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《环太平洋》中的标度率
热度 7 jixuanhou 2015-6-14 23:35
引言 《紅樓夢》中劉姥姥來討錢的時候王熙鳳說過:“大有大的難處!”而劉姥姥卻拍馬屁道:“瘦死的駱駝比馬大,您身上拔根汗毛下來也比我腰板粗!”她們二人的話用物理的觀點來看,講的就是標度率,而鳳姐兒說中了要害,大真的是有難處的哇!而近年熱映的好萊塢大片《環太平洋》,其中展示了大量巨型機器人和超級怪獸之間搏鬥場面,則是標度教學的好材料! 四肢 先看看生物體型大小和四肢粗細的關係。假如生物的特征長度(例如身高)是L, 那麼其體重則正比于L的三次方,M∝L×L×L. 而四肢的橫截面則正比于L的平方,S∝L×L. 因此如果電影中的怪獸僅僅是將現實中的生物等比例放大,那麼他們的腿將遭受巨大的麻煩,就是腿上的承受的壓強P=Mg/S∝L將急劇增大,极易发生骨折的危险。 電影《八腳怪》中的變異蜘蛛就是按照現實中的蜘蛛等比例放大1000倍來製作的,雖然大蜘蛛讓人毛骨悚然,但是仔細想想這蜘蛛行動起來腿上承擔的壓強也是現實中蜘蛛腿所承擔壓強的1000倍,可以推測如果這種巨型蜘蛛真的存在,那也是動不了的。 真實的情況是四肢粗細不可以等比例放大,體型小的物種四肢細小,而體型巨大的物種必然擁有大粗腿。下面是兩種體型相差百倍的變色龍,第一個是我們常常見到的品種,而第二種為世界上最小的變色龍,仔細比較一下他們四肢的粗細。 《環太平洋》中的怪獸棱背龜是我看得最順眼的怪獸,為了表現他的強大的抗擊打性導演賦予了他臃腫的軀體和粗大的四肢,而這正是物理規律要求的,高度達到81米的巨獸就是應該配上極其粗大的四肢。而其他怪獸的四肢刻畫得就太藝術了,按照小燕子的說法就是:“不折手斷”啊! 另一個怪獸尾立鼠最令人驚歎的技能就是這貨居然有翅膀,在最後他忽然抓住超級機器人張開雙翼就差點要飛出大氣層。飛行生物翅膀產生的升力是和翅膀的大小S和起飛速度v有關的,F∝S×v×v. 而升力是要來抵抗自身重力的M∝L×L×L. 可見體型越大的飛行生物,翅膀相比于體型來說就要越大。大家對比一下麻雀和信天翁的翅膀與身體的比例。 信天翁的翼展已經達到身體的3倍,而高度為63米的尾立鼠的翼展與身體的比例幾乎和信天翁差不多,我只能說:呵呵,你是帶護翼的天使么?另外,體型越大起飛時速度也需要越大,麻雀在原地就可以起飛,體型較大的鳥類則需要從樹上或者懸崖上跳下,利用重力加速一段距離才開始飛翔。而片中尾立鼠抓著巨大機器人就這麼騰空飛起,看得我也是醉了呢 武器 影片中超級機器人拿著一根(一艘 )輪船當金箍棒與怪獸對決,展現了一段精彩的棍術。還是那句老話,“大有大的難處啊”!在那樣巨大的尺度下,金箍棒它還是金箍棒么?鋼鐵在這麼大的尺度下只怕也像是辣條一般軟趴趴的了吧。以機器人那樣打棒球的方式握住輪船,那輪船只怕在自身的重力作用下就折了。如果現實中有人拿著辣條對決,我也是醉了! 機器人手抓幾個集裝箱來打怪物的腦袋,這個是蠻有創意的。不過集裝箱在那個尺度下,硬度應該和和禮品紙盒差不多。手持禮品紙盒對幹也是蠻拼的。還是那句話:“大有大的難處啊”,導演下次想點別的招吧! 尿尿時間 最後來點重口味話題,這些巨獸尿尿平均需要多少時間。佐治亞理工的一個研究團隊發現體型大於3公斤的動物的尿尿時間與體重有著微弱的標度關係T∝M^(1/6)∝L^(1/2), 這使得小到貓貓,大到大象,尿尿時間基本上都是在21秒左右。 為啥大象和小狗尿尿都是21秒左右呢?雖然大象尿多,可是大象尿起來流量大啊!雖然小狗尿少,可是流量小啊! 然而《環太平洋》里怪獸的體型大到驚人,其特征長度是人類的100倍左右。因此可以合理推測這些怪獸尿尿時間大約為人類尿尿時間的10倍,也就是3到4分鐘的時間。那真是“疑似銀河落九天”啊,這酸爽~ 結語 一個藝術家曾經對物理學家費曼說:“你作為科學家,諾,把這全部拆解開來,它就成了個無趣的東西。”其實物理一點也不無趣,而正是我們懂得了物理,才真正明白生命的奧義!最近上映的《侏羅紀世界》裡面有許多有趣的標度規律,有空再來八一八,就這樣吧,拜了個拜!
