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流动的固体2021

2009年还是一名研究生的我在这里写过关于《流动的固体》这本书的读后感。这本书对我当时学习和后来研究流变学的影响很特殊。最近,我看到了更多相关的内容,写下本文算是对2009年的我的一个回应。

原来,《流动的固体》的作者——中川鹤太郎,是日本流变学的先驱者。他在著《流动的固体》之前,就写了可能是日本流变学的经典教材的《レオロジー》(岩波书店)。我找到了中川鹤太郎的一个学生——原田重治博士写的一篇书评兼回忆,并用机翻译成了中文。由于篇幅关系我就不把原文放到这里了,而是另外做成了一个页面

感想之一:关于流变学教材

今天,我不仅有机会亲自研究流变学,而且还有机会任流变学的课。我在思考如何组织流变学讲义时,深感我面临的化学背景的学生的数学和物理思想认识与流变学思想的层次相距太远。留意到我这里说的不是具体知识,而是思想。思想需要通过学习知识来形成,但这种学习不是蜻蜓点水地、囫囵吞枣式的学习,而是批判地、深入的学习。因此化学类专业的学生所上过的数学和物理课,虽然从罗列的内容来看并不欠缺太多,显得稍微补补就能过关,但思想上几乎是空白的,或说停留在高中。

因此,要么说“流变学不应向化学专业的学生开设”。这显然站不住脚,因为流变学是化工领域的人创建的,最关心流变学的人是化学和材料学家(关于这个观点的阐述我不在这里展开)。所以,只能想方设法让化学专业的学生学懂流变学。

因此,我这未完成的讲义,几乎用了一大半的篇幅,向学生重新讲述线性代数和多元函数微积分。跟很多连续介质力学的书仅仅罗列一些基本运算规则不同,我希望在这个部分就数学论数学地传达好数学图象,希望读者在读到或用到相应的数学操作时,不是“只懂推算”(甚至可以不懂推算),而是能直接在脑中重演出相应的几何事件,把代数式子反映为动力学电影。就算进入了力学的讲述,我也花了很大的时间讲解“经典时空”、“标架”的理论构建,希望学生对“力学”乃至“物理学”的基本认识提升到比较现代的水平。之后也是很仔细地把连续介质力学基础介绍清楚,真正属于“流变学”部分的粘弹性,反而没有很多时间去讲。我自己也陷入一种矛盾,如果非要让学生作好“完全理解流变学”所需的知识背景上的和思想上的一切准备后才去正式介绍流变学的话,那相当于告诉学生你们大一的数学和物理要重新按照所需的方式去学习,从而是对他们实际已有的学习经历的一种否定。学生也许不会接受这种否定,反而会选择否定这个专业学习流变学的必要性。

但是,也正是因为每本已有的流变学教材,都似乎无视了它的读者总是化学专业的从而在数学和物理上有天然欠缺这一点,因而实际学习流变学的广大化学学生从未觉得任何一本流变学教材是“读得懂”的。一个很典型的困扰就是,书中用到的数学,在书内找不到学习的地方,在书外则只知道要学习好几门数学课。另一个很典型的困扰就是,就算看懂了所有数学,也不明白“为什么要这样”,因为学生还是无法理解“选择用一套数学操作”背后意味着什么物理动机。因此,长年以来,在大量化学和材料类学生被要求学习流变学的同时,极少数确实熟练使用流变学或研究发展流变学的人才,仍然是物理系背景的。

但我从原田重治的回忆中了解到,中川鹤太郎的流变学教材,花了很大的篇幅去讲大家已经学过的力学基础(第一部分)。而且后面的内容都可能从前面的方程式推导出来,不需要参考其他书籍——这也正是我的讲义所希望做到的,所以才在讲义之内把其实其他地方也能学到的数学包括进来,使得这个以流变学为题的讲义显得“迟迟不讲流变学”。中川的这个教材也确实非常厚,全书一共分17章之多,因此学生们私下称这本书为“大鹤”。令我惊奇的是,就因为粘弹性跟电路中的一些现象很类似,该书用一整章去介绍相关的电路知识,仅为保证当书中讲到这种相似时,读者确实能完完全全的理解这种相似。中川和它的共作者在前言中说:

“在本书中,我一直希望能写出一本‘可用的’流变学。为了达到这个目上的,我们对力学进行了长时间的解释,并对振荡理论进行了涉猎,因为我们相信,除非对流变学有充分的了解,否则流变学是没有用的。”

