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《航空航天科技与工程》通识讲座:二问科学有什么用?
2018-12-01 21:22

  继而通过回顾航空航天科学的创立与发展,进一步领悟科学的重要性,并树立航空航天科学基础的初步认知。

  开宗明义,科学是什么?科学就是分科而立的学问,是指将各种知识通过分类研究而形成的知识体系;也可指人类按照学科分类,开展研究,以获取知识和创造知识的活动。前苏联《哲学百科全书》认为科学是“精神文化的高级形式,是不断发展的各种知识体系” 。《简明不列颠百科全书》主张,科学是“由人类的想象力构造出来的广阔领域的系统性概念化结构” 。按其本质,科学乃是体系化、结构化的知识。

  从古代直到19世纪,作为知识的科学同哲学密切相联。人类区别于动物的最本质特征之一,就是善于思考。人类对世界的思考所产生的思想与观点,即为哲学。世界包括自然世界、人类社会和人的本身,相应地,哲学思考和哲学思想也包括自然哲学和社会哲学。自然哲学包括自然界和人的关系、人造自然和原生自然的关系、自然界的最基本规律等。

  在西方,“自然哲学”(Natural Philosophy)曾经包含了与今日科学有关的众多研究领域,如天文学、物理学等。古代中国人、印度人和希腊人以及一批伊斯兰先哲,也分别在不同时段提出过对宇宙、自然和物质世界的哲学认知,如水火木金土分类,如对空气和地球的认识等。

  在科学的发展进程中,逐渐兴起用实验观察方法来认识世界,以可测试的解释和预测的形式构建与组织知识体系。从中国老子(公元前570~471年)的朴素辩证法、亚里士多德(古希腊,公元前384~322年)的形式逻辑三段论和思辨的传统自然观,逐渐发展到“普遍的真理可以通过推理和归纳而得知”、强调“实验和不同程度的量化”,直到达成科学研究的一般性原则。培根(英,1561~1626年)、伽利略(意,1564~1642年)、笛卡尔(法,1596~1650年)、牛顿(英,1643~1727年)等为近代科学及其方法的创建做出了重要贡献。

  科学的概念与活动越来越多地与科学方法相联系,“科学”的内涵在悄然缩小范围,逐渐狭义化,成为自然科学的代名词。“自然科学”指人类研究物质世界的全部理论与方法。《中国大百科全书》对其定义为:研究无机自然界和包括人的生物属性在内的有机自然界的各门科学的总称。

  按照研究成果的属性,自然科学又分为基础科学(Basic Science)和应用科学(Applied Sciences)两大类。基础科学也被视为纯科学,主要包括天文学、地球科学、生物学、物理学、化学等基础学科,以及由基础学科发展出的交叉、边缘学科。

  现代科学虽把数学归入形式科学,但丝毫不说明数学不重要。恰恰相反,数学也是一门基础学科,且十分重要。在我们经常提及的“基础研究”中,就突破了狭义科学的定义,而将数学以及数学的分支和边缘学科,也视为基础研究的内容。基础科学有时被简称为“天、地、生、数、理、化”,即源于此。

  由美国兴起、现风靡全球、中国中小学也在大力推行的STEAM教育,将科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、艺术(Arts)和数学(Mathematics)五者相融合而开展。其中,将数学与科学、技术、工程和艺术而并列,足见其重要性,也可从另一角度说明它非依赖于自然科学和社会科学的独立性。

  由传统基础学科不断衍生发展出来的交叉、边缘学科,造就基础研究日益活跃的局面,也成为培育和促进原始创新的丰厚土壤。如作为物理学分支与边缘的粒子物理学、凝聚态物理学、光学、广义相对论、场论、量子力学等;化学中的分析化学、物理化学、结构化学、高分子化学等;生物学里的细胞生物学、生物化学、分子生物学、生态学、遗传学等;天文学中的宇宙学、宇宙起源学、天星学、射电天文学、太阳系学等;地球科学中的大气物理学、大地测量学、水文学、海洋学、土地学、空间科学等。

