科学有什么用

——以航空航天科学的创立与发展为例

 

第五十八届柏林国际消费电子展，观众通过虚拟现实设备体验绿色洗衣技术。新华社发

　　【科技随笔】

　　笔者退休后，常受邀出去讲座，常常会被人们问到一个“老生常谈”的问题：科学有什么用?

　　其实，从古代直到19世纪，作为知识的科学同哲学密切相连。人类区别于动物的本质特征之一，就是善于思考。人类对世界的思考所产生的思想与观点，即为哲学，包括自然哲学和社会哲学。在西方，“自然哲学”曾包含了与今日科学有关的众多研究领域，如天文学、物理学等。古代中国人也提出过对宇宙、自然和物质世界的朴素哲学认知。

　　在科学的发展进程中，逐渐兴起用实验观察方法来认识世界，以可测试的解释和预测的形式构建与组织知识体系。从中国老子的朴素辩证法、亚里士多德的形式逻辑三段论和思辨的传统自然观，逐渐发展到“普遍的真理可以通过推理和归纳而得知”、强调“实验和不同程度的量化”，直到达成科学研究的一般性原则。

　　现在，让我们回到“科学有用吗”这个问题。回答是，当然有用，而且是重大的作用。但有时候，人们察觉不到它的作用。如果过分强调实用性，许多科学的原理无法被发现。

　　其实，“作用”不等同于“实用性”，而科学的作用要远比实用性大得多。以航空航天领域为例，一项又一项似乎无用的科学发现，垒建成现代航空航天大厦的基石，在此基础上，宏伟的建筑终于露出地表，并日臻壮观。

　　古希腊哲学家、数学家、物理学家阿基米德，在诸多领域为人类文明做出伟大贡献，他的《论浮体》是世界上第一部流体静力学专著，阿基米德原理揭示了流体的浮力规律，成为千年之后出现的各色浮空器的理论基础。

　　意大利文艺复兴巨匠达·芬奇，通过观察和分析鸟类翅膀的运动，写下科学文献《论鸟的飞行》，他还绘制了大量的飞行器草图。

　　1738年，瑞士物理学家、数学家丹尼尔·伯努利出版《流体动力学》，提出著名的“伯努利方程”，揭示了“流速增加、压强降低”的伯努利原理，奠定了流体动力学的基础。就此，也为百余年后出现的现代飞机的升力之源的诠释做好了科学准备。

　　但阿基米德和伯努利的发现，并未自然地产生航空应用科学与实用技术。流体静力学并未直接催生浮空器，流体动力学也并未立即促成飞机的出现。达·芬奇的研究成果在19世纪后期才被发现，也没有对航空发展产生实际影响。直到1809年，英国乔治·凯利发表《论空中飞行》，这一切才得以改变，现代航空学就此诞生。

　　基于空气动力学的一般原理，乔治·凯利对空气的阻力与升力进行了定量研究，他利用自己设计和制造的装置，研究得出了关于升力和速度间的关系。他勾勒出了现代飞机的轮廓，指出飞行器应有垂直舵面和水平舵面，对其操纵性、安全性和稳定性做出了分析。他的“现代飞机不应模仿鸟类振翼、而应采取固定翼加推进器模式”的论断，振聋发聩，使长期以来陷入仿鸟飞行迷阵的人们茅塞顿开。说凯利的科学理论，拨正现代航空的船头、开启了现代航空纪元，绝非夸张。

　　一个真正的航空时代到来了，乔治·凯利成为公认的航空科学之父。此后，在凯利科学思想的指引下，又经过近百年的发展，才有了1903年莱特兄弟的世界首例载人、有动力、可控飞行的成功。

　　航天领域呈现独立发展的形态稍晚于航空。其最重要的科学基础是火箭推进原理。不同于航空器，要借助大气，获得升力，以维持飞行，航天器在达到一定高度后，将要遵循轨道运行原理。而要达到足够的高度，必须获得足够高的速度，以摆脱引力。获得第一、第二、第三宇宙速度的飞行器，才可能绕地球轨道飞行、绕太阳飞行和冲出太阳系飞行。

　　在回答“如何获得高速”这个对于航天带有根本性的科学问题中，俄罗斯的齐奥尔可夫斯基和法国人埃斯诺·贝尔特利各自进行了独立研究，做出了奠基性贡献。齐奥尔可夫斯基在1898年完成、1903年发表论文《利用喷气工具研究宇宙空间》，指出，必须依靠火箭这一反作用机械飞离地球，并给出了火箭运动的基本公式。埃斯诺·贝尔特利1912年发表论文《关于无限减轻发动机重量的可能性的结果的思考》。二人分别导出了第一宇宙速度和第二宇宙速度。

　　航空航天的本源是一致的，都以满足人类离开地面的愿望而生，故有共同的科学基础，最重要的基础是力学。力学又称经典力学，是研究通常尺寸的物体在受力下的形变，以及速度远低于光速的运动过程的一门自然科学;主要研究能量和力以及它们与固体、液体及气体的平衡、变形或运动的关系。力学源于物理学，随着弹性力学和流体力学基本方程的建立，逐渐从物理学中脱离而成独立学科，反成为物理学以及天文学和诸多工程学的基础。

　　现在，不管飞行器如何发展，其本质是机械装置，飞行的本质则是机械运动，其运动规律符合经典力学原理。飞行器设计必须以经典力学为基本依据，声障、热障等重大航空航天现象的解释与解决也离不开力学。当然，随着力学的不断发展，和对物质运动的深入研究，其他形式的物质运动，如热运动、电磁运动、原子及其内部的运动和化学运动等，日渐受到重视，而其中大部分也与航空航天密切相关。

　　至此，我们大体看到了科学的作用，科学不特定于某一具体的产品开发，科学也不会自然地导引出实用技术，但科学揭示规律，科学指明道路。科学从基础研究开始，经过持续积累，逐渐形成体系。那些学科学、懂科学的聪明人，将会在某一时刻，迸发出创意与灵感，产生新技术的突破，也终于可以研发出一个又一个造福人类的新产品。

　　面对我们当前基础研究薄弱、原始创新乏力的现状，需要从深入思考科学的本性、科学的本源、科学的特质出发，营造宽容而富有活力的创新氛围，充分尊重从事基础研究的科学家和科学工作者，对尚无法理解的基础研究，不能轻易斥为“伪科学”。但同时，科学具有逻辑性和连贯性，拥有实证特征，科学的方法论也大体明晰，假大空的科学骗局虽时有出现，但终究没有市场。随着全民科学素养的不断提高，科学精神与民主自由精神融为一体，全社会尊重科学和科学家蔚然成风，充分认识科学的作用，正确识别科学成果的价值，也将成水到渠成之势。

　　(作者：张聚恩，系中国航空学会常务理事、研究员)