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“1019任务”中的数值计算

很久没有写博客了,主要是忙毕业的事情。很想写的东西太长太成体系太花时间,除了这个没有别的想写,导致一直没写。现在算是遇到一个想写的事情。这几天在用MATLAB做一些数值模拟的工作,想起在郝柏林院士的文集《负戟吟啸录》讲到的“1019任务”——

1969年10月19日周恩来总理和中央文化革命领导小组召开广播通信系统的会议,检查备战工作。会上反映的问题之一,是天线尺寸太大,不利隐蔽。于是会议决定组织全国性会战,解决缩小天线尺寸的问题,是为“1019任务”。

郝柏林当时提出天线可以从理论计算的,自愿组织一个计算小组参加任务,找了一些人,从学习天线理论和数值计算的基本知识开始,还补习程序设计。

1969年底和1970年初是我们最困难的时期。……我们当时在天线理论基础上下了不少功夫,一时定不下来实际计算方案。

那时1019任务在全国全军的许多单位以“大搞群众运动”的方式展开。南京军区的一位战士找了一把铜茶壶,中间焊上一根铜棍,就同北京军区通起话来。于是“以通为主”就成了群众运动的指导原则。林彪的儿子林立果拿了一批战士们创造的小天线,向林彪汇报。林彪说,看来只要方向对头,有小学、初中文化就够了。

1970年5月初,中国科学院军代表在中关村召开京区各所革命委员会领导成员参加贯彻毛主席“五七”指示的学习班。军代表在报告中说,“你们到底要走什么路线?是南京军区的铜茶壶路线,还是物理所的小天线路线:请了两个留学生算,越算越糊涂。”传达下来,我们当然受到很大压力,周围一片“理论脱离实际”的指责声。蒲富恪私下对我说,我们哪里是脱离实际?我们是脱离理论,对数值计算的理论知道得太少。

……为了保住一部分人留在所里计算,我曾经下到国营798厂去“联系实际”,每天顶着烈日在天线馈线上测量“驻波比”。……

这里还要提一下所谓“以通为主”的方针。且不说南京军区战士使用的是低功率短波对讲机,我们的任务是千瓦以上的中波广播天线。无线电信号传播受到电离层条件的直接影响,因而对天侯季节相当敏感。在“小天线热”冷却之后的反思中,我们了解到,没有一个小天线能一年四季全天侯下畅通无阻。时而通上一、两次是不难的。万里长征中的红军电台台长、中央邮电部老部长钟夫翔那时在报告中曾回忆说,长征途中一次整夜在帐篷里通信,第二天早上才发现不知什么时候天线已经被风吹倒。即使是技术性的任务,也要尊重科学规律。用看来有些道理的浅显口号指导科学技术工作,我们已民经多次受其危害。

——摘自《蒲富恪和小天线计算》。

另,2009年发表在《物理》的《“1019任务”四十年》一文详细介绍了计算细节。任务是数值求解波动方程或天线辐射的积分方程。所用到的计算机是109丙机,“两弹一星”都是靠这台机来做计算。

它采用分立的晶体管元件和磁芯存储器,内存有16384个字,字长48个二进制位。109丙机没有操作系统、编译系统、数据管理和进程管理等系统软件,所有的程序都是由用户使用基本的机器指令,一个操作一个操作地直接编写出代码,包括输入数据和打印结果在内。……我们只能使用40×40的网格来覆盖从原点到无穷远的整个空间。……有时为了上机做一次计算,就要从中关村换4次公共汽车,到达靠近南苑机场的东高地,先在招待所租两个床位,躺下睡觉。半夜闹钟响了,匆忙赶往机房,先帮助前面的用户卸纸带、磁带,收拾打印纸,再丫到总控制台前,“总清除”之后在一排开关上用手好“起始地址”,按“启动”钮开始输入程序,进行运算。

进机房时如果忘记打开电扇,以后再热也不能开电扇。反之,如果事先忘了关电扇,再冷也不敢碰开关。否则机器就可能“跳动”。……

——摘自《“1019任务”四十年》

在看六、七十年代的国外论文的时候,了解到计算机的使用还这么麻烦的时代就有人编程计算这么多步的问题,已经感到很佩服当时的人花这么大的精力只为搞清楚一个科学上的具体的小问题。相比之下,在“文革”时期中国科学家的工作就更加值得敬佩了。因为他们不仅也得这么干,而且还受到社会环境的极大干扰,说明他们干这个不是为钱或为名。

Scott-Blair论流变学的两个目的和吵架

回郑融老师邮件的时候我脑中突然想到的一个问题是,为什么我感到我学习的流变学跟他的关于注塑成型的书所代表的流变学差别很明显?顺便推荐一下郑老师的书:

