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如何突破理论研究的桎梏呢?

已有 5909 次阅读 2016-11-26 11:23 |个人分类:建言献策|系统分类:科研笔记| 突破, 理论研究

纵观科学发展史,牛顿、爱因斯坦等这些天才巨匠发现了某些“照亮星空”的普适规律,前前后后的各路豪杰也搞出了不少专业定律。时至今日,容易被发现的定律早已被聪明绝顶学者瓜分完毕,潜伏很深的定律需要新时代的“牛A他弟”攻城拔寨。所以嘛,现在想在理论上有一点突破,确实非常困难。

任何自然对象的演化不仅受自身物质属性的影响,还受环境因素的影响,这些因素叠加到一起,往往呈现复杂的非线性行为。人们通过对这些行为引发现象的观察,采用理论、试验与测试分析等手段,想透过现象看本质,往往困难重重。有的人被假象所迷惑而误入歧途,有的人被现象误导带入了“地沟”,有的人想面面俱到地考虑各种因素,即使能勉强写出描述系统演化的非线性动力学方程,但常面临解法和参数选择的困难,仍然像面对“刺猬”般地干着急而无从着力。

如何突破理论研究的桎梏呢?我看还得走化繁为简的道路。以斜坡稳定性为例,影响其失稳的因素太多了,不仅对其本身的物质、结构等难以搞清楚,而且降雨、地震、剥蚀卸荷等外部环境因素的作用亦难以量化,所以对斜坡稳定性搞了多年,仍未在稳定性理论分析上有重要突破。

不过,这事儿咱一步一步地捋捋,就能化繁为简了。

1)斜坡滑动得沿着软弱面(滑动面)吧,否则动弹不了。如果这个滑动面全是软弱物质,一下大雨,不就滑了,但许多斜坡历经多年暴雨也未滑,说明了什么?深入想一下,对了,滑面上得有阻滑的高强介质吧。若它不被剪断,斜坡无论如何也滑不下来。

2)这下找准了主控因素,把复杂的坡稳定问题转化为较简单的高强介质破坏问题了。如此,若咱搞清楚它的破坏机制,一切问题都可以迎刃而解啦。

3)高强介质的破坏受重力荷载、降雨与地震等因素的影响,破坏过程也很复杂,怎么办?还得抓主要矛盾。把降雨、地震等环境因素视为随机荷载,只看荷载作用下高强介质破裂经历几个阶段。

4)由岩石力学试验知,需经历压密、弹性、稳定破裂、非稳定破裂和峰后破坏阶段。在这些阶段中,有两个点很重要,即体积膨胀点和峰值强度点,对非均匀介质,到了峰值强度点意味着高强介质被剪断,但要到达峰值强度点,体积膨胀点是必经之路。如果建立了两点的应力或应变比值联系,有可能把环境因素、几何与力学参数的影响消除了,使得问题被大大简化。这一步的的核心是,从万变中寻找不变的物理量。

5)如何建立两点之间的联系呢?得找高招儿。岩石是非均匀介质,内部的微缺陷(裂纹)纵横交错,受载到一定程度裂纹之间还要“打架”(非线性作用),若仅聚焦于微观角度,即使能写裂纹演化的非线性方程也难以求解。肿么办?凉拌,引入统计强度理论,架设从微观到宏观的桥梁即可畅通无阻。

俺们这些年就是这么想的,也是这么做的。目前看来,这样做是正确的,前景看好。

高大上的重整化群理论应用于不少领域,取得了重要成果。其理论实质也是:通过粗视化过程改变研究对象的观测尺度,以便抹除其内部某些琐碎细节,进而凸显其内部某种物理量不变特征,以揭示其规律。

做理论研究,建议先把大问题转化为一个或几个等效的小问题,抓住小问题的主控因素和机制猛攻,不要被细节所羁绊,则可能有所突破揭示其本质规律。

理论搞到什么程度算有点眉目了呢?我的理解是像牛二定律一样简单。这是为什么呢?还是从大师们的名言中寻找答案吧。

伽利略建言“自然界总是习惯于使用最简单和最容易的手段行事。”;达芬奇认为“自然界总是以最简洁的方式行动牛顿悟到“把复杂的事情简单化,可以发现新定律。”;爱因斯坦提出了逻辑简单性原则,认为“这些不能在逻辑上进一步简化的基本概念和基本假设,组成了理论的根本部分,它们不是理性所能触动的。一切理论的崇高目标,就在于使这些不能简化的元素尽可能简单,并且在数目上尽可能少,同时不至于放弃对任何经验内容的适当表示。

搞出的理论对不对呢?必须通过观测数据验证。初步对了呢,要穷追不舍地深挖扩大战果;若还是有问题,看看主控因素找准了没有?简化的模型对不对?在山重水复疑无路的窘境下,只要大方向正确,经过坚持不懈地努力,终能找到柳暗花明又一村。





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