关于最小耗能原理

上世纪70年代末，笔者提出并开始研究最小耗能原理。该项研究的目的是要把诺贝尔奖获得者——普利高津在1945年确立的、只适用于平衡态附近线性区稳定态的、不具普适性的最小熵产生原理（即最小能耗率原理）推广到非线性非平衡态热力学过程的任意瞬时，从而使之成为一个具有普适性意义的新最小熵产生原理（即最小耗能原理）。鉴于这一推广具有理论和实用两方面的重要意义，因此曾有不少研究者也进行过这种推广的尝试，但均未获成功。普利高津本人甚至认为这种推广是不可能的，以致他的这一观点后来也就成了非平衡态热力学理论的基本观点。笔者在经过长久的认真思考之后，实现了这种推广，并在近四十年的研究过程中、在唐松花博士的协助下，完成和出版了五部专著^[1～5]。其中文献[2、3]详细论证了：“为什么新最小熵产生原理（即最小耗能原理）的适用范围可以拓展至非线性非平衡态热力学过程中任意瞬时的根本原因”，同时还分别以阐明基本理论及应用举例的方式，在传热学、电路计算以及建立各种不同材料的强度、断裂、损伤准则，各种材料的本构关系和在分析力学、弹性力学、塑性力学、粘弹性力学、河流动力学、河床演变学等方面的应用问题上，证明了新最小熵产生原理（即最小耗能原理）是正确的。文献[4～6]则将之应用于地震和岩爆问题的研究，为解决这两个公认的世界性科学难题提供了新的思路。此外，笔者还在文献[7]中初步讨论了最小耗能原理在材料科学中的应用问题；在文献[8～10]中提出了将最小耗能原理用于气象学研究的设想，并因此而受到论著颇丰的著名气象学家张学文研究员的关注与鼓励；另外，笔者还认为，最小耗能原理或许能为生命科学研究提供一些新思路，为此特撰写了“最小耗能原理（即新最小熵产生原理）与生命科学研究”一文，并将该文发给了施一公及饶毅两位生命科学研究领域中的著名专家，以期得到指教，后因一直未获回复，无奈之下只好将该文在笔者<科学网>博客中发出^[11]。出乎预料的是：该文竟得到中国医学科学院北京协和医院生物医学工程研究所、国务院特贴专家范振英研究员的推荐，并且迄今为止，该文还是笔者<科学网>博客中所发的一百多篇博文中阅读量最高的一篇博文（截至2021年6月8日10时26分，已有4789次阅读）。

正如曾庆元院士在为笔者与唐松花博士合著的文献[3]所作的序中所说：鉴于这是一项源头性的理论创新成果（笔者注：指最小耗能原理），而任何真正的创新又都不可能没有争议，同样也只有在不同意见的比较和争论中，才有可能推动科学的创新和取得进展”，自笔者提出最小耗能原理之后，曾引来了有关领域的一些专家和学者的质疑。 对于各类学术刊物对笔者所投稿件及申报自然科学基金项目的一些有代表性的质疑性评审意见，笔者均在文献[3]中全部全文刊出，并作了相应的回应和解释。对于河南师范大学赵文桐教授、天津大学徐国宾教授、美国科罗拉多大学杨志达先生，以及浙江大学的胡亚元副教授在有关学术刊物及<科学网>上公开发表的不同意见，笔者也在文献[12～19]中分别作了回应和解释（其中文献[16]在科学网上发布大约一年之后，被<科学网>“因作者的隐私设置未通过审核而隐藏”）。

笔者于2001年退休，除文献[1]是退休之前完成的外，文献[2～7]以及前述的一些答辩性的工作，都是在退休之后完成的，笔者之所以在退休之后的20年仍坚持从事这项研究工作，与下面所述的一件事情紧密相关，即笔者在将“新最小熵产生原理”一文投寄<中国科学>遭退稿之后，<中国科学>编辑部又转发来一份迟到的审稿意见，其全文为：“最小熵产生原理是Prigogine教授最重要的贡献之一，他指出系统在偏离平衡态不远的线性区处于稳定态时，熵产生一定最小。此原理十分重要，然而在远离平衡的情况下并不成立。此后Prigogine在远离平衡的状态下建立和发展了耗散结构理论。 但最小熵产生原理一直具有很大的局限性。本文作者声称他们把这一原理做了推广，推广到非线性区、非稳定态的每一瞬间，也即推广到任意非平衡态。如果他们的工作是正确的，意义将十分巨大，新原理可能处于与热力学第一、第二定律同样重要的地位，应用也要比Prigogine的最小熵产生原理广泛得多。他们提出了新的思想，文章可能有意义。为了慎重起见，建议请统计物理专家（例如北师大的胡岗教授）再审一下”。正是因为这份审稿意见中“如果他们的工作是正确的，意义将十分巨大，新原理将处于与热力学第一、第二定律同样重要的地位”这段文字，支撑着笔者退休之后依然在努力试图证明新最小熵产生原理（即最小耗能原理）是正确的这项“意义将十分巨大”的工作。

