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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。

在一切未被定义之前

Physica A Volume 118, Issues 1-3这一期发表的是1982年6月7日和11日在科罗拉多大学举行的小型会议Nonlinear Fluid Behavior Conference。从人数上是小会议,但从来的人的重要程度上是一个液体物理研究历史上的一次重要会议:B. Alder、R. Bird、F. Brochard、E. Cohen、C. Curtiss、P. de Gennes、M. Doi、J. Dufty、B. Eu、D. Evans、M. Fixman、S. Hess、K. Kawasaki、T. Keyes、T. Kirkpatrick、E. Sloan、C. Sorensen、S. Yip、R. Zwanzig。阅读这一整期的讨论,就好像亲身参与了这些人物的讨论现场一样愉悦。

1982年,复杂流体液的一切严格讨论都才刚刚开始:本构关系的物质客观性争论、非牛顿性的微观根源、玻璃化、相变(特别是聚合物溶液的)、粘弹性湍流、……诚如这一期的Preface末尾引用的《失乐园》诗句:

"... a dark
Illimitable ocean, without bound,
Without dimension, where length, breadth, and highth
And time, and place are lost; where eldest Night
And Chaos, ancestors of nature, hold
Eternal anarchy,...."

关于“万物皆流”

与先贤共鸣

中国文明和西方文明都有一个光辉的早期哲学宝库。普通公民教育已经教给我们很多典故。世世代代的普通中国人受完当代的教育后,大致都会尊崇能引经据典的人,认为这是一种文化涵养的体现。我们的经典大概就是诸子百家诗词歌赋。西方人的经典大概就是古希腊哲学和圣经。因此西方文明下成长起来的文化人——比如一些科学家们——凡是想要为新的知识找到一种文化上的解读,都一律会求助于他们的经典——古希腊哲学。你哪怕说是牵强附会也好,文化归属感也好,反正这两大文明的人都是这么干的。

近代科学的发展基本发生在西方,学科的开宗立派就更不用说了。流变学(rheology)这个词的杜撰、美国流变学会及会刊的建立,都是令当事人特别兴奋的事情。搁我们文化下可以形容为“不禁要吟诗一首”。这本质上是一种先人对话的冲动,想向他们汇报:老头子们,虽然我做成的事情与你们的智慧相比平庸琐碎不值一提,但巧的是它恰好再一次体现了您老人家们的智慧;我们的文明,在几千年后仍在你们智慧的光辉照辉之下。

M. Reiner就为流变学最独特的知识性贡献——流体的粘弹性——附会于西方先贤的智慧。他找了两个。一个是据说来自古希腊哲学家赫拉克利特的“万物皆流”(panta rhei)这条观念;另一个是圣经中先知诗人Deborah的诗句,从而把流变学为流体的无量纲世界新贡献的一个(Deborah数和Weissenberg数是不是等同的概念还有争议)无量纲数以此诗人的名字命名。

他这么一弄,今天的中国人就得这么学。“万物皆流”啥意思?哦,那是古希腊的。Deborah是谁?哦,她是《圣经》里的。

同理,近代科学许多学科,在开始时就在西方文化背景下升华过了。例如医学始祖就成了希波克拉底,尽管基于实证主义的现代医学跟希波克拉底本身也没有直接联系,但这是人家文明的先贤,人家发展新学问的时候就是愿意去彰显一下,谁让是人家先搞好了这个学科呢?

咱们也不应该过于纠结这件事。既然是现代人发现的智慧,按照“真理无国界”(意思是牛顿力学不会只在西方适用而在中国不适用)的观念,那么无论哪个文明下的人重新学习人类共同智慧的时候,都有平等的资格和机会去对它作出源于自己文化上的理解。

高分子/流变学的中国故事

我国在百废待兴的时代,流变学研究力量的建立和发展,离不开几位老前辈。他们恰好都充满了对中国文化的热爱,他们写的学术著作和非学术的散文,都为中国学者更深刻理解流变学铺设了丰富的文化氛围。更加重要的是,当代中国科学家谱写的篇章本身就蕴含着强大的和独特的科学精神;每当后人想“与先贤共鸣”时,告慰这些当代科学家,精神上比从古人那里引经据典更加得到满足。

我没有作正式的搜集,只列一下给我上述印象的一些见闻。

有一本书,是钱保功带头编写的《高分子科学技术发展简史》。分上、中、下篇。上篇是译自Morawetz的原著Polymers: The Origins and Growth of a Science,第二篇是从Seymour编辑的论文集 History of Polymer Science and Technology中找了几篇译过来的。事实上,Morawetz和Seymour的这两部文献已经为“高分子科学技术发展史”这一主题提供了非常完整和细致的资料了。但是《高分子科学技术发展简史》一书不忘整理了下篇:中国古今高分子科技成就,其中“新中国高分子科技成就”一章荡气回肠,写满了血汗。尽管文字上保持了科技资料的平实客观,但所幸还是有两段感情充沛的文字,足以代替我读完这一历史后的感受:

