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“高分子物理学中的标度概念”提出的背景

P. de Gennes的著作Scaling Concepts in Polymer Physics,正如他的其他经典著作,读者需要具备相当近世的物理学背景知识,才会理解他文中ansatz或cartoon是怎么来的。这本书在高分子领域十分著名,但提及这本书的人远多于看懂甚至看过这本书的人。我在这里简单地讲一下这其实是在干嘛。

上世纪六十年代,临界现象成了凝聚态物理的热点。从“二级相变”到“连续相变”再到“临界现象”,术语的改变反映了这一物理现象在凝聚态物质中的普遍性。焦点在于,临界点附近,空间涨落发散,朗道的理论处理方式失效了,怎么办?标度理论和重整化群理论是应此需求而发展出来的。所以,先要熟悉这些理论方法在其原本针对的问题中是怎么发挥作用的。

de Gennes的书,与其称作“高分子物理学中的标度概念”,从今天的视角来看,不如改为“软物质的准临界观念”(quasi-criticality views in soft matter)。因为,包括但不仅限于高分子的软物质体系的共同点就是其密度涨落远高于小分子尺度,还有复杂的波矢分布;所幸的是它们往往又能在随机分形的观念下找到自相似性。这种密度空间涨落的不可忽略性以及结构的自相似性,特别像一个正在发生临界转变的体系快到临界点时的样子——尽管这些软物质体系并不是正在发生临界转变。因此,在处理临界现象中获得成功的那些理论——包括但不仅限于标度理论和重整化群理论——就能用于软物质体系。所以,de Gennes观点的重要性不在于具体地、一次性地把历史上某一种理论用到了高分子物理学中,而是道穿了软物质和相变体系的等价性。未来如果有新的相变理论,就可以按同样的道理挪用到软物质中。也就是说,专心研究临界转变就行了,软物质理论只是个副产品。一个有意识的却懒惰的理论物理学家,可以盯着临界转变界的理论进展,到差不多挪用到软物质上,变得好像自己开创了一个软物质理论体系似的,四两拨千斤。

在那些只记得几条对称性或变分法原理就行遍天下的原始物理学家眼中,这些都属于“应用”。物理学的发展在于旧对称性的取消或新对称性的确认。就连新对称性下的变分法原理都属于第二位的。

流变测试数据的XML格式问题

1. 背景

在当今科技迅速发展的时代,数据的收集、分析及交换在科研和工业领域中扮演着至关重要的角色。然而,测量设备与电子表格程序(如Microsoft Excel、Sigmaplot或Origin)之间的数据交换过程,经常因为非标准文件格式的问题而变得复杂和低效。由于不同制造商生产的设备输出的数据文件格式各不相同,且有时所需的信息并未直接包含在数据文件中,研究人员和工程师经常需要通过手工操作来传输所有必要的数据,这无疑浪费了大量宝贵的时间和资源。此外,不同实验室之间的测量文件交换也面临着类似的问题,缺乏一个广泛接受的标准使得直接使用其他来源的文件成为一项挑战。

鉴于这些问题,有必要开发一种新的文件格式,以简化数据的交换过程,使研究人员能够专注于文件的内容而非其结构。这种新的文件格式不仅应适用于流变学和力学数据(这是委员会成员们主要关注的领域),也应广泛适用于如热分析、凝胶渗透色谱等其他类型的数据。

考虑到不同测量方法的规范要求和数据类型的多样性,采用固定的行列表格格式显然不是一个合适的解决方案。相反,XML(可扩展标记语言)格式在过去几年中逐渐受到更多关注,它提供了更大的灵活性和可能性。XML是在1996年由世界广泛网络联盟(W3C)下的一个工作组开发的,旨在成为一种通用的数据格式标准。值得一提的是,互联网上的标准HTML语言只是XML可能应用的众多例子中的一个,而且是一个极为成功的应用。XML的基本优势在于它的系统独立性和软件独立性,这意味着它不受特定操作系统或软件应用程序的限制。从Microsoft等公司在其新版Office程序中实现XML支持的事实中,我们可以看出XML对IT世界的深远影响。此外,市场上也存在许多免费工具,可以帮助用户创建或编辑XML文件,进一步提高了其实用性和普及率。

总之,通过采用XML作为数据交换的标准格式,我们可以极大地简化不同测量设备和电子表格程序之间的数据交换过程,从而节省时间、提高效率,并促进不同领域和实验室之间的协作。随着更多组织和个人认识到XML格式的优势,并开始采用这一标准,我们有理由相信,这将是科研和工业数据管理的一个重大进步。

2. 现状

关于制订流变学数据文件的XML规范的项目的信息,可见此网页。这里只列出一些值得注意的内容。

IUPAC最终的版本是2008年的,叫做RheoML。除此之外,TA公司的版本是随着TRIOS软件提供的。TRIOS软件同时支持这两个版本。在这个页面可以下载相关的XSD文件。其中,TRIOS提供的压缩包当中,RheoML.XSD是IUPAC的版本的schema定义文件,而Iupac-Schema.v3.xsd则是TRIOS软件版本的schema定义文件(其文件名有误导性)。TA公司之所以要再做一个自己的schema,表面上看是为了包括热分析测试,因为TA公司的热分析也用TRIOS软件。就算不讨论热分析,IUPAC版本的schema支持的测试模式也仍然很有限。比如,在旋转流变仪上采用更多不同形状的转子,或者进行轴向拉伸/压缩测试的情况,都尚未被IUPAC支持。无论哪种版本,目前的schema仍然很粗糙。从网页来看,这个项目早就停摆了。

