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科学上没有简单问题

已有 3893 次阅读 2015-4-14 17:48 |个人分类:生活点滴|系统分类:科研笔记

 

      我们非常习惯于以表象来区分工程问题的复杂程度,在大多数情况下这是对的。但是,在科学上,这却未必是对的。地球上的自由落体问题简单吗?简单,但是要在科学上回答它却是困难的。

      早期的比萨斜塔实验否定了大的物体落的快小的物体落的慢,从而证实落体的运动是由其质量决定而与大小无关;直到牛顿建立其力学理论,自由落体运动的科学问题才算是实际的解决了。但是,今天依然存在一个简单的问题:引力场的起源!表象上,我们还是面对简单的自由落体运动问题。

      所以表象上的简单,并不意味着科学意义上的简单!

      无论是多复杂的运动,科学的一般原则是先提炼出最基本的(也是表象上最简单的理想化运动)来构造理论的基本要素(定理)。然后借助于数学方程的重复应用定理,或综合应用一系列定理,来构造复杂表象问题的抽象数学物理方程描述。

      就对复杂表象的理论基本要素的分解(结构性的)而言,不同学者们的分解结构并没有很好的一致性。而对简单的表象,不同学者们的分解结构则有高度的一致性。因此,科学界有一个传统,尽可能用简单表象的物理事实来论述科学理论的基本要素(定理)。

      但是,一旦对复杂表象的运动,看起来不同的学者使用的都是经典理论,但是由于每个学者对问题本质的不同认识,每个人的结构性要素分解是不同的。有的学者给出的分解结构成功的解决了面对的复杂表象问题,而有的学者给出的分解结构则未能解决面对的问题。

抽象的看,这不应该啊!但是,现实如此!也就是说,对科学理论原理的在简单层面的把握,并不能保证学者能够解决面对的复杂表象问题。而这种用科学原理解决实际问题的能力的获的是非常困难的。这也就是说,对多数学者而言,经典理论的潜力并没有被完全开发出来!

要想开发传统科学理论的潜力,实践表明,基本的条件是:1)对理论基本概念的深刻理解,而这种理解往往是借助于高度抽象的理论来完成的。例如,上世纪50年代理性力学的抽象研究就解决了力学上的很多混乱的概念性问题,从而促进了力学的工程应用上的进步。2)应用基本定律来构造所研究问题的数理方程的能力。数理方程的精确性决定了解决问题的可靠性和正确性。但是,针对实际的复杂表象问题,为了得到工程上符合具体情况的解答,却必须在某几个构造环节上进行取舍,抛弃或限定某几个量,也就是合理化近似,或是假定某几个条件。这种先验性的条件的应用,或是假设的引入,是否符合客观物理真实决定了这个最终的分解结构能否表达真实的复杂表象。3)外加荷载(或外加场),或是引入的边界条件、初始条件的合理性。

4)以上3个要点间是否协调决定了是否有解。所以,一般的说,如果前3个条件满足,但是并不满足4)的协调性条件,则还是得不到正确得解。要想获得这种协调性,依然要求研究者对学科基本理论的深层次抽象把握,以及对实验(或经验性事实)的抽象领会的理解。

科学界在上世纪中叶的盲目自信“基本的科学理论已经建立,以后就是计算的问题了!”,在经过数字化革命后的近半个世纪的“计算科学”的实践结果是令学者们失望的!

数学上,学者们很容易的把问题封闭(数学上有解、而且解是唯一的)。但是,以上所说的1-4)条件恰恰是形式化的数学上的封闭所解决不了的。如果这4个条件不能同时得到满足,则虽然是数学上的封闭问题,要么给出的解不符合实际面临的问题,要么是求解极为困难(数学计算上不稳定)。

当学者们用学科的一套基本方程导出了一个对复杂表象的分解结构时,如果没能解决实际问题,他会如何想呢?一种态度是,放弃,把失败的原因归结为对复杂表象的分解结构的不正确(也就是承认自身对学科的深层概念没有把握好,或是数学功底不足);另一种态度是,怀疑所使用的经典理论的正确性,如果该学者还自认为自身是专家,则很容易的会对外界宣告,某某理论不能解决某某问题。

我国如果要成为科技强国,学界必须迈出的一步就是:用经典理论解决工程上形形式式的复杂表象问题。

历史经验告诉我们的是:1)借助于高度抽象的理论来深层次的把握基本概念和经典理论;2)切实提高应用基本定律来构造所研究问题的数理方程的能力;3)了解和把握对所研究问题的已有经验认识和实际情况,由现象到本质的完成抽象化;4)追求理论与实践的协调性。

这很难,但是,这能走向成功。

而另一条路是,基于对经典理论的认识(一般的说是浅层次的),构造一套数学计算模型(数学建模),用计算机算(研究算法),以计算结果做出结论。这条路简单、直接。这半个世纪以来,大量的学者把时间用在这方面,而少有学者把时间用在深化理论认识上(或是用在抽象层次批判性的使用经典理论上)。结果是,科研大军规模宏大,而工程上的、大量复杂问题的解决进程和程度令工程界非常的失望。

 




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