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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。

作为以太论者的雷诺

雷诺（Osborne Reynolds）是一个以太论者。

我在很多年前，在豆瓣小站写了一篇《剪切增稠和以太》，讲了雷诺构想了了剪胀性流体（dilatant fluid）的物理本质之后，认为这是以太的假想性质可能基于的物理机制。但是很快就有了Michelson-Morley实验，否定了以太的存在。事实上在光速不变实验之后，雷诺仍然写了一本书，用很坚深的数学去构建以太流体的理论。这些都可以在Wikipedia上查到。

事实上，雷诺作为以太论者的迹相，就在他最为著名的工作——提出雷诺数的论文中，就已经体现。他在文中直接明确“不存在绝对时空”，并由此陈述出了一个特别深刻的见解：

As there is no such thing as absolute space or absolute time recognized in mechanical philosophy, to suppose that the character of motion of fluids in any way depended on absolute size or absolute velocity, would be to suppose such motion without the pale of the laws of motion. If then fluids in their motions are subject to these laws, what appears to be the dependance of the character of the motion on the absolute size of the tube and on the absolute velocity of the immersed body, must in reality be a dependance on the size of the tube as compared with the size of some other object, and on the velocity of the body as compared with some other velocity.

O. Reynolds (1883) Phil. Trans. R. Soc. A 174:935

以太作为一个后来被替代掉的范式或研究纲领，却驱使它曾经的“常规科学家”，以“修建保护带”为初衷，催生出后来仍具有强大生命力的物理观念。

食品流变学

流变学有用，流变测量学未必有用

人们常常假想，流变学在食品工程或其他各种生产领域中的应用，应该是要用流变学的理论预测结果，定量的或至少半定量地指导实践。说得更直白些就是，拿厂子里的样，放到流变仪上测试，就应该要回答得了生产和使用上的问题，指明改善策略。总之，人们总是假想一种这样的图像，就是基础研究的成果非常具体和直接地“插手”生产实践；只有看到这样的图像，才会承认基础研究真正在生产实践中得到了应用。我从与食品和日用化工品领域的有限交流经验中发现，上面这种期待既不现实也没必要。

流变学（rheology）跟流变测量学（rheometry）是两个层面的东西。针对生产实践 ，“流变学是有用的”，未必能充分地导出“流变测量学”是有用的。因为流变测量学内容（仅谈其历史和现状）主要是为了流变学高分子物理的理论研究服务的。流变测量学的理论基础之一是“测粘流”的对于不可压缩“简单流体”（特指W. Noll的simple fluid）的理论可行性。另一个是动态力学测试。在测粘流语境下（即稳态流动测试），流变学研究对象的特殊性称为“非牛顿性”，其内涵包括剪切粘度对剪切速率的依赖性，以及非零的法向应力差。在动态力学测试的语境下，流变学研究对象的特殊性称为“粘弹性”。

由于流变测量学是为了理论研究而建立的（或者说它本身就是理论研究者的一个兴趣话题），它的测量方法总是朝理论研究者习惯的思路去发展。举一个很典型的例子，流体的粘弹性可以体现为蠕变现象，本来是很直观的现象。但我们更经常采用一系列频率的正弦振荡应变，去描出其Fourier变换后的实部和虚部（即储能模量和损耗模量），并要求要求人们习惯阅读这种谱图。流变学的学生既已习惯这种谱图，则又经常产生一种误解，就是觉得一个频率下的响应具有足够的代表性。其实Fourier变换（以及其他积分变换），是函数到函数的变换（一种泛函关系），因此不管看时域还是频域，都要言必称整条曲线。光看一个点，若不是完全没有意义，也至少是很隐晦，并不是许多人以为的那般简明。又比如，测粘流原本的旨意是任何各向同性的非牛顿流体的流变学状态可以由关于剪切应力、第一法向应力差、第二法向应力差的方程完整地确定。所以稳态流动测试应该不仅关心剪切应力，还应该关系第一法向应力差和第二法向应力差。可是实际上大家往往仅满足于得知剪切应力。这可能是因为，剪切应力可通过简单的示意图和表达式得到解释和定义，无需涉及“应力张量”的概念；而法向应力差则难以回避后者，因而更少人理解。