3. 现实需求

然而,本人认为该议题依旧颇具深远意义。在平时的工作中,本人频繁接触来自其他实验室寻求流变测试咨询的情况,他们所使用的则是不同制造商生产的设备,搭载不同的软件系统。有时,本人必须详尽指出,除了数据之外,实验期间必须记录哪些额外条件,比如是否执行了种种校准、实验前的仪器平衡或是预剪切处理等。尽管如此,仍旧经常出现学生遗漏记录,或是本人未能详尽说明的情况,导致最终无法确切地确定并解决对方所遇到的问题。即使仅是数据的讨论,本人常常需要对方提供更多的物理量数据,但对于某些物理量是否支持导出,以及其在相应仪器软件中的称呼和相关设置的位置却常常一无所知。为了熟悉对方所用的仪器软件,本人通常需要亲自造访至少一次(有时甚至多次),仅有现场确认了以上问题之后,方能在随后的交流中对他们所提供的数据进行分析,并提供必要的协助。

而在制定流变数据XML标准化的过程中,将包含强制性规定导出所有必要的实验信息,此外会根据不同测试类型强制导出所有必需的物理量。只要此标准是由经验丰富的流变测量专家主导制定,效果预期将能消除以上提及的诸多不便。标准化的XML格式化文件所带来的益处,远不止此。

考虑到一个更加现实的案例。我个人经常为了教学目的编写一些数据分析程序供学生们使用。这些程序预设学生将完成特定设计的实验,并根据指定的要求导出相关的物理测量数据。因此,除了向学生提供已编写好的程序,我还需不断重申实验设计和数据导出的具体要求。若依据XML标准,确定性的测试模式将无疑导出特定的物理量,由此至少在一定程度上,我可以减少对学生的反复提醒,亦即减轻了编写用于读取文件后的错误处理机制的负担。

4. 倡议

当前仅有TA公司遵循XML标准的原则进行响应。本人渴望更多的流变仪制造商能参与进来,将XML格式的文件导出功能集成到其软件中。不限于流变仪,理应所有现代科学测量仪器的测量结果都能支持厂商间的标准化XML文件格式。必须认识到,仪器测试记录的信息远远超出数据本身之外。因此,仅有的通用数据文件格式(如CSV格式)并不能完全满足科学研究的全面需求。

分享一些书(3)

虽然我远没有看完Paul Richard Halmos(1916~2006)的所有数学教材,但我确实看了几本话题比较大众化的——因而同类教材也比较多的——从而在比较的基础上可以支撑我对Halmos的偏爱。所以我仍然能够直接说,我特别喜欢Halmos的数学书。

我看过他写的集合论、测度论、有限维向量空间和希尔伯特空间。这些书除了测度论之外都是很薄的。

至少我还不完整地看过他的自传——I want to be a mathematician。这个自传的开头就先明确地反醒了作者的人格特质,读来发现与我本人十分贴近,这足以支持我偏爱他的著作。这段话对其他读者来说也可以说明Halmos很可能是总能写出好教材的数学家。

I like words more than numbers, and I always did.

Then why, you might well ask, am I a mathematician? I don’t know. I can see some of the reasons in the story of my life, and I can see that chance played a role at least as big as choice; I’ll try to tell about all that as we go along. I do know that I wasn’t always sure what I wanted to be.

The sentence I began with explains the way I feel about a lot of things, and how I got that way. It implies, for instance, or in any event I men for it to imply that in mathematics I like the conceptual more than the computational. To me the definition of a group is far clearer and more important and more beautiful than the Cauchy integral formula. Is it unfair to compare a concept with a fact? Very well, to me the infinite differentiability of a once differentiable complex function is far superior in beauty and depth to the celebrated Campbell–Baker–Hausdorff formula about non-commutative exponentiation.

The beginning sentence includes also the statement that I like to understand mathematics, and to clarify it for myself and for the world, more even than to discover it. The joy of suddenly learning a former secret and the joy of suddenly discovering a hitherto unknown truth are the same to me—both have the flash of enlightenment, the almost incredibly enhanced vision, and the ecstacy and euphoria of released tension. At the same time, discovering a new truth, similar in subjective pleasure to understanding an old one, is in one way quite different. The difference is the pride, the feeling of victory, the almost malicious satisfaction that comes from being first. “First” implies that someone is second; to want to be first is asking to be “graded on the curve”. I seem to be saying, almost, that clarifying old mathematics is more moral than finding new, and that’s obviously silly—but let me say instead that insight is better without an accompanying gloat than with. Or am I just saying that I am better at polishing than at hunting and I like more what I can do better?

P. Halmos (1985), I want to be a mathematician, Springer

从我读过的所有Halmos著作来看,他不愧于自传的第一句话。我常常能折服于他行文的文笔。看他的书,经常只是廖廖数行简单的句子,某种思想就能钻进你的脑袋里。

因此我推荐,上述我所读过的他的书,为相关话题的书的首选、必读。

我读很多数学书都不做习题,或者有限地选做一些习题。但是Halmos的书不光是必须完成每道习题,而且他正文中的每句断言,凡是你不太清楚理由的,都值得简单证明一遍。所幸的是他的书都很薄。