模拟

最近由于有一项实验观察结果想要justify一下,不知不觉地做成了模拟,或者说是计算机实验。意识到这一点的时候,我已经花了很大的工夫做“重新发现轮子”的事情,这一方面令人懊恼,浪费了这么多时间;另一方面发现我想半天走向的方向跟实际已经成为常识的方向是相近的。例如,我根据直觉写出来的位置更新式子是欧拉方法,结果发现很不稳定(当时我连这属于“不稳定”都不懂,觉得这体系怎么“一惊一乍”的),查了半天发现,好像这计算第i+1步的位移不仅需要第i步的信息,最好还知道第i-1、i-2步的信息。但当时我也没敢这么弄,因为从来没听说“牛顿第二定律还有记忆效应”。后来发现做模拟至少得用个Verlet算法,它就是一种要考虑第i和第i-1步的方法,这不是说牛顿第二定律有记忆效应,而是对离散化导致的误差进行一种修正。

其实这都是属于可笑的,认真学一次分子动力学就是了。我还知道如果要学去看Frenkel的书最经典。只是目前我要做的问题不是统计热力学问题,更像一个牛顿力学的轨道预测,只是因为有布朗运动和多体作用需要利用到随机微分方程。把整个MD学懂去做这个有点杀鸡用牛刀。有时候,我觉得一些大学网站上放的课件,能够更加快速地学到一些常识,直接解决手头上的问题。当你需要特别工具主义地学习时更适用。例如,这里是一个朗之万动力学的PPT(这个PPT模板我还挺喜欢),这是一个分子动力学的讲义

长春2016(3)

会议的第二天是学术报告。

流变学之所以受到重视,部分原因是因为对于某些体系或者问题,光做流变就能得出结论。特别是对于聚合物体系,哪怕是超支化的还是相分离的体系,都有一些跟结构和动态对应的流变现象,在当前的范式下不需要做其他表征即可下结论。我认为其实是这种“便利”使得很多人愿意了解流变,甚至做流变。流变仪场商推销的时候在这个角度进一步强化。强调流变测量结果“很有用”,能够“看出很多东西”,很多工业领域能用到。

但是我个人有点不太喜欢这种“便利”,因为它是建立在“已知”上的。而做研究是为了了解未知。这种“便利”使得流变学变退化成其他领域的分析测试工具。流变学是有其本身的研究目的的。流变学定义是“研究物质的形变与流动的科学”。我个人在讲课时介绍这一定义喜欢再加几个字,是“研究物质的形变与流动及其原因的科学”。其实是多余的,因为既然是“XX的科学”,就当然不仅仅停留于经验与现象学,而要追求还原论。强调“及其原因”,其实是说明不研究的话原因不明。所以重点应该在研究原因不明的流动,去搞清楚其原因。而不是在于利用已知原因的流动来作为检测手段。

把流变学当成检测手段,也使很多人对流变学的理解局限于“流变仪上的流变学”,或甚至是“simple shear流变学”,认为流变学只研究在几个固定的“夹具”上形成的理想流场,以及几种仪器规定的测量模式下的现象,超出这些范围的就不是流变学了。例如,认为Rheo-PIV不是流变学,究其理由,无非是因为它不是研究力矩转感器的信号,而是研究光学显微镜的信号,甚至还要用后者否定前者。其实,只要翻开任何流变学教科书,都会先介绍kinematics,介绍形变张量,然后才介绍应力张量。也就只是在simple shear条件下,形变是个标量。说流变学就只研究simple shear是可笑的。既然形变是张量,Rheo-PIV为何不是流变学?Kinematics为何不是流变学?有人说,这不就是流体力学了吗?是的。流变学有属于流体力学的部分,它是非牛顿流体力学,低雷诺数的流体力学。

流变学还有不属于流体力学的部分,也被人认为不是流变学。那就是关于各类复杂流体的结构和动态的物理学,也就是所谓的软物质物理学。很多人感觉,一旦讲到这些,研究的重点和对像都是体系,流变学变得可有可无。这其实是研究阶段、研究深度的问题。我们研究一个体系的物理,可以关心它的很多性质,未必都要关心流动或形变。但如果有一类体系被称为“软”物质、被称为复杂“流体”,搞清楚其结构与动态之后必不可少的动作当然就是做它的流变学模型了。所以,流变学至少在软物质物理中是必须的,不是可有可无的,只是我们在软物质物理研究中往往不是一开始就能建立流变学理论。相反,流变学往往是认识一个体系的道路上最后也是最难的一步(特别是非线性瞬态流变),所以我们经常看到的是研究流变学之前的统计物理工作。

所以这些交叉都不是乱交叉,都是围绕一个目标,就是“研究物质的形变和流体及其原因”。至今未知原因的(原因复杂的),易形变易流动的物质,那不就是各种软物质了么?要搞清楚原因,现象本身要准确可靠是必须的,这确实需要强调流变测量学,但这只是第一步。完整的流变学研究,应该不止步于流变测量,而应该像任何物理学一样,结合理论和模拟,确证一个关于形变和流动的因果关系。

不过,强调“流变学”是物理学、甚至是软物质物理学,在国内还是比较尴尬。