  把基础理论转化为实际运用的科学,被称为应用科学。其研究的方向性强,目的性明确,与实践活动的关系密切,直接体现人的需求,但仍保留科学的基本属性,即不与具体的应用相捆绑。应用科学的主要内容是工程科学(包括力学,运动学,电磁学,工程物理学、设计学、制造学、材料学等)和医学科学(如医学微生物学、临床病毒学、生物医学等)及其他门类。

  让人兴奋、又时有迷茫的一个现象是,人类在现代科学的发展进程中,获得的科学知识在井喷式增长,但同时不可知的、提出前所未有挑战的难题也比任何历史时期都全面而尖锐。当然,过去这些问题也都在事实上存在,但人类从没有像今天这样强烈地察觉到,并急切地想要破解。于是,自然哲学再次引起人们的关注。

  在人们把科学狭义化之后,现代科学研究遭遇实证方法论的“天花板”。现代物理的许多前沿理论、宇宙起源和大爆炸理论、人类的起源和生物进化等重大科学难题,无法用实证法获得新知,而是一再由自然哲学引领研究。常常是自然哲学的思辨在前,各种模型的建立和有关的理论计算在后。一旦能够对自然现象做出令人信服的解释,或得到了观测实证,则可视为自然科学的新突破了。

  现在,让我们回到“科学有用吗”这个提问。回答是,当然有用,而且是重大的作用。但有时候,人们察觉不到它的作用。而如果过分强调实用性,许多科学的原理则无从被发现。这似乎是一个自相矛盾的回答,但请注意,”作用“不等同于”实用性“,而科学的作用要远比实用性大得多。

  的科学研究中有许多线年代发表的、以“无用知识的有用性”为题的文章里,阐述了强调科学研究和自由探索重要性的观点。

  他力邀爱因斯坦加入研究院,开展研究工作,给他开出远超爱因斯坦本人期望的薪酬。在面对人们对爱因斯坦研究实用性的质疑时,他说道:在爱因斯坦诞生前100年,他的同乡高斯(Gauss)发明了非欧几何学,......在长达四分之一世纪的时间里,高斯无法发表任何相关研究成果,因为当时人们认为它们“没有用”。可是今天,全世界都知道,如果没有高斯当年在哥廷根的研究,相对论及其丰富的实用价值恐怕全都是泡影。

  他还举出奠定无线电理论基础、为此后的一系列无线电发明默默铺好台阶的克拉克·麦克斯韦(Clerk Maxwell)作例证。 正是麦克斯韦对电磁场的研究,以及凝聚在1873年出版的专著中的那些经典结论和方程式,开启了无线电时代。至今,电子专业的学生还需要学习和掌握诸如麦克斯韦方程这样的科学基础知识。

  高斯、麦克斯韦、爱因斯坦,以及我们前面提到的培根、伽利略、笛卡尔、牛顿等科学巨匠,并不关心自己的研究有何“用处”,也从未发明过任何具体的产品,但他们“无用”的研究与发现,却成为各自领域伟大发明及实用技术的理论基础。纵观整个科学史,绝大多数最终被证明对人类有益的、真正伟大的科学发现都出自这样的科学家,源于他们非凡的兴趣和为破解难题的执着钻研。

  越是较少地偏向直接应用方面的功利性考量,纯粹受好奇心驱动的研究越有可能产生重大发现,产生惊世的伟大贡献。似乎,我们身边的很多人不太认可这样的认识,但为着民族创新发展的未来,到了静下心来,认真思索,心悦诚服地接受这个观点的时候了。

  在把目光转向航空航天领域的时候,我们发现,展示出同样的现象。一项又一项似乎无用的科学发现,垒建成现代航空航天大厦的基石,在此基础上,宏伟的建筑终于露出地表,并日臻壮观。

