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关于first principle

这个词常常当作形容词来用，因为它是描述一个理论的特性的词。它也不具体跟什么量子力学相关，它是一个一般性的逻辑概念。Wikipedia有词条First principle，第一句话就很清楚：a first principle is a basic, foundational proposition or assumption that cannot be deduced from any other proposition or assumption.

在物理学中，first principle这个词也不仅仅是计算物理的概念。它可以用来形容任何一个理论模型是否符合上面这句话。但是，还原论的理想是无穷无尽的（休谟问题），一个理论模型是否first principle、它的foundation是否已经cannot be deduced from any other assumption，那也只能是个相对程度问题。这个词往往只是用于与“经验”（empirical）或者“唯象”（phenomenological）这两个词相对应，说明一个理论不是经验或唯象的。但是不是一定要“从量子力学出发”才叫first principle，这个是要看具体研究领域的。例如，有一个描述玻璃态物质的动态（dynamics）的理论模型叫做mode-coupling theory（MCT），它主要解决的问题是物质的动态，而他的出发点是物质的结构（structure）。简单地说，它是从静止结构出发，预测特定的运动。业界公认这个理论是first principle的，因为它需要的就是已知的力学，但并没有用量子力学。

说到这里就要区分一下“预测”和“模拟”。虽然我们已经知道了很多力学，但是大自然还是太复杂（复杂性complexity），因此我们还需要很多assumption才能建立更具体的理论模型解释各种细节。例如玻璃态物质的行为。这时，就可以有两种动作。

第一种（预测）就是我在已有力学的基础上提出尽可能少但仍然必要的额外的assumption或者approximation，建立一个理论模型，它也许是一组方程。这个模型的预测就是这组方程的解。这样的理论模型也许会被认为是first principle的，因为它额外的assumption很少。

另一种动作（模拟）是，我什么额外的assumption/approximation都不用，我不建立理论模型。我只基于最基本的力学，利用当今计算机强大的计算能力去让这个体系按照基本力学去演化。这样得到的结果，仍然是无法解释的，它相当于一次实验（概念上模拟simulation是实验的一种）。但是，不管怎么说，这个做法还是用到了基本力学（没办法什么力学都不用就让计算机去模拟），所以严格来说，这个动作仍然属于基本力学的预测，只不过不是通过解方程组而已。然而，跟第一种思想相比，第二种动作对额外assumption的容忍度就底得多。你不能再在基本力学上假设什么，否则人们就说你模拟的方法不够first principle。

所以，当我们使用或看到first principle这个词的时候，首先要知道它只能是个程度问题，然后要区分它到底形容的对象是什么动作，是形容一个理论模型，还是形容一种模拟实验的方法。

知乎：本来应该是怎样的？

原文地址：http://zhuanlan.zhihu.com/panta-rhei/19638353

知乎改版之后的个人时间线又改回系统推荐型了，于是我看到了一些“教育”话题的内容。有一个问答是大学出勤率低取消考试资格，合理么？思想非常混乱。

事实上，到现在为止，教师也就只有在985、211高校能够试着履行一些大学教育的理想。很多二本大学也许课堂教育确实烂。这本来是不正常的现象，却作为讨论问题的前提，所以很多学生的不去上课的理由其实就是一种“你不仁我不义”，也挺无赖，并非文化人所为，没什么值得理直气壮。

我发现我们现在的社会大多数人都不敢去提最本原的问题，不敢去提理想性的、原则性的问题。例如“大学应该是怎样的”、“什么是科学”、“为什么要这样做科研”等等。很多学校从学生入学到毕业都没做过这类教育。为什么呢？不是不知道，而是不敢说。因为所有大学校长都心知肚明，自己并非能自由地追逐大学教育的理想。在中国这样一个行政大国，大学不管它还能是别的什么，它首先已经是一个行政级别单位了，于是第一条就是要对上负责，若有什么自由的空间，那也是“戴着脚拷跳舞”。如果自己反正做不来，何苦多谈那些“普世价值”的理想？所以这类问题变成都少谈。同样的问题存在于当今社会的各个方面。你只能按照当前的政治风向谈点合适的，不能一下子追问到本源。一件事情想要名正言顺，最多只能求助于当前的政治buzzword，经不起再严格的推敲了。