可见，目前流变测量方法学的非直观性，主要是因为它从理论到硬件都不是为了直接解释直观现象而设计的。作为对比，食品工程研究中广泛应用的质构仪（包括在其基础上灵活发明的各类食品质地测量方法），就可称之为“为了直接解释直观现象而设计的流变仪”。甚至“流变仪”这一词意义，也被流变测量学专门地定义了；质构仪够不上这种意义上的流变仪。因此可以说，生产实践当中面临的许多直观的流变学问题，未必应该求助于流变测量学，也未必要使用流变仪。

从更广的意义上说，很多人所认为的“科学指导工业生产”，似乎后者一定要接受前者的统治，这是过份夸大了现代科学的地位。事实上，人类从猿变人，就同时有了技术。而现代科学的诞生在人类历史中是特别近期的短暂一瞬。我们当然不能说现代科学诞生之前就没有技术的发展，因此现代科学诞生之前的技术发展并不依赖现代科学的“指导”。科学的“现代化”，也不是以“更好地发展技术”为目的；它只是自然哲学的一种延续，目标是为了“格物致知”。科学与技术的紧密联系，只是第二次工业革命以来的特征。没有什么规定它们一定会继续紧密联系下去。如果有一天，技术发展与作为自然哲学的、旨在格物致知的科学又脱勾了，那么科学研究的人员数量和风格也许会又回归到波义耳、法拉第等人的十七世纪到十九世纪初的样子。科学研究与“国力”不再相关，国家也不再花费公共财政去养基础研究……这样的一天也许已经不远。目前在很多领域，不追求原理认识，仅通过机器学习，在预测和“指导”上，已经比先认清原理，再费力解方程组的范式更有效率和效果。可见，利用格物致知的成果来推动技术，只是人类在信息技术和计算能力尚未足够发达的阶段，暂时效率较高的模式而已。当纯粹的科学“没用”的时候，工程师们应该自信地、自觉地放弃它。

流变学研究者与食品科学研究者如何对话？

具体到个别的人，每个人都有其特有的知识背景。一位流变学研究者未必就不懂生物化学或植物生理学。如果交流双方对对方的研究领域都有一定的了解，当然是最好不过的。但为了一般的讨论，作为角色而言的流变学研究者和食品科学研究者，如何在各自定义范围内的知识背景之上建立沟通的桥梁？这个问题，各种以《食品流变学》为标题的教科书或专著，是理应去认真回答的。所以我们也许可以翻一下这类书，去看看这些作者们对这个问题的思考。在WorldCat上搜索food rheology，发现类似的书真的不多。而且有很多并不能以在线的方式获得并阅读。我下面仅选择我能读到的、给我深刻印象的几本。

1. Scott-Blair的书

流变学的早期创始人之一，G. Scott-Blair，就是任职于英国的食品研究部门。所以，食品流变学从一开始讨论深度就并不亚于一般流变学。扯远一点儿说，很多流变学中以“数学式子缔造者”闻名的人物，如Rivlin，Zapas，Gent，包括Scott-Blair，实际都任职于工业领域。Rivlin任职于British Rubber Producers Research Association（BRPRA）。Zapa任职于美国的国家标准局。Gent也在BRPRA任过职。虽然他们中的一些人的知识背景是理论家，只是由于时代和社会的需要同时任职于与工业界相关研究岗位，但也正是因此他们的主要学术产出都与工业应用的动机十分契合。BKZ（Z for Zapas）模型的提出，目标就是为了应变能的可测性而为Rivlin的“simple materials”增加postulation。式子一列完，马上就上实验数据。

可惜的是Scott-Blair的原书不太好找到。我们只能从他早期的论文了解他。我之前多次提到过Scott-Blair：这里和这里。这里我想要再突出的是，由于Scott-Blair妻子是搞心理学的，因此他很早就意识到了食品的感观评测问题，并就此提出了很多思考。感观评测（sensory assessment）今天已经为人所熟知并大量应用于食品和日用化工品的工业设计中，但Scott-Blair在当时的讨论却引起了很多争议。

