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科學有什麼用──以航空航天科學的創立與發展為例

2018-09-13 05:30 來源﹕光明網-《光明日報》 

  【科技隨筆】

  作者﹕張聚恩(中國航空學會常務理事﹑研究員)

  筆者退休後﹐常受邀出去講座﹐常常會被人們問到一個“老生常談”的問題﹕科學有什麼用﹖

科學有什麼用──以航空航天科學的創立與發展為例

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  其實﹐從古代直到19世紀﹐作為知識的科學同哲學密切相連。人類區別于動物的本質特徵之一﹐就是善于思考。人類對世界的思考所產生的思想與觀點﹐即為哲學﹐包括自然哲學和社會哲學。在西方﹐“自然哲學”曾包含了與今日科學有關的眾多研究領域﹐如天文學﹑物理學等。古代中國人也提出過對宇宙﹑自然和物質世界的樸素哲學認知。

  在科學的發展進程中﹐逐漸興起用實驗觀察方法來認識世界﹐以可測試的解釋和預測的形式構建與組織知識體系。從中國老子的樸素辯證法﹑亞裡士多德的形式邏輯三段論和思辨的傳統自然觀﹐逐漸發展到“普遍的真理可以通過推理和歸納而得知”﹑強調“實驗和不同程度的量化”﹐直到達成科學研究的一般性原則。

  現在﹐讓我們回到“科學有用嗎”這個問題。回答是﹐當然有用﹐而且是重大的作用。但有時候﹐人們察覺不到它的作用。如果過分強調實用性﹐許多科學的原理無法被發現。

  其實﹐“作用”不等同于“實用性”﹐而科學的作用要遠比實用性大得多。以航空航天領域為例﹐一項又一項似乎無用的科學發現﹐壘建成現代航空航天大廈的基石﹐在此基礎上﹐宏偉的建築終於露出地表﹐並日臻壯觀。

  古希臘哲學家﹑數學家﹑物理學家阿基米德﹐在諸多領域為人類文明做出偉大貢獻﹐他的《論浮體》是世界上第一部流體靜力學專著﹐阿基米德原理揭示了流體的浮力規律﹐成為千年之後出現的各色浮空器的理論基礎。

  意大利文藝復興巨匠達‧芬奇﹐通過觀察和分析鳥類翅膀的運動﹐寫下科學文獻《論鳥的飛行》﹐他還繪製了大量的飛行器草圖。

  1738年﹐瑞士物理學家﹑數學家丹尼爾‧伯努利出版《流體動力學》﹐提出著名的“伯努利方程”﹐揭示了“流速增加﹑壓強降低”的伯努利原理﹐奠定了流體動力學的基礎。就此﹐也為百餘年後出現的現代飛機的升力之源的詮釋做好了科學準備。

  但阿基米德和伯努利的發現﹐並未自然地產生航空應用科學與實用技術。流體靜力學並未直接催生浮空器﹐流體動力學也並未立即促成飛機的出現。達‧芬奇的研究成果在19世紀後期才被發現﹐也沒有對航空發展產生實際影響。直到1809年﹐英國喬治‧凱利發表《論空中飛行》﹐這一切才得以改變﹐現代航空學就此誕生。

  基於空氣動力學的一般原理﹐喬治‧凱利對空氣的阻力與升力進行了定量研究﹐他利用自己設計和製造的裝置﹐研究得出了關於升力和速度間的關係。他勾勒出了現代飛機的輪廓﹐指出飛行器應有垂直舵面和水平舵面﹐對其操縱性﹑安全性和穩定性做出了分析。他的“現代飛機不應模仿鳥類振翼﹑而應採取固定翼加推進器模式”的論斷﹐振聾發聵﹐使長期以來陷入仿鳥飛行迷陣的人們茅塞頓開。說凱利的科學理論﹐撥正現代航空的船頭﹑開啟了現代航空紀元﹐絕非誇張。

