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主题: 深奥的理论VS简单的实验 & 精密的科学VS粗糙的工艺
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作者 深奥的理论VS简单的实验 & 精密的科学VS粗糙的工艺   
断章师爷
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加入时间: 2009/08/25
文章: 615

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文章标题: 深奥的理论VS简单的实验 & 精密的科学VS粗糙的工艺 (961 reads)      时间: 2010-4-24 周六, 上午8:07

作者:断章师爷驴鸣镇 发贴, 来自 http://www.hjclub.org

深奥的理论VS简单的实验 & 精密的科学VS粗糙的工艺
断章师爷

前几天在“我要注册”先生的帖子后面,我跟了一帖表示:“‘客观世界实在太复杂,科学不是万能的’ 我要注册先生的这句话,深得吾心。” 。小衲先生在我的帖子后面又追了一帖,指出:“这话是芦笛网友说的”。今天看到芦笛先生的原话是“大千世界确实极度复杂,科学是有限的,但科学仍然是人类认识它的唯一手段,理性之外无认识,科学之外无手段。”。不觉挠到了痒处,也想写篇文字纾解心中的磈磊。不妥之处,尚望众多网友指正。

还在小学念书时,就听班主任老师说过科学家伟大的故事。当时她带了一张报纸到课堂里来,那上面是“大救星”和一位长相清秀的中年人坐在十分考究的桌边一同进餐的照片。老师说他叫钱学森,是一位了不得的大科学家。不久的一次命题作文“我的志愿”,几乎一半以上的同学都表示长大后要成为“科学家”。其实那时候我们连什么叫科学都不知道(现在回想起来“大救星”对于科学的理解同当时的我们大概也就在50步和100步之间)。

上中学时,我们的校长本人是数学一级教师,全国中等数学教材的编写组成员。几乎全体学子都奉“学好数理化,走遍天下都不怕”为信条。高中毕业填写志愿时都选择了第一类(理工),只有成绩差的同学才报考第二类(医农)和第三类(文史)。

我进的是工科大学,有一位副校长是全国闻名的冶金专家。他在新生入学周时给我们做报告,介绍学校的培养目标是又红又专的工程师,而没有提及科学家。我不觉想到这与自己从小的志愿似乎不符,随即联想到那位了不得的大科学家当年念的也是铁道机械工程,心里也就渐渐平静下来。

记得65年三秋支农,一位姓丘的副教授随同我们班级一起下乡。一次田间闲聊时,他说:“一个国家要先进发达,取决于两个方面:一是工艺,二是材料。”这话我牢牢铭记了将近半个世纪,至今还认为是一句至理名言。

十年浩劫刚过,我回沪念硕士,正逢上“科学的春天”那阵热潮。先是徐迟先生那篇散文《哥德巴赫猜想》出来,当时几乎全国所有的学子都向往成为陈景润那样的大数学家。接着是钱学森先生在一次全国范围的大会上的讲话,强调了基础科学的重要性。他以自己编撰的那本《物理力学讲义》为例,说今后的科学研究要步入一个新的时期,所有的先进学科都应该先通过计算建立模型,再通过实验进行验证,然后即可推广应用到工业生产中去了。结果是连生物系、地质系的研究生也都要学习数学和物理学。我最近看到一篇报导,提及大庆油田的发现者,官方的排名顺序是:李四光、黄汲清、谢家荣。而黄汲清先生晚年则撰文指出:“大庆油田的发现与李四光的地质力学理论毫无关系。谢家荣(57年被打成右派)才是注意到在华北和东北平原上找油的第一位地质学家”。其实,钱学森先生的这番讲话在私底下遭到了各行各业的专家和学者的非议。

一个国家要赶超世界先进水平,并不需要那么多富于才华的科学家,更其需要的倒是大批脚踏实地的工程技术人员。下面想就我干的材料行业,谈谈理论和实验以及科学和工艺之间的关系。这儿,我不想做严密的论证,只想介绍几个具体的实例。

