Tag Archives: science history

由一份简历的联想

我看到一篇论文,觉得与我的研究十分相关,于是想找找看作者Grigori Medvedev是谁,甚至考虑在方便的契机给他发封邮件。结果发现,他的简历本身透露出来的经历就很有意思。

他是在前苏联完成博士学位的。在学术生涯的初期碰到了苏联解体。他先去了波兰两年,然后到了美国的普渡大学,任职至今。

他博士期间是在俄罗斯自然科学院高分子物质研究所(Institute of High-Molecular Compounds, Russian Academy of Sciences),学位论文题目是液晶聚合物的松弛过程,导师是Yu Ya Gotlib。

显然,Medvedev的背景是偏向高分子物理的。他的导师Gotlib本人在Amazon上可以搜到一本书,题目是Molecular Mobility and Order in Polymer Systems,与Medvedev的博士学位论文主题几乎相同。Gotlib的早期工作,可以在Google Scholar的搜索结果中窥见一斑。从论文的最早年份来看,Gotlib的学术生涯大概开始于1950年代,一开始就研究高聚物。我能找到他最早发表的论文是1953年在ZHURNAL TEKHNICHESKOI FIZIKI(英语译为Journal of Technical Physics)上的题为TEORIYA RELAKSATSIONNOGO SPEKTRA POLIMERNOI TSEPOCHKI(聚合物链的弛豫谱理论)的工作。他是第一作者,第二作者是M. V. Volkenstein。

不失公平地可以说Volkenstein比更著名些,但可能今天的高分子学者也未必了解了。Volkenstein理应著名,因为Flory在诺贝尔奖网站上的自述中就提到,他的工作建立在Volkenstein的基础上的。Volkenstein在键构象统计方面的工作,比Flory开展得早。Flory的专著Statistical Mechanics of Chain Molecules出版后,Volkenstein在Biopolymers上发表了书评,见证了两个巨人的交流。相信这是这个今天少有人知却渊源深远的期刊上为数不少的高光时刻之一。

在这里我插一句。从我的观察来看,我怀疑,许多人并没有看过Flory的那本Statistical Mechanics of Chain Molecules就去引用。这本书有十分独立且今天罕见的主旨,是超出了一般高分子物理教科书中的链统计章节(包括Flory本人的另一更为流行的著作Principle of Polymer Chemistry)所关心的范畴的。Flory在Statistical ~这本书中为了实现他所不同于Kuhn的理论目标,使用了少见于常规教科书的数学工具。有时间我再另外写一篇东西来聊聊这件事。

但无庸置疑,这本书正面引用了不少Volkenstein的工作,使后者十分开心。

之所以说期刊Biopolymers有不少高光时刻,是因为它深度参与了高分子物理理论发展史的主线,很多重要的高分子物理基本问题,是物理学家在研究生物大分子的时候碰到的,当时他们把这些工作发表在了Biopolymers,后来成为了重要的普适理论。Volkenstein本人就十分关注生物大分子。他做理论时心里想着的应用是生物大分子。

俄罗斯人的论文有一个特点,就是十分注意突出俄国科学家在世界科学发展中的贡献。例如,高分子交联网络的溶胀热力学的Flory-Rehner理论,会改为Frenkel-Flory-Rehner理论。Volkenstein在谈到de Gennes的标度理论时,也提到了I. Lifshitz(是写教科书的那位E. Lifshitz的弟弟)在这方面也是先驱。Lifshitz在1978年发表在Rev. Mod. Phys.上的综述提到“用二级相变的思路来处理排除体积”,以及“globule”的概念。如果包括俄语世界,那么Lifshitz早在1968年就提出这些了,比de Gennes的Scaling concepts那本书要早。Lifshitz对高分子体系的兴趣始于1960年,也是从生物大分子切入的。鉴于Lifshitz对苏联凝聚态物理发展的影响,他切入高分子物理的角度,也许也深深了影响了苏联高分子研究后续的兴趣特点。

Lifshitz关于单链问题的兴趣,也深深地影响了我国早期高分子物理学家……因为这时期也是我国科学技术上全面向苏联学习的时代。当时的科学家与苏联的交流比较密切。比如,我国高分子最早的前辈之一王葆仁,在1956年,作为中国高分子代表团团长应邀出席在莫斯科举行的全苏第九次高分子论文报告会,宣读了2篇论文,会后参观访问了苏联一些研究机构和大学。1957年,作为国家科技代表团顾问,赴莫斯科谈判132项中苏科技协作项目中有关高分子方面的具体内容。

所以,很可能Lifshitz和Volkenstein和Gotlib都跟我国高分子前辈相识,甚至有密切交流,因为从我刚才的追溯可见,这三人在当时代表了苏联高分子学科的老、中、青三代。