  一個真正的航空時代到來了﹐喬治‧凱利成為公認的航空科學之父。此後﹐在凱利科學思想的指引下﹐又經過近百年的發展﹐才有了1903年萊特兄弟的世界首例載人﹑有動力﹑可控飛行的成功。

  航天領域呈現獨立發展的形態稍晚於航空。其最重要的科學基礎是火箭推進原理。不同於航空器﹐要藉助大氣﹐獲得升力﹐以維持飛行﹐航天器在達到一定高度後﹐將要遵循軌道運行原理。而要達到足夠的高度﹐必須獲得足夠高的速度﹐以擺脫引力。獲得第一﹑第二﹑第三宇宙速度的飛行器﹐才可能繞地球軌道飛行﹑繞太陽飛行和衝出太陽系飛行。

  在回答“如何獲得高速”這個對於航天帶有根本性的科學問題中﹐俄羅斯的齊奧爾可夫斯基和法國人埃斯諾‧貝爾特利各自進行了獨立研究﹐做出了奠基性貢獻。齊奧爾可夫斯基在1898年完成﹑1903年發表論文《利用噴氣工具研究宇宙空間》﹐指出﹐必須依靠火箭這一反作用機械飛離地球﹐並給出了火箭運動的基本公式。埃斯諾‧貝爾特利1912年發表論文《關於無限減輕發動機重量的可能性的結果的思考》。二人分別導出了第一宇宙速度和第二宇宙速度。

  航空航天的本源是一致的﹐都以滿足人類離開地面的願望而生﹐故有共同的科學基礎﹐最重要的基礎是力學。力學又稱經典力學﹐是研究通常尺寸的物體在受力下的形變﹐以及速度遠低於光速的運動過程的一門自然科學﹔主要研究能量和力以及它們與固體﹑液體及氣體的平衡﹑變形或運動的關係。力學源於物理學﹐隨著彈性力學和流體力學基本方程的建立﹐逐漸從物理學中脫離而成獨立學科﹐反成為物理學以及天文學和諸多工程學的基礎。

  現在﹐不管飛行器如何發展﹐其本質是機械裝置﹐飛行的本質則是機械運動﹐其運動規律符合經典力學原理。飛行器設計必須以經典力學為基本依據﹐聲障﹑熱障等重大航空航天現象的解釋與解決也離不開力學。當然﹐隨著力學的不斷發展﹐和對物質運動的深入研究﹐其他形式的物質運動﹐如熱運動﹑電磁運動﹑原子及其內部的運動和化學運動等﹐日漸受到重視﹐而其中大部分也與航空航天密切相關。

  至此﹐我們大體看到了科學的作用﹐科學不特定於某一具體的產品開發﹐科學也不會自然地導引出實用技術﹐但科學揭示規律﹐科學指明道路。科學從基礎研究開始﹐經過持續積累﹐逐漸形成體系。那些學科學﹑懂科學的聰明人﹐將會在某一時刻﹐迸發出創意與靈感﹐產生新技術的突破﹐也終於可以研發出一個又一個造福人類的新產品。

  面對我們當前基礎研究薄弱﹑原始創新乏力的現狀﹐需要從深入思考科學的本性﹑科學的本源﹑科學的特質出發﹐營造寬容而富有活力的創新氛圍﹐充分尊重從事基礎研究的科學家和科學工作者﹐對尚無法理解的基礎研究﹐不能輕易斥為“偽科學”。但同時﹐科學具有邏輯性和連貫性﹐擁有實證特徵﹐科學的方法論也大體明晰﹐假大空的科學騙局雖時有出現﹐但終究沒有市場。隨著全民科學素養的不斷提高﹐科學精神與民主自由精神融為一體﹐全社會尊重科學和科學家蔚然成風﹐充分認識科學的作用﹐正確識別科學成果的價值﹐也將成水到渠成之勢。

  《光明日報》( 2018年09月13日 13版)

[責任編輯:王麗媛]

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