我在这里无意涉及“教育行政化”之类的问题，在我看来，不是说现在大学有行政上的问题，就马上要批判“教育行政化”。当你知道这些常年被批判的事情的原因之后，你会转而关心一些其他的效应，而不再觉得批判本身是一件有用的事。

上述那不敢涉及理想本原的心态流行了不是一天两天了，造成现在很多一些其实没这么敏感的领域也都这样。大家好像发现，忽略宗旨和原则性问题，也能使日常事务大致有条不紊地进行。于是揣着明白能装糊涂就装糊涂，能继续摸石头就不过河，鸡贼得很。到了三十年后的今天，“猫论”成了一个很不好的论调。不再讨论动机、目标、宗旨、性质，黑猫白猫抓着老鼠就是好猫，造成我们在做法上就存在理念上的混乱。而很多大学生读完四年，也就只是根据自己的见闻感受去理解大学，说白了就是根据他们遭受到的本来理念就混乱的规章制度来理解大学。一些经常被提出的借口，实际上只是临时性地掩饰理念真空，却被大学生当作什么把柄。这些很ad hoc的借口转移了大家找出真正问题的注意力。这些年轻人学得很快，他们进入学生会和团委之后，也懂得用这种ad hoc借口了，我们的媒体、微博、各种评论，充斥着类似的这些ad hoc借口。整个社会都在这些ad hoc借口的哄骗下，要么相安无事，要么只能耍泼赖。这些ad hoc借口既经不起任何推敲，也解决不了真正的问题。真正解决问题的还是靠赖靠闹。大学生学得很快。

我甚至感觉国人从来没有真正的学会怎样树立理想。要么就是理念真空信仰缺失，要么就是会去追捧一些空想。理想是一个计划，是要一条条对照着想办法实现的。现实的不完美哪怕美国都存在，但人家非常清楚本来应该是怎样的，因此就会朝着确定的方向慢慢改善。我们总是“这事不好说得太细”，也形成不了什么共识，所以总是见机行事，过河抽板，雁过留名，领导一换届，就又变了。

我前段时间做了一个关于科学研究的简单介绍的PPT。由于科学研究是我的职业，我有这个能力去讲这个话题。我就敢于从“什么是科学”这种理想问题开始，去解释于是为什么科研必须这么做——然后我们实际的科研有多大程度是按理想去做的，那些没按理想做的部分，又是什么原因，目前大家有什么解决的办法，民科为什么是民科……等等。因为这是我的职业，我很早就想明白这些问题。身为这一职业的人，这种“行业基石”行问题我信手拈来是可以给年轻人做讲座的。这是我的professionalism。说极端一点，一个专业型社会，哪怕是个大街上扫地的，也必须professional到能上TED。我认为，各行各业的人都应该多想这一系列问题。尤其重要的是先要思考“本来应该是怎样的”，然后去评判现实有哪些还不完美，原因是什么，解决之道是什么，自己能做些什么。无论是哪个行业的，都要自觉地去做一个“内行人”，讲“内行人”才能讲得出的insight。而不是满足于用那些ad hoc借口来糊弄外行人。而我作为一个公民，最大的希望就是治国者在谈他的政策之前，能够先告诉我“一个国家本来应该是怎样的”，在此纲领下才再去谈于是乎所提出的政策都针对哪些不理想而制订的。不能说今天要提倡什么就大搞什么学习，明天又提倡什么。所提倡的这些东西又是永远正确的，那昨天为什么就没提倡？

当然，要有这样的国家，必须我们的国民先成为这样的国民。我已经尽我的专业能力，给我的学生介绍了一场，希望能告诉他们一个信念：做事完全可以勇于根据这件事本原的理想来设计，却又不用耻于屈从于现实，但必须十分清楚理想是什么，现实又是什么原因。具体到大学课堂出勤这件事，先不管学生缺勤老师有没有责任这种具体是非问题。先问一句：大学课堂本来应该怎样，你清楚吗？为什么应该这样？懂这么想才是社国的未来希望。