有一本书叫《苏联科学家在中国》作者恰好也是化学家,主要搞无机化学的。这本书生动地展示了从共和国建立到1960年期间,我国科学研究的状况——主要是中科院化学所的状况。但是,在那个期间,这个中国化学的最核心研究单位也正在作高分子学科方面的大型打算,这是没有在这本书中体现的。总之为了这个项目,1960年,以钱保功先生当组长,还有郝柏林先生参加的一个高分子物理考察小组,被中科院派到苏联访问。

在列宁格勒大学郝柏林见到了对高分子构象统计有突出贡献的生物物理学家沃肯斯坦(M. V. Volkenstein)……。

张淑誉《郝柏林——科学游击战士》

原本,郝柏林是准备继续进军高分子科学的。他和同时们从俄文翻译了卡尔金(V. A. Kargin,今天的俄国高分子化学和技术研究所以他的姓氏命名)和斯洛尼姆斯基(G. L. Slonimsky)赠给的《高聚物物理化学概论》一书。钱人元先生也给过许多指导。但很快他就被派往苏联做研究生,他通过了朗道能垒测试,但成为了阿布里科索夫学生,学量子场论了。Volkenstein在研究生涯的后期进入到了生物信息学领域,无独有偶郝柏林也如此。高分子物理的早期经历,也许是一个普适性的诱因。

我从一个在世的俄裔研究者回溯了这么多乱七八糟的碎片历史,主要源自最近关于世界局势的感叹。二十世纪的冷战,把世界划分了三个。今天我们也许非常习惯美国科学史发展出来的范式。很多都觉得苏联搞出来的东西总是怪怪的,透着民科气质,但又没实质上明显的错误。只能说兴趣点很怪。其实,同样的感受也在二十世纪著名的苏联科学家参与当代科学革命史时体现。为何在当时,这种怪,成了开创历史;今天这种怪却成了格格不入了呢?有没有冷战结速之后世界单极化的影响因素呢?

我这么联想并非凭空的。比如,Volkenstein的链统计理论,更倾向于把化学信息包括进来,向物理上的难度挑战。在这一战斗中,Volkenstein作出了优秀物理学家常有的聪明联想来解决问题。Flory十分赏识这一点。他在自己的链统计著作的前言里,更为清楚地解释了,为什么要不惜克服繁琐的数学,非要实现一种纳入化学结构细节的物理结果。Flory的这篇前言,道出了沟通化学家视角与物理学家视角之难。与Volkenstein和Flory的学术品位相反的,是Kuhn和de Gennes的,忽略细节的、重整化的做法。很多人认为,后面这类做法“更物理”,因而更高级。Volkenstein和Flory的链统计工作,现在几乎只有能与Kuhn和de Gennes的工作相融的部分得以延续;他们独特的努力只留在了故纸堆。我在最近几年经常跟身边的人说,我喜欢Flory,不喜欢de Gennes,并非戏言或妄言,而是有着明确而难以尽述的理由。Flory更倾向于纳入化学家语境的信息到自己的理论当中(“更化学”),并没有损失他的物理性而逊色于后人,反而体现了物理学的威力。如果要忽略信息、重整化才能继续下去,若不是物理学的无能,那就是人的无能。

液体物理、流变学与流体力学

我在知乎网站写了一个回答介绍液体物理。但由于原问题是在问“能否从统计力学推出流体力学”,因此造成了一些人的疑问就是,为何这些考虑平衡态或近平衡态强关联性质理论会是对这个问题的一个回答。他们认为这些不是“流体力学”,流体力学关心连续介质在守恒律下的流动问题,说白了流体力学关心的就是NS方程。这样的疑问已经不出我所料。长期以来,作为课程的“流体力学”主要内容确实就是这样的。通过“顾名思义”把流体力学直接理解为“流体的力学”的主张并不主流,更不是默认的。

直接解释这件事情不是本文的目的。本文关心的是为什么流体力学会至今保持在这么窄的关注范围,我猜测这是流变学的诞生造成的。

流变学(rheology)另立门户是Bingham的主意,这在 Reiner著名的散文[1]中就记载了。

When I arrived, Bingham said to me, Here you, a civil engineer, and I, a chemist, are working together at joint problems. With the development of colloid chemistry, such a situation will be more and more common. We therefore must establish a branch of physics where such problems will be delt with.”

I said, “This branch of physics already exists; it is called mechanics of continuous media, or mechanics of continua.”

“No, this will not do,” Bingham replied. “Such a designation will frighten away the chemists.”

So he consulted the professor of classical language and arrived at the designation of rheology, taking as the motto of the subject Heraclitus πɑντɑ ρεɩ or “everything flows.”