感想之二:关于自己搭建仪器

我在2009年的那篇文章中曾表示对中川自述的搭建仪器的经历的敬佩(详见原文)。现在回过来看,我本人在科学研究上的成长也走向了一个实验测量者。在原田重治的回忆中也讲到,这确实是中川鹤太郎的典型研究风格,并提供了更多的,在中川的指导下攻读研究生期间的仪器搭建经历。日本在战后重建时期物资很紧缺,各方面都十分困难,很像我国在文革结束之后的情形。不管你要做什么研究,你都不得不熟知各类五金电路知识和实践技能。我在2009年的文章中强调了自己搭建仪器的重要性。事实上,今天的化学专业学生在这方面基本知识都是空白的。不知道为什么,社会生产的分工细化,不仅让专业分得更细,还让“公民常识”也发生了压缩。曾经是不分专业的常识或必备技能,也因分工细化而变成了“由专业人士包办”的事情。每个专业的人都因分工细化而变得更加“工具化”,同时也因常识欠缺而变得麻木,不同专业的人无法沟通。这是不是资本主义的阴谋呢?

“久山氏の方法”

我在2009年的那篇文章中曾引用,中川提到过一个叫“久山多美男”发表在“科学”杂志上的一个测量粘弹性的方法。这个《科学》杂志不是美国的那个,而是日本的一个期刊《Kagaku》。现在我可以告诉当年饶有兴趣的那个自己:中川在另一个论文里提到了这个“久山氏の方法”,以及其他的几种测量粘弹性的装置设计。其中久山的仪器示意图如下:

久山多美男的装置

实际上很接近今天的应力控制型流变仪。

同样地,2009年我引用的,中川在读研时,放弃研究“泡”的问题,选择研究“拉丝”的问题,最后有成果吗?今天我也可以告诉当年那个自己:他在BCSJ上发表了两篇系列论文:Spinnability of Liquid. A visco-elastic State. I & II。在《流动的固体》中显示的“测量拉丝性的装置”插图,就在这个论文I中的Fig. 3。而对久山多美男装置的借鉴,则可见于论文II中的Fig. 2。

鲁迅

中川在一篇文章中提到过鲁迅。

1960年代的日本是比较动荡的。中川在1967年3月号的《高分子》杂志中发表了一篇题为《应该怎么做(何をなすべきか)》的文章,抒发了对日本现状的不满。他就是在这篇论文中提到了鲁迅。而在1970年又在同一本杂志发表了跟政治相关的文章《新的非理性主义》,更加直接地批评了当时想要洗脱日本在二战中的罪行的思想。这种思想可能是1960年代对美国侵犯日本权益和尊严的抗议的过度反应。这篇论文最后一句很精彩:

意识形态的“锤子”可以自由挥舞意识形态,但不能自由挥舞现实。

我从中川这些零星的政治小文章,似乎看到了鲁迅笔下的对中国友好的那个藤野先生。

在禅寺的门前徘徊

最近我恰好也在整理粘弹性的研究历史。因此我发现中川对流变学历史的一些描述几乎可以认为他亲自作过科学史总结。特别是对开尔文对“粘弹性”的认识这一点,在看到他提到之外,我也只在另一个90年代的专门的科学史论文中看到。中川真的是一名大家,从他的著作和论文中可以看到,他贯穿基础物理和流变学,贯穿连续介质力学和统计力学,身兼实验家和理论家(我更多的愿意认为他是实验家),而且还是一名很好的老师和科普作家。他不亚于任何一名诺贝尔奖得主。

我又顺便找了一些其他日本作者的跟流变学相关的小文章。其中遇到了这篇,作者在Akron大学教过书。文章在讨论到“流变学很难学”的时候,提到说在夏目漱石的小说中,有一个关于一个人在禅寺门前来回走动的故事。 他思考着是否应该进入禅宗,最后他没有进入。 让我们在假设流变学也很难进入的情况下进行。 如果从正门进入有困难,是否有办法从后门进入? 要做到这一点,让我们从解释我们在日常生活中所经历的现象开始,不用数学公式,考虑什么是难以理解的。

作者在这里提到的夏目漱石的小说,其实是中篇小说《门》,具体地是指以下这段情节:

他自己去叫看门人开门,但是看门人在门的那一侧,任凭你怎么敲门,竟连脸也不露一下。只听得传来这样的声音:“敲是没有用的,得自己想办法把门打开后进来!” 宗助思考着如何才能把这门上的门闩拉开。他考虑好了弄开门闩的办法,但是他根本不具备实行这个办法的力量。所以自己现在的情况是同没想出办法来之前的情况毫无二致,他依然被锁在门里。他平时是依靠自己的理智而生活的,现在,这理智带来了报应,使他感到懊恼。于是,他羡慕那些根本不讲是非的刚愎自用者。同时也崇仰那些心无贰意的善男信女。他感到自己生就着必须长时伫立门外的命运,这是毫无办法的事。既然此路不通,自己却偏来走这条路,真是太矛盾了,而且回首身后,竟然连由原路而回的勇气也没有了。举目向前,却又只见厚实的门扉始终挡住了自己的视线。他不是能通过这门的人,又是非得通过不可的人。要之,他是一个只能悚然立在此门下等待薄暮降临的不幸者。

——夏目漱石《门》

这篇文章的作者,在谈到流变学模糊了液固定义的时候,又讲到了日本的一个故事:

在聚合物中,有三种状态:固体、橡胶和液体。 更准确地说,在固体(玻璃体)和橡胶体之间有一个玻璃-橡胶过渡区,也有一个橡胶体和完美流体之间的过渡区。 玻璃体是一种弹性物质,完全流体是一种粘性物质,但在中间状态下,它们同时具有弹性和粘性,因此粘弹性在聚合物流变学中很重要。 从这个角度来看,我们可以感受到流变学的难度。 什么是粘弹性? 既然粘度是流体的属性,而弹性是固体的属性,那么某种物质怎么可能同时是流体和固体?

很久以前,源赖政是京都的保护者。 皇帝不时地病倒。 每一次,都有一片黑云在宫殿上空盘旋。 作为一个弓箭手专家,他向黑云中间射了一箭,那怪物就倒下了。 于是,皇帝的病就被治好了。 这个怪物的形状是一只狗和一只猴子。 你能想象一个动物可以同时是一只狗和一只猴子吗? 流变学是否也需要一个不可能的想象力?

这里说的怪物是“鵺”,《山海经》的一种生物,在日本的描述中是类似一种结合了多种动物的神兽。这个故事是日本关于赖政射鵺的传说故事。这样讲去解流变学,是不是就是作者所说的“从后门进入”的办法?

科学研究与神创论信仰:Henri Devaux

这两天在查阅关于蛋白质分子在液液界面吸附的历史文献。关于最早做这个实验的人,很多文献都指向了Henri Devaux,界面物理化学的先驱。

一、Devaux研究单分子膜

Devaux原本是植物学家,但是后来对当时主要由物理学家关心的表面科学产生了兴趣,并做了重要的工作。但他同时也是个虔诚的福音派基督徒。

我想查阅的是他在1903年发表的第一篇关于清蛋白界面吸附的工作,但是这个工作发表的地方现在网上已经找不到了,甚至找不到这个期刊的介绍。我能找到的只有他在1931年对自己在表面科学方面的研分工作的总结,发表在Journal de Physique et Le Radium上[1]。由于是法语文献,我只把大标题小标题、图题、摘要和结论等部分用谷歌翻译DeepL翻译粗略读了一下。我发现他在最后总结里阐述了自己的研究工作与荣誉主的关系。

在此我补充一些背景知识。Devaux在这篇1931年的论文里报道的是表面活性剂分子在液体表面成形成单分子膜的实验。他特别研究了这种单分子膜的力学响应,发同这类单分子膜也可以显示出液体或固体的特征。因此这也可以视为界面流变学的开山之作。这种表面化学实验可以在厨房做,例如其中一个在这篇论文里报道了的实验:你在水面上撒上一层胡椒粉,然后滴一滴风油精,你会看到原本分散在水表面的胡椒粉突然被这滴风油精推开,形成一个空白的圆形区域。

在总结完一切现象之后,Devaux在论文中感叹道:

原文:Qu’on les examine dans le monde inanimé ou dans les êtres vivants, ces lames nous montrent un ensemble merveilleux et insoupçonné encore il y a quelques années. La mise en surface se révèle comme une mise en action d’énergies qui arrangent partout les molécules et les forces moléculaires, avec une précision et une ampleur qui nous rempliraient d’étonnement si nous pouvions les distinguer. L’aspect d’un millimètre carré d’une lame monomoléculaire de cire, avec ses 1 000 milliards de molécules, mieux rangées que la plus splendide mosaïque, ou celui d’un fragment de membrane nucléoplasmique dans une cellule végétale ou animale, avec son activité prodigieuse, nous saisirait d’admiration.

“Qui a créé ces choses et qui dispose en ordre leur armée ?….” pourrions-nous dire en paraphrasant un Prophète qui parlait des étoiles (Esaïe, 40, 26). Mais une telle question dépasse ce que peut dire la Science humaine [la science faite par les hommes]. Le moindre atome de matière, comme la moindre cellule vivante est et restera toujours un mystère ; nous devons nous prosterner devant la souveraine Puissance qui a créé les mondes, les molécules et les êtres vivants.