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我们现在对真正的流动还是描述不清楚

我所说的区别是,注塑成形给我的感觉是流体力学。而我做的流变学经常是统计力学。流体力学和统计力学估计是很多流变学初学者感觉横在自己面前的两座大山。两者各不相同但都很深。流体力学的主要花招在于flow,各种不同形状的流道的各种挤压、拉伸流还有什么二次流,以至于你光用个powerlaw fluid都够你玩了。而统计力学则由于考虑了分子或粒子,而且是一堆。相互作用问题涉及多体,所以就算不流动都难死人,经常是平均场。因此统计力学里考虑流动至多就是dissipation-fluctuation theory(DFT,其思想说白了就是应力松弛),一超过线性理论就很够呛。聚合物结构流变学,发展了这么多年了,到现在还是不能统一地把剪切流和拉伸流一起描述好,说明“统计力学的流变学”经不起“流体力学的流变学”的折腾。好多理论,只限于一种flow,一旦换一种flow就立马歇菜。毕竟,按许元泽老师曾经私下总结,“我们现在对真正的流动还是描述不清楚”。

当然,什么时候也不可能说我们“描述清楚”了的,所以上面这种话如果脱离上下文来理解就会变成一句大话。

我回郑老师的信是为了Scott Blair的事,关于流变学的上述“两座大山”Scott-Blair在J. Sci. Instrum.1940, 17, 169)里也总结过。虽然字不少,但行云流水,不妨全引:

There are two reasons for measuring rheological (flow and deformation) properties of industrial materials. On the one hand, a property hitherto unassessed is measured in the hope that it may be found to correlate with some quite different characteristic of the product. In some cases there are theoretical reasons for supposing such a connexion: in others the process is quite empirical. As examples, we may quote the determinations of the viscosity of dilute suspensions of flour in water, which were at one time frequently made as an index of the baking quality of the dough, or the connexion between the condition of flocculation and hence of the flow properties of thin clay pastes with the tilth of field soisls (i.e. potentialities as seed-beds).

More frequently, on the other hand, the rheologist attempts to imitate in a quantitative and objective way some measurement which has long been made subjectively by the expert in manufacture, This is not so much in order to replace men by machines as to give the expert a standard against which to compare his judgements and to ensure that different experts measure the same properties under the same names, although in some few cases the subjective judgement has tended to be altogether replaced in course of time.

Scott-Blair接下来进一步引用普朗克的话,把整个一研究论文写得好像一篇essay一样亲切。这一点后面再说。上面这段引文的主要意思是说,流变学研究有两个目的,一个是研究物质的结构-性能关系,一个是为了找到准确、简洁的表征方法。前者其实是物理化学,因此就会动用到统计力学。因为物理化学就是研究万物的结构-性能关系的科学。有的人喜欢说“凝聚态物理”,那也可以。因为化学涉及到的物质尺度和pVT区间确实就大致上是这个。否则说到底粒子物理和宇宙学也属于“结构-性能”关系的研究了。至于另一个目的其实是测量学,所以做法是通过现象学的总结提取出最有表征作用的参数。例如你可以不需要知道整个直线方程,只需要知道个斜率就可以了——这一知识是通过大量观察发现重要的东西其实就是斜率来确定的。所以既然谈到“测量”,那就有测不准原理了,就要引用普朗克的话了。

普朗克的那段很著名的话其实也应验在我当前的研究中。有一种流变学其实并不流也不变,而是通过给样品施加小到可以忽略的形变来测试样品,并把测试结果理解为样品不受形变时的性质,例如线性粘弹性范围的应力松弛和动态粘弹谱,这些做法的理论是DFT。但是面对像螺杆挤出这种情况,你再去做什么应力松弛那就显得很笨拙很可笑。所以要做非线性流变学,各种各样的阶跃剪切、拉伸……这些测试的问题就在于Scott-Blair说的“different experts measure the same properties under the same names”的问题了。你要测样品流动时的性质,你就得让样品流动。而流动改变结构,结构又反过来影响流动。因此,“流动”事实上本来是很容易成为一种重现性非常差的实验条件的。我们的多年以来的幸运其实是来自样品结构的简单(例如单分散线形柔性聚合物),结构一复杂点儿,time-dependence就来了,触变性就来了,different experts所measure的就不一定是the same properties under the same names了,于是就各自为政了。这也是为什么半个世纪之后的Barnes在写Thixotropy — a review(J. Non-Newt. Fluid Mech. 1997, 70, 1)的时候说Scott Blair自称“the whole subject [of thixotropy] is so very new”但同时引用了八十多篇相关论文。这就算哪怕有800篇论文,由于没有形成一种统一的公认客观的表征套路,因此大部分都是各自为政,不comparable。

因此,虽然凝聚态物理那一块的流变学现在特别热门,但是现象学这一块的流变学一直都很重要。我感觉人们很容易去鄙视一切现象学,因此刚才关于现象学的流变学我多说一点儿。

Barnes在他的review里还说:

Readers with an interest in the historical derivation of scientific expressions are directed to Scott-Blair [10], p.52. All Scott-Blair’s books were written as personal memoirs and are very evocative of the man himself for those who knew him.

