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流变学中的数学

ResearchBlogging.orgScott Blair, G. (1972). Mathematics and Rheology Rheologica Acta, 11 (2), 237-240 DOI: 10.1007/BF01993026

前几天我唠叨过一下物理跟数学的区别。数学只是一个符号逻辑体系。它有自身发展,而且那要求很rigorous很pure。但当别的学科要用它的时候,那就是很工具主义的,能用时用,不能用时又不用了,完全不管这用的部份和不用的部份在逻辑上是密不可分的。对于这些学科来说,数学只是语言。

流变学前辈Scott Blair这篇经典的短文里讲到的例子,原因大多可以归结为对以上道理的不明白。其中一个例子就是“负号”的意义。曾有人提出经典的幂级数模型中的偶次项要删掉,只保留奇次项:

\dot{\gamma}=\eta_1\tau+\eta_2\tau^2+\eta_3\tau^3+\eta_4\tau^4+\cdots

因为应力有两个方向,反方向应力“带负号”,开偶次方就要出虚数了。事实上这种忧虑是简单问题复杂化。很简单,负号只是表示方向,并非说明“值小于零”。Scott Blair的评语还挺搞笑:

In fact, when two separate experiments are done, one from right to left (or clockwise) and the other from left to right (or anticlockwise) there is nothing “negative”about either of them.

类似这样的误会在Scot Blair的这篇短文里还举了很多。其实平心而论,无论是表示方向还是表示“值小于零”,负号在形式上就是一划横线,没有区别。而且就算是只表方向,在加减运算的时候确实可以直接当作数学上的负数来处理。建模型的时候本来就应该主动避免这种尴尬,而不是让使用者“心知肚明”地见机行事,遇到负号时“自行”拿绝对值代进去开根号,哪怕不懂这么做的人简直可以说不懂流变学。

流变学的发展是与实验必不可分的,长期以来还主要是现象学。类似拿级数展开来拟合实验数据就万事大吉的这种做法一直以来是流变学研究的基调。高分子体系也好、胶体悬浮体系也好,其dynamics是到很后才完善到足以让流变学变成理论物理的程度的,但这两大类材料却是很早就工业化了。所以很长一段时间以来工厂全靠现象学层面的流变学知识来指导生产,那种甚至不能够写成张量形式的本构方程的“权宜”的模型,其实发挥过非常重要的作用。它们当然会让人在“负号”这种问题上莫衷一是,但上于它们的重要性,只能迁就它们不能取消它们。

有很多理论研究者梦想着闭着眼睛推导就能把整个世界描述下来,喜欢讨论“真空下的球型鸡”。化工生产实际的讨厌之处就恰恰在于很“脏”。化学家拼命合成单分散的聚合物都是为了哄物理学家玩的。工业上99%机会遇不上什么单分散样品。所以事实上选择凝聚态来冥想的理论研究者确实不多,大多数这种“great minds”其实都去想超弦去了。

“物理学家都不懂数学的”

某那么一类同学在某那么一个阶段都会遇到说“数学和物理的区别是什么”这种困惑,或者说“我数学不好,做不了物理”这种认识。我也不能说我现在就理解得非常透彻了但至少我能分清这两件事情。我知道我物理不好不是恶补数学能补回来的。

翻我导师上本科生课程的视频发现他课上讲到de Gennes的工作时说“物理学家都不懂数学的”。其实不是de Gennes不懂,而是大部分其他人不懂。东西要能火,不是靠弄出来的那个人,而是靠整个市场的接受程度。把高分子物理全部化成幂函数——还不管系数——那真是数学里面最简单的东西了,初中水平。所以火。

在arXiv上看到“电磁波散射”,以为是讲凝聚态的,结果发现是虫洞给散射的

抱着能在我们的水凝胶里发现虫洞而发Nature的白日梦,点进去看看它的理论。

我发现,数学都懂,但不知所云。

所以说人家赖以为生的并不是数学有多高深!

李淼老师也许能看懂这篇文章?