DeepL翻译(我作了修改):无论我们是在无机的世界中还是在有机体中研究它们,这些单分子层都向我们展示了一个奇妙的、却直到几年前才被发现的整体:液体的表面显示出一种能量,这种能量处处安排着分子和它们之间的作用力,其精确性和规模——如果我们进行分析——会使我们充满惊奇。一平方毫米的单分子蜡片,有一万亿个分子,却排列得比最华丽的马赛克、或者植物或动物细胞的一块核膜还要好,再加上其惊人的活性,都让我们赞叹不已。

“你们向上举目,看谁创造这万象,按数目领出,他一一称其名。……”我们可以套用一位谈到星星的先知的话来发问(《以赛亚书》,40:26)。但这个问题已经超出了人类科学[人造科学]的范围。最小的物质原子,就像最小的活细胞一样,现在和将来都是一个谜;我们必须在创造世界、分子和生命体的主宰力量面前跪下。

p. 268, H.E. Devaux. Les lames très minces et leurs propriétés physiques. J. Phys. Radium, 1931, 2 (8)

二、Le Roux研究Devaux

Devaux的思想确实引起了学者的注意。我找到一篇相关的论文专门探讨了Devaux在思想中是如何统一宗教与科学的[2],作者是Benjamin Le Roux,研究领域是20世纪的表面科学史。以下的内容主要参考了这篇以Devaux为研究对象的科学史论文。

Devaux留下了大量的书信和实验记录,在这些资料里Devaux更加自由地透露了他对科学与宗教的关系的认识。Devaux生在一个虔诚的新教家庭,并从小延续了相的宗教信仰。但是父亲的去世削弱了他的信仰。学习和从事生物学研究的他明白了所有的有机生物一旦死亡就会腐烂,他的父亲也不例外。但是在他参加了一个美国福音派基督徒会议之后,重新恢复了信仰。从他会后的感想中可以看到“您必须先相信才能理解”的认识。这使得他在生物学研究当中原本造成信仰削弱的一些困惑反而成了他更坚定信仰基础。这也同时使他更勤奋地进行研究工作。因为只要他坚定了信仰,那么他的科学研究最终将导致对信仰的更深刻理解。

Devaux在1903年发表的界面科学先驱工作,在他本人的理解完全是受主的启示和恩典,不是偶然发现。因此他才要发表,以便使更多的人看到主的全能。为什么他这么在乎这一研究呢?因为两亲分子在界面的自组织是导向理解生命现象的一扇门(哪怕从纯科学视角来看)。因为这种现象至少说明,无机世界并不总是自发导向混乱,有时竟也能自发导向有序。如此大量的分子,每一个都不例外地排成有序结构,这是很吸引人的。

Devaux这篇1931年的论文,恰好成了Le Roux的重点研究对象,花了专门的一节来讨论。像Devaux这样在自然科学论文里直接荣誉主,是很少见的,尤其是在J. de Phys.这个期刊里。在Devaux发表时候J. de Phys. Radium的编辑是朗之万(Paul Langevin)。他当时刚刚建立了Union Rationaliste(暂译为“理性主义者联盟”)。按照其法语的Wikipedia词条介绍,

原文:Elle lutte contre les différentes formes de dogmatisme ainsi que contre le recours au surnaturel, et promeut une éducation laïque et républicaine.

DeepL:它反对各种形式的教条主义以及对超自然现象的追捧,并提倡世俗和共和的教育。

Wikipedia

因此,这个组织的宗旨是与神创论相悖的,也相当程度上代表了朗之万本人的思想。Le Roux还检索了同一个期刊在1918到1939的所有论文中与宗教有关的词汇,发现只有Devaux的这篇使用。一个反对神创论的期刊编辑,竟然允许了包含宣扬神创论文字的论文得以不加修改地发表,也是一个值得注意的现象。

Le Roux从Devaux留下的资料分析说明,后者在“地球年龄”和“进化论”这两个主要议题上的取向。简单地说,Devaux通过当时最新的生物学考古和遗传学知识分析,认为圣经里关于神创造世界的七天,并非现在认为的一天24小时,而很可能所谓的一天实际上对应着上千年,也就是说它是一日千年论者(Day-Age creationist),不支持年轻地球论。但是同样的知识让他坚定认为物种的不变性,反对进化论。

更详细的可见Le Roux论文的结论(谷歌翻译):