其中文献[10]是下面这本书:

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我已经买下了,估计要下个月才能ship到广州。同时我还买了Scott-Blair的另一本书:

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这应该是一本更哲学的书。在Journal of Nervous & Mental Disease 1956, 123, 499上有关于这本书的书评(算是“跨界”了),让我在看到原书前就先了解大致的内容:

Most scientists do not even try to distinguish with accuracy between what is real in a measured dimension and what is but a result of abstract logical classification. He describes briefly some of the essential features, the similarities and differences, of spatial, psychological and physical dimensions of space and of time. The author points out that the scales and concepts of measurement cannot be the same in all science and that, e.g., physics and psychology (including psychoanalysis) need their own specific definition of dimension and measuring units.

Scott-Blair其实是鼓吹要为不同的研究对象发明不同的dimension。这在流变学中确实是常见的,我们常常不对真实时间作图,而是对一个“dimensionless”的时间作图。我们有很多dimensionless的量,例如DeWePeCa等,它们经常取代传统时间或频率作为图的横坐标,这一切也许会让其他物理学背景但刚进入流变学的人抓狂,但确是流变学家们的智慧所在。可是,Scott-Blair的这一说法在当时被批为mysticism,批评的原文看不到了,但Scott-Blair好像很不快,在Br. J. Appl. Phys. 1951, 2, 60上回应了这种指责。半个世纪的流变学发展证明这种dimension,只要是很好地反映了问题实质的那些,都获得了广范的应用,完全没有带来mysticism,反而帮我们去除了原有的mysticism,是好的science。

同行评议的失误

ResearchBlogging.org

科学史上有很多这样的例子——重大科学发现提出时并未立即得到同行认可。可是,在这些历史中,我们应该学到什么?很多人认为,当时的这种不被认可,就是一种“被打压”的状态。

在相当一段历史时期,我国的政治教科书对马克思主义哲学中关于事物发展曲折性的描述是充满着感情色彩的:旧事物决不会自行消亡,为了维护其自身的地位,它总是竭力扼杀和摧残新事物,阻止新事物的成长壮大!于是往往又联系到晚清政府——辛亥革命——袁世凯的这类历史,让人觉得世界上所有的新事物都是可怜的受压迫分子,而所有的旧事物都是可恨的强权。在那段时间里,很多人的确是这么看待所有问题的。然而,似乎不少人仍把这种眼色保持到了今天。当他们听说爱因斯坦提出相对论的时候不被学界马上接受,达尔文提出自然选择和进化论观点时被人画成猴子来讽刺,就特为他们打抱不平,骨子里的“无产阶级仇恨”就燃烧起来了。这种阶级观点,事实上是现在很多“民科”的思想基础,这也可以解释为什么大多数“民科”都恰好处于亲身经历过荒唐年代的那个年龄层。

事实上,重大发现,或者像英文里说的ground breaking ideas,历来不被马上接受。这是一个自然的,合乎人的认识规律,是科学的常态,也是同行评议的谨慎所在。这种谨慎也许拖慢了人们对一些后来才被证实的理论的接受,但有效地过滤了大量虚假吹牛的胡说八道。或者说,在没有事实证明之前,谁也无法超越时空去评判一个横空出世的见解,同行评议就只能一视同仁地谨慎。今天我们对进化论、对相对论、乃至对宇宙大爆炸理论的接受,都不是什么受压迫人士坚苦抗争的结果,而无非是目前的证据支持而已。

假如我们不只把眼光注视在像爱因斯坦这样老少皆知的人物,而是放宽到科学发展的各个分支,就会发现这种现象是极其普遍的。化学中一个极端的例子是晚年科尔贝(A. W. H. Kolbe)实施的一些“同行评议”。

有机化合物溶液的旋光性是巴斯德(L. Pasteur)发现的,但是这一性质和分子结构有什么关系,是范特霍夫(J. H. Van’t Hoff)提出的。在范特霍夫以前,大家都认为有机物中四价碳的四个键就是简单地呈平面十字状。但是如果考虑旋光性的差异的话,这种简单结构所提供的排列组合不足以列出所有现实异构物的数目。因此,范特霍夫提出了经典的四价碳的四面体结构,使得四个键之间多了一重不同等性,进而提出了不对称碳原子的存在是有机物光学活性的原因。