软物质的教与研

Soft Matter 期刊去年组织了一个关于软物质教学的 collection。其中，Lubensky 的文章 Reflections on graduate education in soft matter 十分中肯和全面，里面有很多观点跟我自己平时思考的很接近。或者说，文章有很多非常形象的描述，把我原本的认识具象化了。

关于“软物质”这个名号的广泛使用

现在大家都能粗略地判断什么研究可以算入软物质研究，可以“冠以”这个名号。越来越多的研究单位都打着软物质的旗号，用文章的话说，

Institutions and individual scientists around the world have formed centers of varying types devoted to soft matter. Over 90 groups around the world have self-identified as soft matter in the informal database on the softmatter.org website run by Linda Hirst of UC Merced, and the Wikipedia entry on soft matter lists over 30 multi-investigator froups and 20 single-investigator groups in soft mater. These figures clearly underestimate the total.

据我所知我国的情况也相似，高校和科学院所争相组建冠以“软物质”的重点实验室或研究中心，我能够搜索到的就有以下这些（排名不分先后）：

软物质研究的内容包括什么

“软物质”这个词，从字面上讲是一类实验体系，一类物质。各种定义的主语都是某种物质。但从实际研究范围来讲，它应该还包括一些现象、性质，哪怕这些发生这些现象和具有这些性质的物质并不“软”。用文章的话说就是 it is also about the (often nonequilibrium) phenomena associated with them, such as the wetting of a surface by a fluid, the deformation of a water droplet as it emerges from a faucet, the aging of a glass, or the swimming of a bacterium。说白了，就是整个 Lagmuir 期刊或Journal of Chemical Physics 期刊的内容都能叫软物质。我私下觉得把“软物质科学”称为“厨房中的物理化学”也可以。

软物质概念为什么形成，为什么火

追根溯源，就是有一位能力非常高的物理学家叫de Gennes，他恰好对几个方面的现象感兴趣，他一个人就在高分子、胶体、界面等几个领域都描画了十分基础的理论框架，作出了承上启下的贡献，于是这几个领域就被捆在了一起。事实上这些领域各自都是存在已久的，被归为“软物质”之后也没什么范式上的转变。很多研究如果有人得了诺贝尔奖，那这个领域就会从原本某些人的个人兴趣变成各国从政策上鼓励的大项目。de Genens获得了诺贝尔奖之后的事情发展也不例外。到今天，这个名号已经变成了这么多研究机构了。这些机构往往都成立没几年，许多还在招聘。这说明，将来“软物质”还将需要更多人，也需要更多的funding，因此才会谈到“软物质”的教学问题。从传统凝聚态物理背景走出来的，却去从事软物质研究的毕业生仍然是少数，当然与上述的现状是不相匹配的。

其实，基础研究，说重要都重要，说不重要都不重要。在目前科研职业化、全球化的态势下，什么东西火、什么时候火、火多长时间，无论是一人还是一国都难以主导或预测。但是，在热门的研究领域竞争，比起做冷门的研究，更加容易获得发展（包括硬件、软件和人才）则是事实。因此，funding机构在这个问题上难免总是“跟红顶白”。从“软物质”这个概念刚刚普及那时，相信就有不少人冷眼相待。胶体界面化学，曾经是“夕阳”味很浓的领域，“软物质”概念的提出令其获得新生。然而在后来的“软物质”时代，这个领域也并没有发生什么范式层面转变，常识还是那些常识，难题还是那些难题。“软物质”这个名号带来的仅仅是期刊种类、文章数量和引用率的增加。在这个 publish or perish 的时代，一个火起来的研究热点往往都是这种情况。文章作者也说：I believe that the future of soft matter science is bright, though it is subject to the same uncertainties of funding that besets most of science today。

持续研究的重要性

我认为，作为研究者个人需要更加清醒。为一个长期存在的科学问题而持续研究，才是一个科研工作者职业生涯安身立命的长远考虑。这对于有志于做科研的研究生来说，意味着他必须把重点放在基础理论和基础技能的提高上。文章中有这样一段话，简明扼要地概括了进行“软物质”研究的要求：

Research in soft matter, as in hard matter, can generally be divided into experiment, theory and simulation, and ideally students should be familiar with but not practitioners of all three. Theorists should know of different experimental techniques, from X-ray scattering to confocal microscopy to microrheology, and what information can be gained from them, just as experimentalist should have sufficient understanding of at least the rudiments of the theory underlying their experiments. Both theorists and experimentalists should have a sense of what information modern simulation can produce and where its limits are, just as simulators should be familiar enough with experiment and formal theory to know where their contributions will be the greatest.