(一)深奥的理论VS简单的实验
(1)粘弹性能
众所周知,力学性能是材料学科的一项非常重要的研究内容。凡是稍具力学知识的学生都知道,完全弹性材料的力学行为遵循简单的Hook定律;完全粘性材料的力学行为则可以用Newton粘性定律来描述。然而对于某些工程材料,例如混凝土、高分子、某些生物组织以及处于高速变形状态的金属材料来说,却具有完全不同的力学性能,我们称之为粘弹性(viscoelasticity)。对于粘弹性材料来说,一般的力学理论是不适用的,必须运用专门的粘弹性力学理论来处理。现在,粘弹性理论已是一门发展得相当成熟的新兴学科了,每一年全世界发表的粘弹性理论的文章完全可以用浩如烟海来形容。粘弹性理论通常可以分为线性和非线性两大部分。从原理上来说,利用本构方程、运动方程、几何方程、边界条件以及初始条件,可找到线性粘弹性边值问题的解。至于非线性粘弹性材料的力学行为就复杂得多了,光是本构关系就有重积分型、单积分型和幂律型等。除了极少的几个单积分型本构关系可以求出边值之外,几乎所有其它类型的本构关系都只能得到近似解或数值解。

在电脑和各种计算程序普及的今天,一般程度不太差的学生都会求近似解或数值解。倘若以为只要掌握了上述粘弹性力学的科学理论和电脑数值程序的科学方法,就可以顺理成章地预测粘弹性材料的力学性质的话,那就大错特错了。事实上,所有工程材料的各项静态粘弹性力学指标都是根据国际材料学会通用的标准手段在万能力学试验机上测试出来的;此外各项动态的特征数值,例如应力松弛和蠕变曲线等也毫无例外都是使用简单的实验手段(例如Viscoelasticity analyzer vesmeter或者 rheometer等)测试出来的。绝对不是使用高深的理论方法计算出来的!

(2) 玻璃态转化温度
玻璃态转化温度Tg 是指粘弹性材料在玻璃态和弹性态之间相互转化的温度。从现象上看玻璃态转化具有二级热力学相变的特征。所谓相变是指系统中不同相之间的相互转变,其本质可以看成是有序和无序两种倾向竞争的结果。过去的相变理论建立在热力学基础上,一级相变的定义是Gibbs自由能具有连续性,而其一阶导数不具有连续性的转变。二级相变即在转变温度下,自由能的一阶导数连续,二阶导数呈现突变。早在上世纪30年代Landau概括了平均场理论的实质,用序参量的幂级数展开来表示临界点附近的自由能,提出了二级相变的唯象理论。 L.P.Kadanoff 和K.G.Wilson等人在上世纪后半叶将重整化群的方法用于二级相变。重整化群的概念起源于量子场论,为了解决场发散的问题,发展出了重整化的方法来剪除无穷大。表示剪除点变化的变换称为重整化群变换。多次的重整化群变换可以达到某种非稳定的不动点,对应的现象就是相变。由这种非稳定不动点满足的方程可以求出临界参数。K.G.Wilson因此获得1982年诺贝尔物理学奖。

但是,玻璃态转变并不是真正的热力学二级转变。粘弹性材料实际上处于一种亚稳定态,尽管从热力学理论上来看迟早要达到平衡。但是粘弹性材料的分子尺度大,所以很难达到热力学平衡态,也就是出现了松弛现象。所以威力无穷的重整化群理论在解释玻璃态转化温度这样一个材料学科中的参数时却往往显得束手缚脚。使用上述高深的理论估算出来的玻璃态转化温度数值其实只有在写论文时才有意义。具有工程应用价值的玻璃态转化温度只能用实验手段测试出来。使用的仪器其实相当普通,就是差示扫描量热仪(DSC),甚至更加简单的膨胀仪。