  古希腊哲学家、数学家、物理学家阿基米德,在诸多领域为人类文明做出伟大贡献,他的《论浮体》是世界上第一部流体静力学专著,阿基米德原理揭示了流体的浮力规律,成为千年之后出现的各色浮空器的理论基础。

  意大利文艺复兴巨匠达·芬奇,通过观察和分析鸟类翅膀的运动,写下科学文献《论鸟的飞行》,他还绘制了大量的飞行器草图。

  1738年,瑞士物理学家、数学家丹尼尔∙伯努利出版《流体动力学》,提出著名的“伯努利方程”,揭示了“流速增加、压强降低”的伯努利原理,奠定了流体动力学的基础。就此,也为百余年后出现的现代飞机的升力之源的诠释做好了科学准备。

  但阿基米德和伯努利的发现,并未自然地产生航空应用科学与实用技术。流体静力学并未直接催生浮空器,流体动力学也并未立即促成飞机的出现。达∙芬奇的研究成果在19世纪后期才被发现,也没有对航空发展产生实际影响。直到1809年,英国乔治∙凯利发表《论空中飞行》,这一切才得以改变,现代航空学就此诞生。

  基于空气动力学的一般原理,乔治∙凯利对空气的阻力与升力进行了定量研究,他利用自己设计和制造的装置,研究得出了关于升力和速度间的关系。他勾勒出了现代飞机的轮廓,指出飞行器应有垂直舵面和水平舵面,对其操纵性、安全性和稳定性做出了分析。他的“现代飞机不应模仿鸟类振翼、而应采取固定翼加推进器模式”的论断,振聋发聩,使长期以来陷入仿鸟飞行迷阵的人们茅塞顿开。说凯利的科学理论,拨正现代航空的船头、开启了现代航空纪元,绝非夸张。

  一个真正的航空时代到来了,乔治∙凯利成为公认的航空科学之父。此后,在凯利科学思想的指引下,又经过近百年的发展,才有了1903年莱特兄弟的世界首例载人、有动力、可控飞行的成功。

  航天领域呈现独立发展的形态稍晚于航空。其最重要的科学基础是火箭推进原理。不同于航空器,要借助大气,获得升力,以维持飞行,航天器在达到一定高度后,将要遵循轨道运行原理。而要达到足够的高度,必须获得足够高的速度,以摆脱引力。获得第一、第二、第三宇宙速度的飞行器,才可能绕地球轨道飞行、绕太阳飞行和冲出太阳系飞行。

  在回答“如何获得高速”这个对于航天带有根本性的科学问题中,俄罗斯的齐奥尔可夫斯基(Konstantin E.Tsiolkovsky.1857-1935)和法国人埃斯诺∙贝尔特利 (Robert Esnault-Peltrie,1881-1957)各自进行了独立研究,做出了奠基性贡献。齐奥尔可夫斯基在1898年完成、1903年发表论文《利用喷气工具研究宇宙空间》,指出,必须依靠火箭这一反作用机械飞离地球,并给出了火箭运动的基本公式。埃斯诺∙贝尔特利1912年发表论文《关于无限减轻发动机重量的可能性的结果的思考》。二人还分别导出了第一宇宙速度和第二宇宙速度。

  航空航天的本源是一致的,都以满足人类离开地面的愿望而生,故有共同的科学基础,最重要的基础是力学。力学又称经典力学,是研究通常尺寸的物体在受力下的形变,以及速度远低于光速的运动过程的一门自然科学;主要研究能量和力以及它们与固体、液体及气体的平衡、变形或运动的关系。力学源于物理学,随着弹性力学和流体力学基本方程的建立,逐渐从物理学中脱离而成独立学科,反成为物理学以及天文学和诸多工程学的基础。

  英文中,力学为Mechanics,以”机械“为词根。这是由于机械运动是物质运动的基本形式,机械运动即力学运动,指物质在时间、空间中的位置变化,包括移动、转动、流动、变形、振动、波动、扩散等;而平衡或静止,是其中的特殊情况。力是物质间的一种相互作用,机械运动状态的变化是由这种相互作用引起的。静止和运动状态不变,则意味着各作用力在某种意义上的平衡。因此,力学可以说是力和(机械)运动的科学。