M. Reiner (1964)

可见,已经有流体力学了,却要另外发展出流变学,最初是为了与化学学科交叉而不至于吓跑化学家。1928年的“胶体化学”(colloid chemistry)概念其实包括着高分子体系。因此最多也只能说“流变学”的确立是为了关心粘弹性流体的流动。这仍然不是把这个领域从流体力学中独立出来的坚实理由,因为粘弹性流体也是流体。

但无论如何历史就是这样发展的,以至到了1980年,C. Truesdell在第8届国际流变学大会上的大会报告中形容说,有些调皮的人会将流变学定义为“流变学关心的是流体力学家不关心的流体”。说明自流变学的确立(1928或1929)以来的这半个世纪,流体力学界自觉地把“粘弹性流体”排除在了自己的关心范围之外。我把这件事怪在流变学的另立门户上,可能缺乏直接的理由。但合理地假设一下,如果不是恰好在Staudinger发表《论聚合》没多久就“体贴地”、“有预见性地”独立出流变学,那么事后高分子化学、物理及工业的巨大发展(特别是在第二次世界大战的催化下)必然把对粘弹性流动的认识要求到流体力学家的头上,他们将无法回避。

对粘弹性的关注,使得“本构关系”(constitutive relation)成了考虑的重点。这使得流变学与传统流体力学关心的内容产生了很大的差别。但是本构关系与守恒律共同决定物体的运动;仅守恒律是无法决定物体的运动的。这并不是某一力学分支的特殊主张,而是经典力学的基本自然哲学观点。传统流体力学关心的只是假定牛顿流体这一个本构关系时的运动。如果放开了本构关系的选择,如何使这个选择不流于纯粹现象学成了首要问题,因此催生出关于“一切本构关系必须满足的公设”这种考虑和相应的本构关系理论。可惜的是从这些公设出发,就算再加上一两条理想假设,最多也只能得出一个一般的泛函关系。应用上采用何种形式的本构关系,仍然流于现象学——除非结合统计力学,为本构关系找到微观的还原论基础。在这件事情上,粘弹性的微观本质就是时间和空间尺度的相关性。流体物理关心的平衡态和近平衡态强关联问题,就是要建立粘弹性的微观-宏观桥梁(尽管远未成功)。只要承认“本构关系”是完整的流体力学理论不可或缺的部分,就不能否认液体物理研究的内容正是“统计力学能否推出流体力学”的回答之一。甚至,统计力学并不“推出”守恒律。所以统计力学推出本构关系这件事,实际是“统计力学能否推出流体力学”的唯一回答。

在热力学中,做法也是类似的。热力学从第一、第二定律只能给出各状态函数之间的微分关系,守恒律(第二定律的不等式可通过引入熵产生的概念变为一个等式)并不能决定体系状态变化——还需要这一体系的状态方程。而状态方程要么是经验的,要么就得从统计力学推出。所以连续介质力学中的“本构关系”,其实就是力学状态方程。确实有很多论文作者会使用“力学状态方程”、“流变学状态方程”而不是“本构方程”一词。“本构方程”跟“流变学”一样,是多余提出的词汇。在前面提到的Truesdell的大会报告中,他解释了为何他不采纳“状态方程”(equation of state)原因就是为了区别。而且本构关系已经用于电动力学。

The term “state” already abominated because of its employment in textbook thermodynamics as a vehicle of supreme obfuscation. Nevertheless, these were not my main reasons for preferring the term “constitutive relation.” I know that term already from electrodynamics, where it had long been used to specify the properties of materials making up bodies, in contrast with the electromagnetic fields to which those bodies were subjected. Because it did not refer nominally to electromagnetism, I thought it would do equally well in mechanics to represent material properties as contrasted with the forces and torques to which bodies were subjected externally and with the regions of space occupied by bodies.

C. Truesdell (1980)

可见在这里Truesdell偏爱“本构关系”一词是有意让连续介质力学跟电动力学相映照。这一方面可能是想强调连续介质力学跟电动力学类似的场论语言,另一方面想强调一种“外场”↔“本构关系”↔ “响应”的一般理论结构特点。事实上连续介质假设之上的不可逆热力学并不会影响突出这件事。Truesdell想要划清界线的是本科的、关于宏观整体(bulk)的经典热力学;在那里上述这种理论结构并不明显。

References

  1. M. Reiner, "The Deborah Number", Physics Today, vol. 17, pp. 62-62, 1964. http://dx.doi.org/10.1063/1.3051374

Like any other theory, Coleman’s will be found to have limitations in practice, to apply to some ranges of phenomena but fail to apply to others. Such a sharing between success and failure in application is common to all true scientific theories. A theory that covers everything, that cannot be contradicted by experiment, that requires only proper interpretation to be universal, belongs not to science but to religion.

C. Truesdell (1966), Six Lectures on Modern Natural Philosophy, Springer-Verlag, p. 52