(二) 精密的科学VS粗糙的工艺
(1)粘弹性材料
上面介绍了粘弹性材料的宏观力学理论,下面再介绍粘弹性材料的微观分子理论。从物质的结构着手解决其物理性能,无疑是一条大方向永远准确的金光大道。现有的理论研究已经从早期的现象学模仿上升到微观的分子理论研究层面。现象学研究是利用Hook弹簧和Newton粘壶作为基元,通过各种串联(Maxwell模型),并联(Kelvin-Voigt模型)以及与时间-温度等效原理结合的各种形式繁复的广谱组合来逼近粘弹性材料的各种力学性质。在现象学研究的基础上,又发展出粘弹性的分子理论。从早期的静态结构到晚近的动态行为,由于几位里程碑式的学术大家的加入,已经形成为一门很具规格的学科了。上世纪的40到50年代,最杰出的贡献是康奈尔的J.P.Flory, 他利用统计力学方法系统地建立了大分子物质的结构理论,结果荣膺了1974年的诺贝尔化学奖。上世纪60到90年代,主要由剑桥的S.F.Edwards 和巴黎的P.G.de Genns,奠定了粘弹性材料动态行为的分子理论,后者因此获得了1991年度的诺贝尔物理学奖。

(2)超导材料
1911年,荷兰的H.K.Onnes发现,汞在4.2开氏度时,其电阻会突然消失。他称之为超导电性,并因此获得1913年诺贝尔物理学奖。J.Bardeen L.N.Cooper 和J.R.Schrieffer提出,超导体中存在着电子对,这些电子对可以平稳地通过由失去部分电子的原子所组成的通道,不会引起原子振动,即为超导现象。因此他们三人获得1972年的诺贝尔物理学奖。V.L.Ginzburg同Landau在二级相变理论的基础上提出了一个描述超导现象的模型(Ginzburg-Landau方程)。在这个模型的基础上,A.Abrikosov在1957年对II型超导体的特性做出了理论上的解释。为了表彰这个模型在超导理论研究中的突出贡献,2003年的诺贝尔物理学奖授予了这两位科学家以及A.J.Leggett(以表彰他对超流理论的贡献)。

看起来,按照上述Flory、Edwards和de Genns等建立的粘弹性微观理论就可以提供开发新型粘弹性材料的分子参数了。至于根据Ginzburg-Landau方程、BSC模型以及Abrikosov解释,自然也就可以预期出超导材料的性能了。其实,这完全是大谬不然的想当然。(网络上有中文资料介绍说Flory是尼龙66问世的主要功臣,这纯粹是好事者编的佳话。尼龙66完全是由杜邦公司的工程技术人员开发出来的,与Flory的缩聚反应动力学理论毫不相干。)

无论哪个材料工业集团的老总都清醒地知道要维持产品的竞争力,企业的研究中心聘用的主要是实践经验丰富的工程师,包括从事合成工艺、加工工艺、烧结工艺、岩相工艺、结晶工艺的工程技术人员;而不是科学知识渊博的学者,例如专事力学分析、量子研究、数学处理、物理模型的专家学者。这些令人眼花撩乱的科学理论对于材料的开发就象“大救星”的雄文四卷之于中国革命,绝对只有高瞻远瞩的指导意义,却没有具体参考的应用价值。我可以很负责任地告诉诸位,没有一种科学理论可以象求解一元二次方程的根那样将材料的性质预测出来。

倘若,哪位材料学科的研究生不想毕业立即陷入失业困境的话,那我奉劝他(她)在做论文时无论如何要选择一个具有实用价值的题目。如果要对某种材料有比较深入的了解和累积一定经验的话,除了从早到晚地泡在实验室里,反复地筛选配方,忠实地测定数据,仔细地观察现象,及时地分析结果之外,别无任何良策!

作者:断章师爷驴鸣镇 发贴, 来自 http://www.hjclub.org


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