我觉得直到今天也并没有足够多的人明白，流变测量学给出的物理量与感观数据之间常常没有直接的一一对应关系。单单把你的食品试样拿到旋转流变仪上施展一大通各种测量，并不能给出什么明确的答案——除非你同时也拿相同的试样进行了半定量的感观评测。事实上，如果你都已经拿这些试样进行感观评测了，那么就已经实现了生产和营销方面的目的，本没必要再去进行流变学测量，除非你的目的是想“建立流变测量参数与感观效果的关系”（比如通过主成分分析方法），以便将来可以不用去做感观评测，仅从流变测量结果，就预测出感观效果（也许由于感观评测的开展成本确实较高）。然而既然这种关系往往并不普适，这件事的可行性和必要性也大为削弱。许多人热衷于用流变仪来测量一番，其实只是对“科学理论指导实践”的盲目迷信。

2. Hans Gerd Muller的书

H. Muller (1973), An Introduction to Food Rheology, Crane, Russak & Company, Inc.

这也许是第一本正式的食品流变学书，同时我认为至今仍是精品，是很值得珍藏的一本书。它可通过OpenLibrary在线借阅（以下嵌入了一个阅读器，但需要科学上网才能正常显示）。

同Scott-Blair类似，作者Muller是食品系的教授（Proctor Department of Food and Leather Science, The University of Leeds），但该书体现的是一个已经遍历了流变学理论之后，对其在食品科学中的意义的重新思考。这种重新思考在此书中比较突出地体现在两个方面。

第一，我在上一节讲的问题，常被简单描述为“流变学的数学太多了，其他人看不懂”。这类吐槽毫无新意，关键在于办法是什么？是纯粹以减少公式为目的机械地简化（正如大部分试图“简介”流变学的书那样），还是从思想的高度更换我们看待问题的视角，从而有理有据地论述哪些数学是不必要的？Muller在后者的意义上给出了回应。他的前言主要部分很值得原封不动地引用，特别应留意他更换了何种视角（different point of view）。

In the food industry a considerable amount of rheological testing is carried out and much of it can be improved. Strangely enough, there is also an abundance of books on rheology but the information is often not utilized in practice. The reason, I think, lies in the fact that these texts are too mathematical for the average food scientists.

One of my students one said: ‘To understand rheology one has to learn a lot of mathematics—or take a different point of view’.

I have taken that different point of view.

This book is meant to teach food rheology to the student and food technologist in industry without the use of calculus or mathematics beyond school ‘O’ level. This is how it has been done:

The theoretical rheologist supplies the ideal models which the applied rheologist uses to approximate to his real materials. The behaviour of these models can be expressed either by diagrams or by mathematical equations. The latter provide great precision, but what point is there for such precision if no real food resembles these models at all closely? So diagrams are quite adequate.

This leaves us with the mathematics underlying measuring techniques. If we apply the rule that equations, like books or concubines, are for use rather than ostentation, more mathematics can be dispensed with. There remain the strictly useful and surprisingly simple equations indispensable to rheological measurement. These are explained in the text. Examples and a practical section in the appendix are given to make their significance quite clear.

So the book has been written for the literate rather than the numerate, for the experimentalist rather than the theoretician. It should give the reader an advantage if he wishes to attempt the rheological analysis of any food product.