顺丁橡胶是我国自行开发的生产规模最大的高分子工业项目,这在前面已两处提及。1985年,以“顺丁橡胶工业生产新技术”的项目名称,荣获首次颁发的“国家科学技术进步奖”特等奖,也是石油化工领域中唯一的特等奖获奖项目。这是弥足自豪的。它反映了我国高分子科技界同仁自60年代以来,戳力同心、协作攻关的辛勤劳动与丰硕成就。然而由于评奖当时距今已时隔多年,加以“文化大革命”时期的动乱、人事机色的变迁以及其他局限性,疏漏之处在所难免。为此,我们以白描的方式,加以记述,以誌其盛,以存其真,也用以告慰那许多曾为之呕心沥血、艰苦奋斗、但其功绩未能得到恰当反映的同志以及所代表的单位。

我国顺丁生产技术的发展可分为以下几个阶段,即试验室工作为主的孕育阶段,第一次会战攻关阶段,工业化建设以及二次现场攻关阶段,最后是迄今仍在进展中的高水平发展阶段。由于这个过程中,相当一段时间处于“文革”动乱时期,不少知识分子受到歧视打击的情况屡有发生,所以也是一个波澜 起伏、惊心动魄的过程。这既是我国科技界知识分子忠贞刚正的写照,也是世界上绝无仅有的一种科技发展史况。

——《高分子科学技术发展简史》“7-3 顺丁橡胶发展简史”

科学网已故博客主人郑融老师,写了大量跟流变学相关的文化散文。我在怀念郑融老师文中简单表达过我的崇敬之情。我把部分还能访问的、跟流变学有关的文章,整理成了一个链接列表:郑融流变学散文。在《流变琐谈(3) ─ ─ 从孔夫子说到松弛时间》一文中,郑老师提到,Tanner和Walters在撰写流变学历史时,根据《论语》英译本认为,孔子所谓“逝者如斯夫”,与赫拉克利特所说的panta rhei不谋而合,将二者相提并论。这件事情,超出了“中西”之分。不管中国的文明还是西方的文明,都能相互引起重视、欣赏和共鸣!

中国的流变学研究的创建人之一——许元泽教授,曾在一篇访问中为我们讲述了这段历史:访复旦大学、厦门大学许元泽教授:流变学 高情逸韵往何方。他说:

古人云“君子和而不同,小人同而不和”,为什么?各有所长,互敬互学;低水平差不多的人易重复,难合作,矛盾多,上面压力再大一点,下九流做法就出来了,更难创水平。在国内要取得科研事业的成功需要更全面为人处事的素质与性格上的坚韧,这对一些科研尖子不免是苛求。真不希望我们孩子从小生活在人际竞争的压力下,变得机敏平庸,磨掉了对科学的由衷热爱。只要减少干扰,避免浮躁,科研环境就好,有那么多青年才俊潜心钻研,科学发达与技术的进步是必然的,明星不靠刻意捧也会冒出来,海外有志人才不赏重金也会回来。

最近,他总结了高分子科学乃至软物质科学中的思想大观如下:

到底是谁把rheology译成“流变学”,一直没有答案。我曾作过有限的努力,但只能知道这个翻译很可能是建国前就已经使用的。我能查到的资料显示,钱保功、钱学森、钱人元在建国后的头几年,都不约而同地把rheology称作“流变”,说明把这个词称作“流变”可能是当时已经通行的。钱保功在H. Mark指导下于1947年高分子化学硕士获得硕士学位。钱人元早年在Wisconsin大学化学系(这是对流变学有重要贡献的一个系),至1948年回国。他们都是应该深刻理解rheology意思的。陈宗基的博士论文标题使用了rheology,回国后第一篇论文(1957),英文只用了mechanical behavior,但中文就已频繁使用了“流变”一词。与前面提到的“三钱”也是不约而同的,仍然说明“流变”一词建国后已经通用为rheology的翻译。更早的就可能看李四光在研究中是否引入了流变学理论。我无法查到李四光的大部分研究著作,仅从网上的信息,无法显示李四光提到过“流变”一词。目前我的猜测是,“流变”一词来自哲学词汇的翻译。首先,赫拉克利特的主要哲学思想在英文中的提法是“flux”,这个哲学思想在中文中的提法就是“流变”。然后,1929年,美国人在杜撰rheology一词的同时(同一文章中)就明确了对赫拉克利特哲学的引用。那篇文章自发表那天起就成为后人解释rheology这个词的基准。不排除我国早年的前辈在对这篇文章精神理解的基础上,从当时关于赫拉克利特哲学思想研究的中文词汇选择了“流变”来作为对rheology的翻译。

正如现代医学的具体做法跟希波克拉底关系不大一样。流变学关于万物皆流的具体思想跟赫拉克利特的“流变”哲学也好,跟孔子的“逝者如斯夫”也好,都只是在很抽象的层面上有所共鸣而已。我们当然不能认为,古代的一些朴素的思想能指导现代科学的研究。现代科学和技术的突破性进展到底是怎么产生的,靠的是什么精神,我在前文提到的关于新中国高分子科学史的章节已经体现了。 但又不能否认,文化上的共鸣,是只有我们抱着最纯粹的格物致知态度去做学问并有所收获,才会产生的情愫;但凡是抱着世俗功利的心态搞研究的人,都会觉得谈这种文化共鸣是多余的。