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版主:黑木崖
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將科學與技術割裂開來的人未必壞,但絕對蠢
送交者:  2025年10月25日05:29:40 於 [世界軍事論壇] 發送悄悄話

將科學與技術割裂開來的人未必壞,但絕對蠢

不斷有人試圖割裂科學與技術,鼓吹“科學研究不推動生產力發展”和“科學無用論”。這些人未必壞,但肯定蠢。他們根本不懂科學與技術的關係。

簡單粗暴地說,科學由知識引導,重點在與從已知發現未知,但盈利從來不是目的;技術由產品引導,重點在於從給定要求產出有用產品,這裡產品包括一般意義上的工商產品,也包括建築、土木等工程項目,所以工程和技術有時也合稱工程技術,甚至可以將工程(engineering)與技術(technology)混用。

技術肯定是推動生產力發展的,否則根本沒有準生證。但技術發展由科學指導、科學探索結合了技術需求的推動,這是工業革命(尤其是以內燃機、化工、電力為代表的第二次工業革命)後才開始的,這樣的互動是工業革命後人類文明加速發展的基礎。

歐幾里德在寫《幾何原本》的時候,未必想過這能用到哪裡。牛頓在寫《自然哲學的數學原理》的時候,也是一樣。如今小木匠在劃線下料前,會用幾何原理算一算,而不是切割後拼起來再說,吻合不上再接着切割調整。船長把大船靠岸時,也根據慣性調整速度和操舵,實際上暗含了微分方程的道理。

德國物理學家魯道夫·克勞修斯在1850年提出熱力學第二定律的“克勞修斯表述”(“不可能使熱從低溫物體傳到高溫物體而不產生其他影響”)的時候,未必想過這有什麼用。英國物理學家威廉·湯姆森(開爾文勳爵)在1851年提出等效的“開爾文表述”(“不可能從單一熱源中,通過一個循環過程,使之產生淨功”。 )的時候也一樣。

但熱力學第二定律決定了不可能有永動機,而不管構思如何精妙,不管工藝如何精密。 可巧,歷史上嘗試永動機的人不少,至今依然有人聲稱突破了熱力學第二定律,但不管他們如何賭咒發誓,熱力學第二定律依然是顛簸不破的鐵律。

法國工程師尼古拉·卡諾在1824年發明卡諾循環時,比克勞修斯和開爾文發明熱力學第二定律還要早,但具有相似的意義。卡諾循環是熱效率的極限,任何發明創造都不可能突破這個極限。

在自控里,也有可控性和可觀察性的概念。一個系統如果不可控,不管用什麼控制律、多快的計算機,都不可能實現有效的控制,或者說把系統狀態從初始點有序地轉移到終點。一個系統如何不可觀察,不管用什麼、用多少傳感器,都不可能完整地觀察到系統的所有狀態的變化。

更加“喜聞樂見”的例子可能是恩斯特·馬赫在1887年發現的音速和激波現象。空氣中的壓力波以音速傳遞,物體運動速度低於音速時,壓力波的傳遞領先與物體的運動;物體運動速度高於音速時,壓力波“躲閃不及”,形成無形但堅硬的音障。這好比騎馬牧童闖進羊群,只要馬兒跑得比羊兒慢,養兒來得及四散逃開,馬兒並不遇到太大的阻力。羊兒逃開的速度就是音速。

但馬兒跑得太快的時候,羊兒逃散不及,反而形成一堵牆,這就是激波。激波的強度隨飛行物體的速度而增加,馬赫還給出了激波錐角度(後人稱之為馬赫角)的計算公式。然而,這是人類尚未發明飛機的年代,馬赫的激波實在是沒有什麼用,說他在搗鼓沒有實用價值的雕蟲小技不算有多刻薄。

但二戰末年人們開始衝擊音障的時候,還以為只要發動機出力更大,飛機總能推過音速。但在這時,人們發現了“馬赫俯衝”現象。也就是說,在飛機速度接近音速的時候,機頭突然下沉,然後俯衝越來越快、越來越深,根本無法改出。這時人們想起了激波,發現平尾固定面與後緣升降舵之間的縫隙引起的激波“屏蔽”了升降舵,使得最需要升降舵幫助飛機從“馬赫俯衝”中改平出來的時候,自己反而成了擺設。

與此同時,不斷加速的飛機也最終像撞上看不見的石牆一樣,速度上不去了。這是因為激波的理論密度是無窮大,阻力也相應提高到無窮大。阿道夫·布斯曼在三十年代發明了後掠翼,利用後掠角將超音速來流分解成沿機翼翼展方向的展向流動,和垂直於機翼前緣的法向流動,只有後者才產生升力,但速度已經降低到音速以下,阻力大大降低,超音速飛行成為可能。馬赫角則用來確定後掠翼的後掠角

在宇航時代,人們為航天器返回時的熱防護傷透腦筋,直到NASA的理查德·惠特康姆提出用激波形成隔熱層。返回器的巨大速度在前方形成強激波,推離返回器本體的激波形成的“虛擬石牆”代替返回器本身承受氣動加熱,緻密的激波鋒面正好用來傳熱,以後這成為返回器的基本熱防護設計,而且返回器返回時,平底向前,加強激波的形成和熱防護的效果,也產生減速作用。

這一切都起始於貌似無用的對音速和激波的研究。

在今天,也有很多科學研究受到技術研發中遇到的難題驅動,成果直接反饋到技術研發中。

米開朗琪羅設計羅馬的聖彼得大教堂時,缺乏科學指導,只有加料和堆安全係數來確保大穹頂的強度和安全,結果厚度竟然達到一米。如今有了力學的指導,相似的穹頂厚度可以大大降低,重量和成本都相應降低。這就是科學指導下的工程實踐的威力。

科學對技術的指導作用是現實存在的,“科學是生產力”所言不虛。但具體的科學原理能指引什麼樣的技術實踐,這在發現科學原理的時候未必知道。原子能起始於e=mc2,蘇聯物理學家彼得·烏菲姆采夫在發表《衍射物理理論中的邊緣波方法》的時候,沒有想到這成為隱身技術的理論基礎。但楊振寧的宇稱不守恆和楊-米爾斯理論具體有什麼用?恐怕楊振寧自己也說不清楚。但科學與技術依然是互動的,將其割裂是愚蠢的。


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