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麦克斯韦速率分布(麦克斯韦速率分布函数的物理意义)

麦克斯韦速率分布(麦克斯韦速率分布函数的物理意义)

材料学姓“化”还是姓“理”,兼谈材料学究竟学什么?

原创2021-08-07 10:17·新材料科学与工艺

物理学研究物质世界的规律,材料学则是研究有用物质的规律。从这个意义上讲,材料学当然是科学;但材料学光有科学是不够的,还得是一门技术,要能够加工成型,能够真正用起来。

因此,材料学天然就是一门交叉学科,科学与技术结合的产物。也正因如此,绝大多数大学的材料学院,全称都是“材料科学与技术(工程)学院”。

材料学姓“化”还是姓“理”,兼谈材料学究竟学什么?

那么,单就材料科学而言,大学期间主要该学习哪些内容呢?

材料科学是化学与物理的结合,换而言之,学习材料科学之前,应该先学相当的化学和物理知识。

比较遗憾的是,当前国内大学的材料专业,绝大多数都是安排在化学学院之下的,学生的化学课相对较多,物理课则少得可怜。这种安排有不得已的成分,但确实不合理。不得已的原因在于大学毕竟就四年,难免顾此失彼,无法同时兼顾化学和物理;不合理在于,不少学生以为会合成就会做材料,甚至以为化学式就可以决定材料的结构与性能——很显然,钢筋、混泥土和砖块,距离摩天大楼还是有相当距离的。

材料学需要什么样的物理呢?

最重要的可能是《固体物理》,也可以作为检验材料人理论功底的试金石。如果能看懂《固体物理》,这样的物理程度,基本上可以满足材料科学的学习。当然,《固体物理》属于比较中上的物理课程,要修《固体物理》前面需要修好大学物理或者说普通物理,尤其要对热力学部分有深入的理解和学习,若能专门修习《统计物理》,对于材料学的学习将大有裨益。一般说来,牛顿经典力学和爱因斯坦相对论,对于材料学来说用到的不多,材料学最基本的原理,来自于量子力学。量子力学就是材料学最底层的架构,用一两学期精通是不大可能的,只能常学常新,不断加深认识。

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当然,在学习化学和物理之前,需要有一定的数学基础。对于材料科学而言,对数学要求不高,只要懂点微积分,能支撑把相关物理课程学习下来即可。数学课程不在于多,高等数学和线性代数以及一点概率论的知识足够了,关键是熟练程度。

关于数学,需要多说一句。数学本身是很难学的,尤其是纯数学。但对于非物理专业的人来说,数学只是工具,够用即可。在物理规律的推导中,通过纯数学的推导往往非常繁复,技巧性很高的;但作为物理学习而言,清晰的物理图像可以极大地简化计算。比如在气体动理论中推导麦克斯韦速率分布函数,有一个假设是速率沿着不同方向的分布是相同的。关于这一点,如果想通过数学方法去证明,就会非常繁复且未必能证得出来;但结合具体模型可知,这一假设是合理的,因此是显然而无需证明的。

材料科学是化学和物理共同孕育的学科,就国内的本科教育而言,一旦进入材料专业,化学部分的知识一般是足够的,但物理方面的知识,更多可能需要自学来完成。只有少数几所顶尖院校,在材料学专业中给予了足够的物理重视。这种重视未必是开设专门的物理课程,而是在通识型的大学物理课程中,尽可能讲清物理概念,并且尽可能以近代物理的观点重新讲述传统的、经典的物理知识。如此,则不必额外增加物理课时间,而学生却能受到更多物理学的涵养。这需要授课老师具备足够的物理学修养,学生具有足够的求知欲,方能成此佳境。中国科学技术大学的本科教育,无论什么专业,都得上大学物理,做大学物理实验,强调数理基础到了这样的地步,无怪乎中国科大近些年不断涌现重大研究成果。

材料学姓“化”还是姓“理”,兼谈材料学究竟学什么?

材料科学是一门实验科学,但实验绝不等于科学。

材料学是论文的高产区,但翻阅这些论文,更多像是技术报告,即合成了某种材料或改性了某种材料,该材料具有某某性能,具有某某潜在应用价值等——这些论文当然是有意义的,至少积累了宝贵的第一手数据。但很少有论文是从基本原理出发,或者奔着真正科学问题去的。只要做实验,就一定会产生数据,但数据不是科学,透过这些数据,能洞悉到什么样的科学规律,发现什么科学原理,这才是科学。最经典的例子莫过于黑体辐射,实验能得到的是辐射能量随温度和频率的变化关系。通过实验得到这样的数据当然很重要,但更为重要的是如何解释这些数据,瑞利-金斯的半经验规律固然已经比较漂亮——但真正原创性的工作,则是透过黑体辐射的数据,提出能量量子化这一伟大概念,而这也正是普朗克所做的工作。

同样是黑体辐射数据,不同的人所能做的工作,品味截然不同。

总之,在材料科学姓“化”还是姓“理”的这一问题上,个人以为物理学更为重要些,体现了研究者本身的科学修养、眼光、洞察力,直接决定了研究工作的品味以及解决实际问题的能力。随着我国科研水平的不断提高以及产业升级的需要,新兴的材料学人不能止步于合成以及表征,而应该在具有一定化学基础之后,努力去吸收现代物理学的养分。唯有如此,才有可能涌现出更多高品位、开创性的研究工作以及创造出更多能够引领产业发展的新材料。

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