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科學(xué)研究是否要知道為什么?(一)以飛行和風(fēng)洞為例

2023-07-02 13:15 作者:華陽ChinaSUN  | 我要投稿

本文已首發(fā)于微信公眾號“華陽集序”

在科學(xué)研究中,既要知其然,是否還要其所以然?多問一句為什么,是否有意義?如果沒有意義,為什么不能問太多為什么呢?

對這個(gè)問題,如果不知道該如何分析,那就讀下歷史吧。


1,萊特的風(fēng)洞

1900年左右,萊特兄弟在研究飛機(jī)。通過試驗(yàn)滑翔機(jī),已經(jīng)掌握了無動(dòng)力飛行的要點(diǎn),然后制造發(fā)動(dòng)機(jī)。作為參考,他們選擇了船用螺旋槳,也是在流體(水)中產(chǎn)生推力。他們查閱了相關(guān)資料和論文,驚訝地發(fā)現(xiàn),雖然螺旋槳投入使用已達(dá)上百年時(shí)間,人們對其背后的流體力學(xué)原理仍不了解,也沒有合理的解釋。針對這種情況,兄弟倆決定獨(dú)立開展研究,通過建模和實(shí)驗(yàn),尋找規(guī)律。為更好地研究,他們制造了早期的風(fēng)洞。其靠手搖來產(chǎn)生風(fēng)力,按現(xiàn)在的眼光來看,非常簡陋(如下圖)。這一開創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)儀器,對后來的航空/航天產(chǎn)生了決定性的作用,其基本原理延用至今。

圖1,萊特兄弟的風(fēng)洞(圖片來源為網(wǎng)絡(luò))

2,我國的風(fēng)洞

時(shí)至今天,人們?nèi)圆涣私怙w行所需的升力機(jī)制,只能用模擬方式進(jìn)行近似分析。當(dāng)速度較慢、問題不復(fù)雜時(shí),可以用流體力學(xué)軟件進(jìn)行模擬。對高速或復(fù)雜情況,只能用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。在前沿的高超音速飛行領(lǐng)域,完全依靠創(chuàng)新的風(fēng)洞設(shè)計(jì)。

2012年,我國研發(fā)的JF12風(fēng)洞投入測試,能夠測試25-40公里高空、飛行速度5-9倍音速條件下飛行器的氣流特性。是世界上第一臺達(dá)到這個(gè)能力的同類設(shè)備。相比之下,美國用于測試X-51高超音速飛行器的風(fēng)洞吹風(fēng)速度為7.5倍音速。在這套被稱為“高超音速龍”(Hyper-dragon)的神器加持下,我國設(shè)計(jì)了東風(fēng)17和東風(fēng)21高超音速導(dǎo)彈,從此美國航母不再在我國周邊耀武揚(yáng)威。

2022年5月30日,我國新一代JF22風(fēng)洞投入測試,能夠測試40-100公里高空、30音速條件下飛行器的氣流特性,超越歐美20年。在研究未來飛行器時(shí),不用像馬斯克一樣只能放大煙花。在最近的測試中,已經(jīng)達(dá)到33倍音速,且還有進(jìn)一步提高的空間。

與此相對,美國集合全球人才研發(fā)的風(fēng)洞,僅能模擬12倍音速的條件。受此限制,美國至今未能研制出5~6倍音速的高超音速導(dǎo)彈。

對于風(fēng)洞技術(shù),中國早在上世紀(jì)50年代就已經(jīng)開始投入。那時(shí)候錢學(xué)森、郭永懷等老一批科學(xué)家他們就意識到,在未來軍事領(lǐng)域當(dāng)中,高超音速導(dǎo)彈才是國之利器。

1965年,郭永懷在四川成功組建出高速空氣動(dòng)力的研究機(jī)構(gòu)。1968年,郭永懷在這個(gè)基礎(chǔ)上又組建了一個(gè)全新的團(tuán)隊(duì)名叫中國空氣動(dòng)力研究發(fā)展中心。

綜合數(shù)據(jù)來看,郭永懷組建的團(tuán)隊(duì),在空氣動(dòng)力領(lǐng)域規(guī)模性建設(shè)比歐美更早。這也是為何今天中國能夠在高風(fēng)洞技術(shù)上領(lǐng)先歐美的原因。

圖2,我國JF22的應(yīng)用

3,為什么不用問為什么?

盡管已經(jīng)取得了如此進(jìn)展,人們還是沒有破解升力產(chǎn)生的原理,但這并不影響美國先發(fā)明飛機(jī)、而中國在未來將超過美國。

我們可以大膽假設(shè),以后也不會(huì)得出始終有效的終極規(guī)律。即使找到了在現(xiàn)在適用的近似規(guī)律,也不一定適用于早期或未來的地球。如果大氣的成分/密度/壓力等因素都不同,規(guī)律也會(huì)發(fā)生重大變化,甚至可能找不出可用的規(guī)律。

科研工作者的圣經(jīng)《科學(xué)研究的藝術(shù)》對此指出,“某些純粹主義者主張科學(xué)家只應(yīng)知其然而不應(yīng)知其所以然。他們認(rèn)為:欲知其所以然就意味著,在事物的背后有著理智的目的;各種活動(dòng)受著超自然力量的支配而達(dá)到一定的目標(biāo)。這是『目的論』 [譯注:一種唯心哲學(xué)理論, 認(rèn)為任何事物均為其自身的目的或某種外在的目的所支配和決定] 的觀點(diǎn),已為現(xiàn)代科學(xué)所鄙棄?,F(xiàn)代科學(xué)力求認(rèn)識一切自然現(xiàn)象的發(fā)展過程?!?/p>

對提出這個(gè)論斷的原因,《科》做了進(jìn)一步探究,“概括定律是永遠(yuǎn)無法證實(shí)的,我們只能思考由 概推 (deduction) 得出的結(jié)論是否與實(shí)驗(yàn)和觀察所得到的事實(shí)相吻合,來加以檢驗(yàn)?!薄皩τ谌魏胃爬ǘ晌覀兌疾荒苓^于信任,即使普遍接受的理論或定律也是如此。牛頓并不把他所陳述的定律視為最終的真理,但也許他的大多數(shù)追隨者卻是這樣看的,直至愛因斯坦才證明牛頓的審慎態(tài)度是很有道理的。在一些重要性稍遜于此的問題上,一些普遍被接受的觀念 ,最終被取代的事件更是屢見不鮮?!?/p>


所以,別問太多為什么,不但適用于自然科學(xué)的研究工作,對于嚴(yán)謹(jǐn)性要差很多的社會(huì)科學(xué)和新學(xué)科,更是如此。

同學(xué)們,大膽研究吧,說不定你就是下一個(gè)萊特兄弟哦~


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