钱学森院士:“分分合合”的三类科学

2017-03-20 09:29 来源:中国科普博览 
2017-03-20 09:29:35来源:中国科普博览作者:责任编辑:肖春芳

  作者:钱学森(中国科学院院士)

  在人们从事生产的过程中,必然地累积了许多对自然界事物的经验,这些经验可以直接应用到生产上去,也可以先通过分析、整理和总结,然后再应用到生产上去。

  直接应用这一个方式是工艺的改进,是所谓的工程技术,而把经验进行分析、整理和总结就是所谓的自然科学的起源。

  所以工程技术和科学研究只不过是人们处理生产经验和对自然界观察结果的两方面,基本上是同一来源,而且两方面工作的最终目的也是一样的,都是为了改进现有的和创造更新的生产方法来丰富人们的生活。

  在这里,自然科学这一名词是用来指包括数学、物理学、化学,以及生物学、地质学等在内的科学,但是并不包括工程技术。

  是科学家也是工程师?

  在科学发展的早期,我们不能把科学家和工程师分开来。一位物理学家同时也可能是一位工程师,牛顿就是一个著名的例子。

牛顿

牛顿

  牛顿不仅因发现了力学上的三大定律,而奠定了理论力学的基础,而且他也是一位结构工程师,他设计了一条在英国剑桥大学校址中的木结构桥,这桥据说至今还存在。

  再像欧拉,他不仅是一个大数学家,而且在工程结构的稳定问题上也作出了伟大贡献。

  但是在十九世纪中,当科学在资本主义社会中得到了迅速的发展,科学家的确和工程师“分手”了

  当时的科学家们忙于建立起一个自然科学的完整体系,而工程师们则忙于用在实际工作中所积累了的经验来改进生产方法。

  同时,欧洲的一些学者和科学家,对工程师是看不起的,认为他们是一些有技术但没有学问的人,而工程师们又认为科学家是一些不结合实际的幻想者,由此也让两方面的人缺乏了相互之间的了解和合作。

  当然,科学家和工程师“分手”的这种现象,也是事实上的一种社会需要。

  某一部分的工作因发展而变得更复杂了,工作量也大了,此时若要一一兼顾,自然是不可能的,分工就成为必需。但这也不能完全解释为什么分工之后不能保持紧密的联系,我相信其中必定有更深入的原因。

  而这原因,则多是由于当时科学的发展还没有达到一个完整体系的阶段,自然科学的各部门中虽然有些部分是建立起来了,但另一些部分又确是模糊的,不明确的。

  也就是说,当时的自然科学自身还有不少漏洞,不是一个结实的结构,所以当时的自然科学还不能作为工程技术的可靠基础,来把工程技术完全建筑在自然科学基础上面。

  由于这些漏洞,有一些纯由理论所推论出来的结果明显不符合事实,动摇了工程师们对当时自然科学的信心。

  这样看来,我们便可以完全理解,为什么在十九世纪中和二十世纪初年工程师与科学家之间会出现隔膜了。

科学家

科学家(图片来源见水印)

  工程与技术也要分开而论

  在原子和分子世界中,有量子力学;在日常生活的世界里,有牛顿力学;在大宇宙的世界里,有一般相对论的力学。于是,在今天来看,我们对物质世界的认识,只要是在原子核以外,只要除开个别几点,是基本上没有问题了。

  由这个事实出发,有许多科学家认为:一切工程技术可以看做是自然科学的应用,而一个工程师的培养只要在他的专门业务课程之外,再加上自然科学就行了,就可以保证他在以后工作中有解决新问题和克服困难的能力。

工程师

工程师

  于是,学校将工程师的培养和技术员的培养分开来,把工程师作为一个科学的应用者,培养出来的工程师比起老一辈的工程师来,的确有科学分析的能力,在许多困难的问题上不再完全靠经验了,能用自然科学理论来帮助解决问题。