范特霍夫的新理论激怒了有机分子结构理论的开山人科尔贝,后者曾恶毒地加以辱骂,这在科学文献中是少见的。其实,科尔贝在晚年的时候脾气很差,经常在期刊中指责其他年轻科学家,被他数落过的除了范特霍夫之外,还有提出苯环结构的Kekule,以及改革化学物质命名法的拜尔(Bayer)。他对Bayer的数落,现在还可以找得到(Journal für Praktische Chemie 1882, 26, 308-323. DOI: 10.1002/prac.18820260121),这篇发表在正式刊物上的文章,标题是Begründung meiner Urtheile über Ad. Baeyer’s wissenschaftliche Qualification,意思大概是“我对拜尔的科学水平的评价”,Wikipedia.org给出了文中节选的一段英文译文:

…Baeyer is an excellent experimentor, but he is only an empiricist, lacking sense and capability, and his interpretations of his experiments show particular deficiency in his familiarity with the principles of true science…

后来,这些新理论很快就被大量实验所证实,同科尔贝的经典结构式一起,成为了现在写在中学教科书上的内容。但值得留意的是,这些理论在今天的地位,在并不是当初通过“文攻武卫,针锋相对”的方式抗争得到的。

现代同行评议制度的完善,使得这种戏剧性的事情更加少了。最近Europhys. Lett.的主编撰了一篇标题即为Peer Review的社论(Europhys. Lett. 2009, 86, 10000) ,开始先罗列了关于同行评议的重要性的大道理,随后道出了一个故事:1994年M. Kroug等向Europhys. Lett.投了一篇关于Ground State Depletion的理论推导,提出在此理论下,可打破光学显微镜分辨率的0.2微米阿贝极限。Europhys. Lett.当时拒了这篇稿,该稿后来转投Appl. Phys. B (1995, 60, 495-497)。后来,这项研究成了STED(STimulated Emission Depletion microscopy)和STORM(STochastic Optical Reconstruction Microscopy)的基础,这篇Appl. Phys. B的论文成为了这两大工作领域后续发表论文的必引论文。徐磊曾在它的博客上介绍过STED和STORM(此处有误,见文末注。),Science杂志曾将其评为2006年的科学十大进展之一。回过头来看,Europhys. Lett.可以说是痛失了这一原创性论文的发表优先权了。不过,Europhys. Lett.在提到这件事的时候说:

The fact that peer review had failed at the outset of publishing an early fundamental paper is not an argument against it and EPL will certainly continue to confide it. Peer review remains the best available tool to ensure scientific quality of our publications. We must live with the fact that it may fail in exceptional cases.

事实表明,不是每篇投稿都是类似Ground State Depletion这样的Ground breaking idea。恰恰相反,大多数投稿都是常规工作。同行评议就算局部“斃掉”了一篇submission,在现代的投稿环境下,也完全影响不了它的发表。垃圾就算被发表在Nature(极少情况),也无法被重复或证实,无人引用的情况下,只会一直沉下去;而真知灼见就算发表在冷门刊物上(往往是这样),在现在强大的互联网学术搜索引擎下,其被访问的机率并不比Nature上的文章低多少,金子的发光甚至不用多等。

最后,我也顺便对张志东研究员在博文中所表达的愤懑表示费解,也对王志明编辑在组织同行评议过程中的不必要的剑拔弩张表示费解。

2009年4月4日注:感谢徐磊指出文中的错误以及pipy(ip:202.38.77.*)的补充。事实上我的确没有看你的博文。Ground State Depletion和STORM没有关系,它和Stimulated Emission Depletion也是两种不同的depletion。因此,@pipy,Hell and Wichmann (1994)发表在Opt. Lett.上的论文同Hell and Kroig (1995)发表在Appl. Phys. B上的论文是不一样的。

问题在于,EPL的审稿人当初为什么拒Kroig的文章?这篇社论没有具体透露,只是把这件事作为ground breaking idea遭遇不当评议的例子,似乎可以认为它被拒的原因只是因为其idea——试图打破Abbe极限。有趣的是同样的思想,却没有被Opt. Lett.拒绝。

Hell的这种情况是既微妙又普遍的。即通过理论的推导试探出与常识不符的的可能性,但却又暂时没有实验支持。在这种时候要把文章发出去,被拒是经常的。也许,这类工作如果等待初步实验证据出现之后,或者自行实验验证之后,把实验加进去一起投稿,就会顺利得多。但往往ground breaking idea在出现的时候并没有这样的机会。但我看只要理论本身自洽,被一两个期刊拒绝也不是什么原则性的失败。张志东的情况,似乎是因为他的理论中有不自洽的地方,这是另一种情况了。

Kolbe, H. (1882). Begr�ndung meiner Urtheile �ber Ad. Baeyer’s wissenschaftliche Qualification Journal f�r Praktische Chemie, 26 (1), 308-323 DOI: 10.1002/prac.18820260121
Dose, V. (2009). Peer review EPL (Europhysics Letters), 86 (1) DOI: 10.1209/0295-5075/86/10000