪除無窮大。表示剪除點變化的變換稱為重整化群變換。多次的重整化群變換可以達到某種非穩定的不動點，對應的現象就是相變。由這種非穩定不動點滿足的方程可以求出臨界參數。K.G.Wilson因此獲得1982年諾貝爾物理學獎。

但是，玻璃態轉變並不是真正的熱力學二級轉變。粘彈性材料實際上處於一種亞穩定態，儘管從熱力學理論上來看遲早要達到平衡。但是粘彈性材料的分子尺度大，所以很難達到熱力學平衡態，也就是出現了鬆弛現象。所以威力無窮的重整化群理論在解釋玻璃態轉化溫度這樣一個材料學科中的參數時卻往往顯得束手縛腳。使用上述高深的理論估算出來的玻璃態轉化溫度數值其實只有在寫論文時才有意義。具有工程應用價值的玻璃態轉化溫度只能用實驗手段測試出來。使用的儀器其實相當普通，就是差示掃描量熱儀（DSC），甚至更加簡單的膨脹儀。

（二） 精密的科學VS粗糙的工藝
（1）粘彈性材料
上面介紹了粘彈性材料的宏觀力學理論，下面再介紹粘彈性材料的微觀分子理論。從物質的結構著手解決其物理性能，無疑是一條大方向永遠準確的金光大道。現有的理論研究已經從早期的現象學模仿上升到微觀的分子理論研究層面。現象學研究是利用Hook彈簧和Newton粘壺作為基元，通過各種串聯（Maxwell模型），並聯（Kelvin-Voigt模型）以及與時間-溫度等效原理結合的各種形式繁複的廣譜組合來逼近粘彈性材料的各種力學性質。在現象學研究的基礎上，又發展出粘彈性的分子理論。從早期的靜態結構到晚近的動態行為，由於幾位里程碑式的學術大家的加入，已經形成為一門很具規格的學科了。上世紀的40到50年代，最傑出的貢獻是康奈爾的J.P.Flory， 他利用統計力學方法系統地建立了大分子物質的結構理論，結果榮膺了1974年的諾貝爾化學獎。上世紀60到90年代，主要由劍橋的S.F.Edwards 和巴黎的P.G.de Genns，奠定了粘彈性材料動態行為的分子理論，後者因此獲得了1991年度的諾貝爾物理學獎。

（2）超導材料
1911年，荷蘭的H.K.Onnes發現，汞在4．2開氏度時，其電阻會突然消失。他稱之為超導電性，並因此獲得1913年諾貝爾物理學獎。J.Bardeen L.N.Cooper 和J.R.Schrieffer提出，超導體中存在著電子對，這些電子對可以平穩地通過由失去部分電子的原子所組成的通道，不會引起原子振動，即為超導現象。因此他們三人獲得1972年的諾貝爾物理學獎。V.L.Ginzburg同Landau在二級相變理論的基礎上提出了一個描述超導現象的模型（Ginzburg-Landau方程）。在這個模型的基礎上，A.Abrikosov在1957年對II型超導體的特性做出了理論上的解釋。為了表彰這個模型在超導理論研究中的突出貢獻，2003年的諾貝爾物理學獎授予了這兩位科學家以及A.J.Leggett（以表彰他對超流理論的貢獻）。

看起來，按照上述Flory、Edwards和de Genns等建立的粘彈性微觀理論就可以提供開發新型粘彈性材料的分子參數了。至於根據Ginzburg-Landau方程、BSC模型以及Abrikosov解釋，自然也就可以預期出超導材料的性能了。其實，這完全是大謬不然的想當然。（網路上有中文資料介紹說Flory是尼龍66問世的主要功臣，這純粹是好事者編的佳話。尼龍66完全是由杜邦公司的工程技術人員開發出來的，與Flory的縮聚反應動力學理論毫不相干。）

無論哪個材料工業集團的老總都清醒地知道要維持產品的競爭力，企業的研究中心聘用的主要是實踐經驗豐富的工程師，包括從事合成工藝、加工工藝、燒結工藝、岩相工藝、結晶工藝的工程技術人員；而不是科學知識淵博的學者，例如專事力學分析、量子研究、數學處理、物理模型的專家學者。這些令人眼花撩亂的科學理論對於材料的開發就象「大救星」的雄文四卷之於中國革命，絕對只有高瞻遠矚的指導意義，卻沒有具體參考的應用價值。我可以很負責任地告訴諸位，沒有一種科學理論可以象求解一元二次方程的根那樣將材料的性質預測出來。

倘若，哪位材料學科的研究生不想畢業立即陷入失業困境的話，那我奉勸他（她）在做論文時無論如何要選擇一個具有實用價值的題目。如果要對某種材料有比較深入的了解和累積一定經驗的話，除了從早到晚地泡在實驗室里，反覆地篩選配方，忠實地測定數據，仔細地觀察現象，及時地分析結果之外，別無任何良策!
ZT
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