  力学可分为静力学、运动学和动力学三部分。静力学研究力的平衡或物体的静止问题;运动学研究物体运动的形式与规律;动力学讨论物体运动和所受力的关系。在工科类高校中设置的理论力学专业,是涵盖这三方面内容的一门基础学科,主要研究对象为简单物体,包括质点、质点系、刚体和刚体系;通过对这些简单物体的受力分析,学习静力平衡、力的合成与分解、坐标系、能量方程等力学基本知识。

  不管飞行器如何发展,其本质是机械装置,飞行的本质则是机械运动,其运动规律符合经典力学原理。飞行器设计必须以经典力学为基本依据,声障、热障等重大航空航天现象的解释与解决也离不开力学。当然,随着力学的不断发展,和对物质运动的深入研究,其它形式的物质运动,如热运动、电磁运动、原子及其内部的运动和化学运动等,日渐受到重视,而其中大部分也与航空航天密切相关。

  从另一维度,力学又可分为固体力学、流体力学和一般力学三个分支。在研究领域划分或专业设置时,涉及力学颇多,但多能归入这三大分支。其中,属固体力学的结构力学、材料力学和弹性力学,属流体力学的空气动力学,属一般力学的分析力学、振动力学、刚体动力学等,与航空航天的关系尤为密切。此外,热(动)力学、材料学、电子学、信息学、控制论、系统工程学等,也是航空航天科学基础的重要组成。

  不少学校开设有工程力学专业,其专业特点是面向不同领域的工程需要,常被作为专业基础课程。主要内容有:理论力学中的静力学、材料力学和结构力学的主要内容;按照这些内容的内在连续性和相关性,从理论分析、数值计算和实验研究三方面及其综合运用,组合而成具有不同工程特点的力学基础知识体系。

  在航空航天领域所使用的“飞行力学”称谓,具有特定的含义。飞行力学专门研究飞行器在飞行时的受力情况,研究保持所需飞行姿态、调整飞行状态与飞行轨迹的理论与分析方法;主要内容是飞行过程中的受力分析,和对飞行控制的专门化研究,可视为空气动力学的特定深化应用研究,

  下图展示航空航天主要科学基础,上半部分是共同需要的科学基础。下半部分是航天独有的科学基础。

  至此,我们大体看到了科学的作用,科学不特定于某一具体的产品开发,科学也不会自然地导引出实用技术,但科学揭示规律,科学指明道路。科学从基础研究开始,经过持续积累,逐渐形成体系。那些学科学、懂科学的聪明人,将会在某一时刻,迸发出创意与灵感,产生新技术的突破,也终于可以研发出一个又一个造福人类的新产品。

  在我们充分肯定科学的作用的同时,区分科学、非科学与伪科学,解决理论与观察之间一致性的问题,也比任何时候都显得突出与急切。在科学史上,科学与非科学的界线从来不是清晰可辨的,出于政治和偏狭的宗教信仰等原因,或以威权者个人的认知与好恶,轻易判定科学的是非与真伪,造成惨重的损失,甚至逼迫科学先贤以生命殉道,此类教训比比皆是。

  面对我们当前基础研究薄弱、原始创新乏力的现状,需要从深入思考科学的本性、科学的本源、科学的特质出发,营造宽容而富有活力的创新氛围,充分尊重从事基础研究的科学家和科学工作者,对尚无法理解的基础研究,不能轻易斥为“伪科学”。但同时,科学具有逻辑性和连贯性,拥有实证特征,科学的方法论也大体明晰,假大空的科学骗局虽时有出现,但终究没有市场。随着全民科学素养的不断提高,科学精神与民主自由精神融为一体,全社会尊重科学和科学家蔚然成风,充分认识科学的作用,正确识别科学成果的价值,也将成水到渠成之势。

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