功夫不负苦心人，由于文献[1～5]的正式出版，笔者的新理论逐渐受到一些学者们的关注。2009年经第三方检索，文献[1]曾被他引56次，且其中有30篇他引论文就是根据应用最小耗能原理所获的新成果写成。 现因笔者退休多年、年事已高且视力衰退，已无精力再进行仔细检索，粗略估计他引文献[1～5]的论文，如果包括博士及硕士学位论文在内，数量或在200篇以上，并且其中有相当一部分就是根据应用最小耗能原理的新成果写成。其中比较有代表性的为：2005年发表在<中国科学>G辑上，由郭辉萍等撰写的“电磁媒质本构关系公理化约束”，该文在摘要中指明：“从最小耗能原理出发，导出了任意线性均匀非时变媒质参数应满足的约束关系，为任意电磁媒质本构关系的确定提供了一条新的技术途径”；2003年发表在<岩土力学>上，由杨松林等撰写的“裂隙蠕变的稳定性准则”，该文在摘要中指明：“从最小耗能原理出发，利用线粘弹性断裂理论推导了裂纹蠕变的稳定性准则”；2008年发表在<工程力学>上，由胡伟等撰写的“饱和粘土中挤土桩球形孔扩张的弹塑性分析”，该文在摘要中指明：“由最小耗能原理从能量的角度推导出了饱和粘土中挤土按球形孔扩张后，土体整个范围内、包括弹性区、塑形区、破坏区的应力、位移及超孔隙水压力分布的解析解”； 2004年发表在<建筑结构学报>上，由蔡勇等撰写的“砌体在剪—压作用下抗剪强度研究”，该文在摘要中指明：“根据最小耗能原理和正交各向异性材料的破坏准则，确立了砌体在剪—压作用下的相互关系式，该式与试验结果吻合较好，能完整地表达剪摩、剪压和斜压三种破坏形态”；2007年发表在<固体力学学报>上，由丁发兴等撰写的“基于损伤泊松比的砼多轴强度准则”，该文在摘要中指明：“应用损伤力学理论和最小耗能原理，根据砼单元体的耗能率应受到强度准则的约束，建立了砼在多轴应力状态下强度准则的一般形式并揭示了砼的破坏机理”；2007年发表在《材料科学与工程学报》上，由史建平等撰写的“反复低速冲击下短纤维复合材料的能量耗散与损伤演变”，该文摘要指明：“运用热力学理论和最小耗能原理，研究了反复低速冲击下短纤维复合材料的能量耗散与损伤演变；2009年发表在<噪声与振动控制>上，由顾红军等撰写的“受轴向冲击圆柱壳非对称屈曲分析”，该文在摘要中指明：“根据最小耗能原理，证实变形规律存在，并分析得到随半径增加圆柱壳非对称屈曲三角形模式向多边形模式发展，最终有转变为轴对称变形模式的可能”；2009年发表在<空间结构>上，由徐晓红等撰写的“损伤对张弦桁架机构弹塑性动力稳定的影响”，该文在摘要中指明：“本文利用最小耗能原理建立并推导了考虑损伤影响的上弦桁架杆单元结构平衡方程”；2008年发表在<科技论坛>上由陈剑红撰写的“基于能量原理岩爆损伤演化模型研究”，该文在摘要中指明：“由最小耗能原理出发，利用基于可释放应变能建立的整体破坏准则，推导了岩爆损伤演化方程的一般形式”；2014年发表在<工程热物理学报>上，由中科院工程热物理研究所杨金福研究员撰写的“热力循环系统及其能量标度的研究与探讨”，该文在摘要中指明：“基于热力学相关定律和最小耗能原理，给出了势能变化规律”，同时在文中还特别指出：“最小耗能原理将大自然的节约法则提升到了理性的认识高度”， “遗憾的是至今为止经典热力学框架体系中，始终没有重视最小耗能原理的科学价值”；2013年发表在<华东公路>上，由马登阳等撰写的“桥梁结构的概念设计与美学评价”，该文在摘要中指明：“强调了最小耗能原理这一基本准则对桥梁概念设计的指导作用”；2014年由朱汉华等撰写并由人民交通出版社出版的“土木工程结构变形协调与受力安全”一书中第二章的标题为：“基于自然法则与最小耗能原理研判工程结构的平衡稳定性”；……类似这类的例子还有不少，笔者就不再一一列举。 现仅以文献[20～35]为例，显然从这些文献的标题，就能看出这些论文也都是应用最小耗能原理所获得的新成果写成。

如笔者在文献[36]中所述， 基础理论研究所获的成果，有可能为众多应用学科提供创新的思路和理论基础，这或许就是当前重点高等学校中提倡重视和加强基础学科的主要原因。

参 考 文 献

[1] 周筑宝. 最小耗能原理及其应用. 北京：科学出版社.2001.

[2] 周筑宝, 唐松花. 功耗率最小与工程力学中的各类变分原理. 北京: 科学出版社, 2007.