  但这不过在一定程度上如此而已,至于课程改革原来的目的:把工程技术完全建立在自然科学的基础上,是没有完全实现的。

  这种课程是四年制的,前两年着重在自然科学,后两年着重专门业务,但是两部分之间没有能结合起来。

  前两年他是一个学者,追求着自然界的真理,运用理论的分析而且做严密的实验,确是在高度学术空气中生活着的。但是一过了两年,进入了后一阶段的教育,他又忽然从学术空气中被赶出来,进入了工程师们所习惯的园地,放弃了分析方法,去研究经验公式了。

工程师与大学生

工程师与大学生

  这样培养出来的工程师一进入到实际工作中,不久就把他们学过的自然科学各个学科的大部分内容都忘了,数学也不大会用了,只不过还会运用自然科学的一般原则来帮助他思考罢了。若要真正以科学的理论来推演出他们在工作中所需要的准则,他们还是不能做到的。

  那么究竟怎样才能真正以科学的理论来推演出他们在工作中所需要的准则?

  我们知道,自然科学的研究对象并不是大自然的整体,而是大自然中各个现象的抽象化了的、从它的环境中分离出来的东西。

  所以自然科学的实质是形式化了的、简单化了的自然界。虽然关于原子核以外的世界,现在已经发现了许许多多的自然规律,但毕竟自然科学还是要不断发展的。

  在任何一个时代,今天也好,明天也好,一千年以后也好,科学理论绝不能把自然界完全包括进去。总有一些东西漏下了,是不属于当时的科学理论体系里的;总有些东西是不能从科学理论推演出来的。

  所以,虽然自然科学是工程技术的基础,但它又不能够完全包括工程技术。

  如果我们要把自然科学的理论应用到工程技术上去,这不是一个简单的推演工作,而是一个非常困难、需要有高度创造性的工作。

  我们单纯地说科学理论应用到工程技术上去是不合适的,应该更确当地说,是要达到科学理论和工程技术的综合。

  因此,有科学基础的工程理论就不是自然科学的本身,也不是工程技术本身,它是介乎自然科学与工程技术之间的,它也是两个不同部门的人们生活经验的总和,有组织的总和,是化合物,不是混合物。

  科学家vs技术科学家vs工程师?

  我们不可能要求一个高等学校的学生仅仅用四年的功夫把“工程技术”这个非常困难的工作做好,他们最多只不过能把科学和工程混在一起,绝不能让两者之间起化合作用。

  要综合自然科学和工程技术,产生有科学依据的工程理论需要另一种专业的人,这个工作内容的本身,成为了人们知识的一个新部门: 技术科学

技术人员

技术人员(图片来源见水印)

  它是从自然科学和工程技术的互相结合所产生出来的,是为工程技术服务的一门学问。

  由此看来,为了不断地改进生产方法,我们需要自然科学、技术科学和工程技术三个部门同时并进,相互影响,相互提携,决不能有一面偏废。

  同时,我们也必须承认,这三个领域的分野不是很明晰的,他们之间有交错的地方。

  如果从工作的人来说,一人兼在两个部门,或者甚至三个部门是可以的,所以一个技术科学家也可以同时是一个工程师;一个物理学家也可以同时是一个技术科学家。

  不但如此,这三个领域的界限不是固定不移的,现在我们认为是技术科学的东西,在一百年前是自然科学的研究问题,只不过工作的方法和着重点有所不同罢了。

  更要明确的是:在任何一个时代,这三个部门的分工是必需的,我们肯定要有自然科学家,要有技术科学家,也要有工程师。

  自然科学、技术科学和工程技术之间的相互影响和相互提携,这也就是说,我们不能只看到自然科学作为工程技术的基础这一面,而忽略了反过来的一面——一个反馈作用,也就是技术科学对自然科学的贡献。(内容来源于《院士谈力学》,略有删节和修改,转载自科学大院微信公众号)

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