Devaux所做的研究倾向于表明,在20世纪初,对上帝的信仰,即使表现出来,也不一定是科学事业的制度或概念障碍。因此,尽管公开宣讲了宗教话语,并且在福音派基督教徒联盟内部做出了积极承诺,但 Devaux 能够在其原始学科——生理学——以及其他领域(例如分子物理学)中作出贡献。然而,他作为科学家的方法以其力图与信仰和解的辩护为特征的。在他那里,信仰是一切的源泉,甚至似乎是日常科学研究工作的动力。无论是在发现还是在辩护的背景下,Devaux都为宗教事实留下了空间。

他是一日千年论的支持者,同时拒绝任何形式的进化。因此,他的神创论思想显然受到对圣经的坚定信仰的影响,但似乎也建立在遗传学,地质学和分子物理学的先进科学知识之上。尽管我们不应用当前科学认识水平去分析当年的科学研究者的思想——这无疑会使我们陷入对历史学家来说危险的回顾性幻想中——但是不可否认的是,Devaux的信仰形成了一个限制性的框架,他无法超越这个框架。

在法国,Devaux同时是表面物理化学和“正统福音派”的领导者。在不改变我们对科学与宗教之间的关系的观念的前提下,他的生活倾向于表明,谈论二十世纪时,当下经典的“对立”或“排斥”话语可能是过于简单的描述。在1930年,保罗·朗之万(Paul Langevin)作为一位最热衷于理性和世俗主义的捍卫者,在他编辑的科学杂志上容忍了一项宗教言论,留出了空间让著名科学家自由表达观点。这一事实在此提及并无任何规范性暗示。

在Devaux的实验室笔记本中,我们发现在他一生的思想当中宗教和科学之间经常对话。除了了解这种辩证关系在那个年代是否受欢迎之外,这种形式的存在以及它作为一种表达的方式也值得科学史学者关注。

Devaux的论文[1]中展示的一个小实验:小船尾部粘了一小块樟脑,推动小船在水面上游行。1890年,瑞利利用这一现象估算了分子直径[3]。瑞利在水上滴油,直至小船不再运动,并视此刻为油分子完整铺满水面。根据所滴加的油体积与水面面积,瑞利估计了分子的直径约为1.63 nm。这种实验方法在后来的20多年里没有大的改变,被包括Devaux在内的后续研究者重复。

References

  1. H. Devaux, "Les lames très minces et leurs propriétés physiques", Journal de Physique et le Radium, vol. 2, pp. 237-272, 1931. http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:0193100208023700
  2. "IV. Measurements of the amount of oil necessary iu order to check the motions of camphor upon water", Proceedings of the Royal Society of London, vol. 47, pp. 364-367, 1890. http://dx.doi.org/10.1098/rspl.1889.0099

书和作者

我是最近才知道这本书Fluid Mechanics for Chemical Engineers及其作者James O Wilkes(链接12),是个非常老的老头儿了。这本教科书也被低估了。在Amazon.com上,唯一一个比较长的书评很不公道。或者说,也许美国的学生被美国教科书宠坏了。作者是在写书的人之中真正专长于教学的。一般高年级本科或者研究生水平的教科书,只需做到内容正确、逻辑流畅和严密自洽,就能很好地满足自学者的需求。如果还有点作者对这个学科意图和旨趣的理解,并体现在独特的叙事上,那就甚至可以说具备欣赏价值了。但是,尊循学生学习规律去设计递进(例如特别是在推导技巧培养上),则往往是本科低年级教科书才讲究的事,却在这本书里表现得很突出。读这本书你会想象到作者搞了很多年课堂教学。他不仅能为其内容的严密自洽负责,还特别清楚他的内容在学习者那里所产生的效应并很好地去管理这种效应。后者的这种管理能力是很多学术水平很高但不搞教学的研究者所缺乏的。

作者年龄够老,且愿意在书里分享很多趣闻,这也进一步使得这本书读起来更像课堂。例如,在推导锥板之间的流体时作者就透露了Weissenberg跟他讲过的一件事:

Professor Weissenberg once related to the author that he (Prof. W.) was attending an instrument trad show in London. There, the rheogoniometer was being demonstrated by a young salesman who was unaware of Prof. W’s identity. Upon inquiring how the instrument worked, the salesman replied: “I’m sorry, sir, but it’s quite complicated, and I don’t think you will be able to understand it.”

p. 296

作者是个兴趣广泛的人。他还拿过管风琴学位,写过管风琴的书。2015年,他完成了祖父手稿《汉普郡的地名》和《怀特岛》的编辑工作,并将其作为一本624页的精装书出版,其中包括200幅插图,其中许多都是彩色的。