科學有什麼用——以航空航天科學的創立與發展為例

　　【科技隨筆】

　　作者：張聚恩（中國航空學會常務理事、研究員）

　　筆者退休後，常受邀出去講座，常常會被人們問到一個「老生常談」的問題：科學有什麼用？

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　　其實，從古代直到19世紀，作為知識的科學同哲學密切相連。人類區別於動物的本質特徵之一，就是善於思考。人類對世界的思考所產生的思想與觀點，即為哲學，包括自然哲學和社會哲學。在西方，「自然哲學」曾包含了與今日科學有關的眾多研究領域，如天文學、物理學等。古代中國人也提出過對宇宙、自然和物質世界的樸素哲學認知。

　　在科學的發展進程中，逐漸興起用實驗觀察方法來認識世界，以可測試的解釋和預測的形式構建與組織知識體系。從中國老子的樸素辯證法、亞里斯多德的形式邏輯三段論和思辨的傳統自然觀，逐漸發展到「普遍的真理可以通過推理和歸納而得知」、強調「實驗和不同程度的量化」，直到達成科學研究的一般性原則。

　　現在，讓我們回到「科學有用嗎」這個問題。回答是，當然有用，而且是重大的作用。但有時候，人們察覺不到它的作用。如果過分強調實用性，許多科學的原理無法被發現。

　　其實，「作用」不等同於「實用性」，而科學的作用要遠比實用性大得多。以航空航天領域為例，一項又一項似乎無用的科學發現，壘建成現代航空航天大廈的基石，在此基礎上，宏偉的建築終於露出地表，並日臻壯觀。

　　古希臘哲學家、數學家、物理學家阿基米德，在諸多領域為人類文明做出偉大貢獻，他的《論浮體》是世界上第一部流體靜力學專著，阿基米德原理揭示了流體的浮力規律，成為千年之後出現的各色浮空器的理論基礎。

　　義大利文藝復興巨匠達·文西，通過觀察和分析鳥類翅膀的運動，寫下科學文獻《論鳥的飛行》，他還繪製了大量的飛行器草圖。

　　1738年，瑞士物理學家、數學家丹尼爾·伯努利出版《流體動力學》，提出著名的「伯努利方程」，揭示了「流速增加、壓強降低」的伯努利原理，奠定了流體動力學的基礎。就此，也為百餘年後出現的現代飛機的升力之源的詮釋做好了科學準備。

　　但阿基米德和伯努利的發現，並未自然地產生航空應用科學與實用技術。流體靜力學並未直接催生浮空器，流體動力學也並未立即促成飛機的出現。達·文西的研究成果在19世紀後期才被發現，也沒有對航空發展產生實際影響。直到1809年，英國喬治·凱利發表《論空中飛行》，這一切才得以改變，現代航空學就此誕生。

　　基於空氣動力學的一般原理，喬治·凱利對空氣的阻力與升力進行了定量研究，他利用自己設計和製造的裝置，研究得出了關於升力和速度間的關係。他勾勒出了現代飛機的輪廓，指出飛行器應有垂直舵面和水平舵面，對其操縱性、安全性和穩定性做出了分析。他的「現代飛機不應模仿鳥類振翼、而應採取固定翼加推進器模式」的論斷，振聾發聵，使長期以來陷入仿鳥飛行迷陣的人們茅塞頓開。說凱利的科學理論，撥正現代航空的船頭、開啟了現代航空紀元，絕非誇張。

　　一個真正的航空時代到來了，喬治·凱利成為公認的航空科學之父。此後，在凱利科學思想的指引下，又經過近百年的發展，才有了1903年萊特兄弟的世界首例載人、有動力、可控飛行的成功。

　　航天領域呈現獨立發展的形態稍晚於航空。其最重要的科學基礎是火箭推進原理。不同於航空器，要藉助大氣，獲得升力，以維持飛行，太空飛行器在達到一定高度後，將要遵循軌道運行原理。而要達到足夠的高度，必須獲得足夠高的速度，以擺脫引力。獲得第一、第二、第三宇宙速度的飛行器，才可能繞地球軌道飛行、繞太陽飛行和衝出太陽系飛行。

　　在回答「如何獲得高速」這個對於航天帶有根本性的科學問題中，俄羅斯的齊奧爾可夫斯基和法國人埃斯諾·貝爾特利各自進行了獨立研究，做出了奠基性貢獻。齊奧爾可夫斯基在1898年完成、1903年發表論文《利用噴氣工具研究宇宙空間》，指出，必須依靠火箭這一反作用機械飛離地球，並給出了火箭運動的基本公式。埃斯諾·貝爾特利1912年發表論文《關於無限減輕發動機重量的可能性的結果的思考》。二人分別導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，都以滿足人類離開地面的願望而生，故有共同的科學基礎，最重要的基礎是力學。力學又稱經典力學，是研究通常尺寸的物體在受力下的形變，以及速度遠低於光速的運動過程的一門自然科學；主要研究能量和力以及它們與固體、液體及氣體的平衡、變形或運動的關係。力學源於物理學，隨著彈性力學和流體力學基本方程的建立，逐漸從物理學中脫離而成獨立學科，反成為物理學以及天文學和諸多工程學的基礎。

　　現在，不管飛行器如何發展，其本質是機械裝置，飛行的本質則是機械運動，其運動規律符合經典力學原理。飛行器設計必須以經典力學為基本依據，聲障、熱障等重大航空航天現象的解釋與解決也離不開力學。當然，隨著力學的不斷發展，和對物質運動的深入研究，其他形式的物質運動，如熱運動、電磁運動、原子及其內部的運動和化學運動等，日漸受到重視，而其中大部分也與航空航天密切相關。

　　至此，我們大體看到了科學的作用，科學不特定於某一具體的產品開發，科學也不會自然地導引出實用技術，但科學揭示規律，科學指明道路。科學從基礎研究開始，經過持續積累，逐漸形成體系。那些學科學、懂科學的聰明人，將會在某一時刻，迸發出創意與靈感，產生新技術的突破，也終於可以研發出一個又一個造福人類的新產品。

　　面對我們當前基礎研究薄弱、原始創新乏力的現狀，需要從深入思考科學的本性、科學的本源、科學的特質出發，營造寬容而富有活力的創新氛圍，充分尊重從事基礎研究的科學家和科學工作者，對尚無法理解的基礎研究，不能輕易斥為「偽科學」。但同時，科學具有邏輯性和連貫性，擁有實證特徵，科學的方法論也大體明晰，假大空的科學騙局雖時有出現，但終究沒有市場。隨著全民科學素養的不斷提高，科學精神與民主自由精神融為一體，全社會尊重科學和科學家蔚然成風，充分認識科學的作用，正確識別科學成果的價值，也將成水到渠成之勢。

　　《光明日報》（ 2018年09月13日 13版）

[責任編輯:王麗媛]