[3] 周筑宝, 唐松花. 最小耗能原理及其应用（增订版）. 长沙：湖南科学技术出版社.  2012.

[4] 周筑宝, 唐松花. 基于最小耗能原理的地震预测、预报理论. 北京: 科学出版社, 2015.

[5] 周筑宝, 唐松花. 基于最小耗能原理的岩石破坏理论与岩爆研究. 北京: 科学出版社, 2017.

[6] 周筑宝, 唐松花. 最小耗能原理与地震预测问题. 地震, 2014, 34（4）.

[7] 周筑宝, 唐松花. 最小耗能原理在材料科学研究中的应用. 中国科技信息, 2019（599）.

[8] 为笔者<科学网>博客题为“最小耗能原理或许能为<天河工程>提供理论依据”的博文.http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3355154&do=blog&id=1167074

[9] 为笔者<科学网>博客题为“基于最小耗能原理解决<天河工程>问题的理论框架”的博文.http://blog.sciencenet.cn/blog-3355154-1167712.html

[10]为笔者<科学网>博客题为“对基于最小耗能原理解决<天河工程>问题的理论框架（即给张学文教授的信函）一文中某些问题的进一步说明”的博文.http://blog.sciencenet.cn/blog-3355154-1168259.html

[11]为笔者<科学网>博客题为“最小耗能原理（即新最小熵产生原理）与生命科学研究”的博文.http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3355154&do=blog&id=1077119

[12]周筑宝. 对《评<最小耗能原理及其应用>一书》一文的答辩. 湘潭大学学报(自科版), 2004（4）.

[13]对徐国宾、杨志达两先生某些论点的讨论. 水利学报, 2014, 45（1）.

[14]对徐国宾、杨志达两先生某些论点的再讨论. 水利学报, 2015, 46（11）.

[15]关于对徐国宾、杨志达两先生某些论点讨论的小结. 水利学报, 2017, 48（11）.

[16]为笔者<科学网>博客题为“致胡亚元同志（对科学网2016.9.29胡亚元发布的‘总理也需要有个赞’一文的回应）”的博文.http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3355154&do=blog&id=1070796

[17] 为笔者<科学网>博客题为“再致胡亚元同志（对胡亚元同志‘人性高于崇高’一文的回应）”的博文. 2017.12.8

http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3355154&do=blog&id=1088781

[18]为笔者<科学网>博客题为“三致胡亚元同志——对胡亚元‘数学、逻辑和创新’一文的回应”的博文.2018.1.3

http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3355154&do=blog&id=1098321

[19]为笔者<科学网>博客题为“四致胡亚元同志”的博文. 2018.2.26 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3355154&do=blog&id=1101300

[20]刘学观, 郭辉萍, 殷红成等. 最小耗能原理与媒质参数约束关系的初步研究. 电波科学学报, 2004, 19(Z1).

[21]王宝来, 温凤春, 梁军. 基于最小耗能原理的复合材料强度问题研究. 第十四届全国复合材料学术会议论文集(下). 2006.

[22]田云德, 秦世伦. 运用最小耗能原理对梯度材料强度准则的探讨. 科学创新导报,2007(32).

[23]邱战洪, 张我华, 陈云敏. 基于最小耗能原理的黏弹塑性损伤模型. 岩土力学(增刊). 2007(28).

[24]杨大勇, 高玮. 基于最小耗能原理的岩块损伤演变研究. 金属矿山, 2008(87).

[25]刘滨. 基于最小耗能原理的岩爆孕育发生机理研究. 中科院武汉岩土所, 博士学位论文.

[26]李正军. 基于最小耗能原理的水力压裂裂缝启裂扩展规律研究. 东北石油大学,博士学位论文，2011.

[27]王红. 基于最小耗能原理的弹塑性本构及裂纹扩展的数值仿真. 暨南大学, 博士学位论文, 2012.

[28]王红等. 基于最小耗能原理的塑性应变流动法则. 上海大学学报（自科版）, 2012（8）.

[29]吕洪森等. 基于最小耗能原理的砼力学本构模型研究. 硅酸盐通报, 2018（8）.

[30]李栓虎等. 基于最小耗能原理的构造地震预测方法浅析。国际地震动态, 2019（8）.

[31]杨胜如等. 基于煤体流变最小耗能的矿井构造煤形成分布. 煤矿安全, 2017（4）.

[32]孙梦成等. 基于最小耗能原理的岩石损伤本构模型研究. 中南大学学报（自科版）, 2018（8）.

[33]马幼华. 基于最小耗能原理的盾构隧道管片纵向接头损伤检测. 山西建筑, 2020（9）.

[34]张树光等. 基于最小耗能原理的花岗岩蠕变损伤分析. 应用基础与工程科学学报, 2019（1）.

[35]蔡勇. 基于最小耗能原理的砌体抗剪強度统一模式. 中南大学学报（自科版）, 2007,35（5）.

[36]为笔者<科学网>博客题为“试论基础研究理论研究与应用学科中的创新二者的关系”的博文.http://blog.sciencenet.cn/blog-3355154-1177062.html