一个从交叉性、即时性很强的研究组中成长起来的博士，假如他自己不注意加强基础理论和技能，在独立进行科研的起初，也许能受益于他所熟悉的领域仍然热门而吃几年老本。但当这个领域不再热门——说白了就是好做的都被做光了，他一来缺乏去啃剩下的硬骨头的理论素养，二来也缺乏提出新问题的理论积累，很容易被边缘化。当然，最简单的做法是每当这种时候，就再找一个热门的领域，五年一小换，十年一大换。这也确实是很多成功人士的经验，但恕我直言这也是中国出不了大师、诺奖的原因之一。任何研究方向，都不可能只有简单问题，而不存在几个难啃的硬骨头；一个科研工作者，到他退休的时候，虽说不一定要攀比奖项，但如果没啃下过几个硬骨头，如果都是在挑软杮子捏，如果没几篇别人很难绕过去的工作，那也无法获得自豪的满足感。总之，无论是从个人理想的实现，还是整个国家科研人才的培养来看，我们都需要支持啃硬骨头的项目和人员。

这种资助的由头不能还是诸如“XXX研究很热门”、“ESI显示文章数和引用数逐年上涨”、“是我国占领国际科研领导地位的重要机会”之类的“识时势者为英雄”式的说辞。“硬骨头”的特点就是相关文章数量和引用数连年不见明显增长，纯数字说明不了问题，只能从内行人的角度去论述具体科学问题的难点和在整个领域发展中的位置。难点问题也往往需要长时间的持续研究。

去年3月份 Nature 上一篇题为 Slow Science 的文章，介绍了几个研究时间特别长的实验。其中，流变学经典的 pitch drop experiment 榜上有名。早在1990年就有学者提倡 slow science（E. Garfield 1990）。2011年左右，德国还有学者搞了一个 Slow Science Manifesto（挺有当年《共产党宣言》的味道，也是在德国）。里面有一段话倒是很真确：

Science needs time to read, and time to fail. Science does not always know what it might be at right now. Science develops unsteadi­ly, with jerky moves and un­predict­able leaps forward—at the same time, however, it creeps about on a very slow time scale, for which there must be room and to which justice must be done.

然而，也有人提出，至少对于发展中国家，提倡 slow science 是不合时宜的。

对于一个有能力的研究人员，slow science 和 fast science 可能并不矛盾。他可以通过不断申请和完成其他项目，使得他所感兴趣的长期问题也能获得不间断的资金。但是对于研究单位而言，由于我们长期缺乏持续性的资助渠道，往往只能通过不断报建国家和地方各种研究中心、协同创新中心、重点实验室、基地、平台……挂各种牌子来搞钱。经常情况是一个班子，N块牌子；人还是那些人，也还是那些研究兴趣，但牌子越来越多。重重复复地报批送审论证考核，极大的分散了科研工作者的时间和精力。就我个人的了解，科研工作者的兴趣是很难去“统一规划”。一个人原来爱做什么，他无论进入哪个中心，哪个实验室，他仍然还爱作什么。就举“软物质”而言，它其实还是高分子、胶体、界面等研究的继续，难道原来我们没有高分子、胶体和界面的优秀研究团队和单位吗？进行这般那般的“重组”，原来的研究人员会因此根据“大局”去“优化”他们的研究方向吗？我看多数是原来做啥还做啥。这本来就是自然的科研生态的客观规律，没办法“大旗一挥”而改变。假如出了什么研究成果，往往都是由于相关研究人员坚持持续研究，而不是由于“产业结构的升级与优化”。拿发展产业那一套来发展基础研究，不靠谱。