H. G. Muller

作者在文中说的“diagrams are quite adequate” ，实际上也是我很赞同并认为大有深意的。一般人常认为经验的、唯象的、pattern-reconizing的知识，不如第一原理性的、解析的、基于数学表达式的知识“高级”。但这恰恰与现代科学的经验主义传统相悖。虽然理论代表着人类以“万物一理”的方式理解世界的追求及在此追求下的成果，但更基础的知识实际上是世界运作的唯象pattern本身。从某种角度说，任何第一原理性认识可能都只是暂时正确的，但已搜集到的基本科学事实则是不朽事实。这种“实验物理高于理论物理”的看法，也是科学哲学中“新实验主义”（new experimentalism）的特色。在流变学中，我们只需将“剪切变稀”理解为稳态剪切粘度随剪切速率降低的性质。我们或唯象或第一原理地提出了大量粘流曲线的函数表达式（“模型”），但我们无法断言，实验测得的若干展现了“剪切变稀”行为的数据点，“真的”符合某一表达式；我们至多拥有的结论只是模型拟合的优势度（goodness-of-fit）。因此无论一个模型背后有多么完美的第一原理性还原论基础，它到了这一步也无法获得具有排它性的绝对正确性。更何况拟合或机器学习还有大量非参方法，无需你指出具体的表达式，只需要指出一些唯象特征，就能给出数值预测结果。因此可以说，根本不是因为“数学太难”所以不要数学，而是技术与科学的本质属性使得事情理应就是这个样子。所谓“diagrams are quite adequate”，其实是早在1970年代一位有思想的作者对技术与科学区别的洞见。

第二，作者在前言没有提到，但体现在了其章节区分上的思想，即关于“流变学在不直接滑向流变测量学乃至理性力学之前，给其他学科最重要的思想贡献是什么”的问题。换句话问就是，流变学告诉我们每一个人什么新的信息？那无非就是：固体并非总是虎克弹性；流体并非总是牛顿粘性。而食品工程师，无论如何拒绝流变学中的数学，也无法在生产实践中回避上述的议题，因为食品恰好就是最突出的非虎克的固体与非牛顿流体。这一基本认知，为“省略数学省到什么程度”这个问题提供了限定——你至少不能省到只介绍虎克固体。这甚至跟“让数学简单化”这件事不相关。基于虎克弹性的《材料力学》课程，数学也未必简单到“without the use of calculus”。若说为非虎克性和非牛顿性设计测试方法，也未必就一定要限制在为理想测粘流而设的流场布置。该书就充满了各类实用的方法。针对非虎克性和非牛顿性而设计的测量方法，无论多么“土”和“原始”，那就是严格意义上的流变仪。所以并非一谈到流变，就要找一台专业的旋转流变仪，进行专业的流变学测量，得出专业的流变学图谱，并进行专业的流变学分析；恰恰相反，这么做一通可能反而给不出任何明确的答案。

3. “An Interpretive Approach”

我校陈克复院士等曾主要参考Muller的这本书和其他几本早期的流变学著作综合编译出版的《食品流变学及其测量》（轻工业出版社，1989年）是对该书思想的一个很好继承和发展。编译者在书的最后一章“结论及进一步探讨”中讨论了“食品流变学测量的用途”这个问题。

Norton, Spyropoulos & Cox (2011) eds., Practical Food Rheology: An Interpretive Approach, Blackwell Publishing Ltd.

这本书是合著的。书名中的“An Interpretive Approach”在第一章即作出了解释，但该章的作者只写了这一章，谈的其实还是关于“流变学对食品科学有什么用”的问题。

科学的最重要也最不怕被放弃的用处，就是提供了统一的概念和技术语言。不仅粘度是什么，模量是什么，都有放诸四海而皆准的定义，而且还能为诸如粘弹性这种复杂的现象，建立完备的理论探讨框架，使得我们拥有“完整地表征”这种现象的方法学——如果需要的话。毕竟，can不等于must，也不等于ought to。食品和日用化工产品的配方控制精度、可重现性再好，它们也仍然多属于“远离平衡态”物质，高度依赖加工和使用过程中的流变历史，从而最终流变行为上的可重现性仍然很差。从流变测量学的角度，可以说实际情况永远“信息不足、无法预测”。除非放弃高屋建瓴的流变测量学，把预测的线条缩短到“用延展测试预测延展性”、“用拉丝测试预测拉丝性”这种直接的程度——也就是当前大量应用质构仪来做的方式，才能找到一些确定性。

不精通流变学的食品科学研究者，在咨询流变学研究者时，最好后者说没必要做的流变，就别做了。当然，为了发论文灌水的目的不在此文讨论的范围内。