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化学反应平衡常数和速度常数的量纲
热度 1 Amsel 2014-11-26 22:29
化学反应的平衡常数 K 没有量纲,也不应该有量纲,因为 K=exp(-ΔG/RT) 但这时候问题就出来了,当平衡常数分子项的“幂次和”与分母项的“幂次和”不相等的时候, K 不是有量纲了吗?我读过很多化学教材,这个简单常见的问题居然从没见到清楚的解释;至多只是例题中默认采用大气压作为气体分压单位、采用 mol/L 作为浓度单位。但是大气压并不是 SI 单位;而且有些教科书采用 mol/L 作为气体浓度单位。这样,平衡常数的单位肯定有些问题。 我在波鸿大学学化学的第一个大实习就是甲烷催化蒸汽重整: CH4 + 2 H2O ß à CO2 + 4 H2 这个反应左右系数和不相等。到 2005 年整理数据的时候,意识到平衡常数定义的问题,最后查找了 IUPAC (国际纯化学与应用化学学会)的“金手册”才解决这个问题。原来按照金手册的定义,每个压力项必须除以标准压力( 1bar );每个溶液浓度项必须除以标准浓度( 1mol/L )。这样得到的 K 就是无量纲的了。计算气体平衡常数的时候,应该采用分压而不是摩尔浓度( mol/L )。 金手册解决了平衡常数的单位问题,但是却没有解决速度常数的单位问题。按照 1993 年版的金手册,速度常数依然和反应物的系数有关。比如考虑下面两个基元反应: 2 NO2 à N2O4 N2O4 à 2 NO2 第一个反应的速度是 r1 = k1 ^2 第二个反应的速度是 r2 = k2 化学动力学研究针对的是浓度变化(即使对于气体);反应速度的单位是 mol /L /s 。所以对于第一个反应,速度常数 k1 的单位是 L/mol/s ;对于第二个反应,速度常数 k2 的单位是 1/s 。这样带来的问题是: 1. 失去了平衡常数 K = k1/k2 的简单关系,必须考虑量纲问题; 2. 失去了 Arrhenius 方程中指前因子的直观意义(如果 k 的单位是 1/s ,那么基元反应的指前因子反映的是化学键振动频率); 3. 反应熵和指前因子之间的关系也不再直观。 如果像平衡常数定义那样,把所有浓度先除以标准浓度( mol/L ),就没有这个问题了。但是遗憾的是 IUPAC 至今还没有这样做。其结果是,处理动力学数据、以及把量子化学模拟数据转化成动力学数据的时候,很容易出错。
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答复博友Moviez
热度 1 chenfap 2011-3-3 14:26
答复博友Moviez
答复博友 Moviez 最近 博友 Moviez 对我的几篇博文进行了评论和提出了一些问题。由于这几篇博文是以前发表的,而博客新版对评论的出现不作提醒,故只有对以前的博文一篇一篇去查看时才能发现;我已发表 260 多篇博文,由于没有时间,因之,一般来说,我不会一篇一篇地去查看过去的博文。这样,若有人对我过去的博文进行评论和提出问题,在一般情况下,我很可能是见不到的。但这次由于偶然的机会在博友 Moviez 博客的动态栏中,看到了他对我的博文所提出之问题,才能在此答复。 由于对博友 Moviez 所提问题的答复需要用到数学公式,因此便写了这篇博文。写这篇博文还有一个用意,就是告诉网友们,今后如何对我以前的博文提意见。 让我先回答博友 Moviez 所提的问题。他的问题是: 1 )、 四维空时坐标下,狭义相对论的速度定义引入 ds 而不是 dt , ds 看起来是个距离的量纲,如此,速度的量纲为 "1" 这在物理意义上如何理解呢?后面引入动量定义时又突然出现 "c" ,不知为何? 2 )、不妨借鉴一下牛顿的关于 “ 物质的量 ” 说法,启用 “ 物质的波 ” 。 回答: 1 )、相对论认为时间与空间可形成 4 维时 - 空,若采用自然单位制(可找参考书看看),则时间量纲与空间长度量纲相同,速度量纲为‘ 1 ’。 自然单位制最适宜于表达相对论。 2 )、若采用 牛顿的关于 “ 物质的量 ” 说法,把‘物质波’说成是 “ 物质的波 ” ;这样没有把‘物质波’ 是什么说清楚( “ 物质的量 ” 也没有把‘质量’是什么说清楚)。 下面我想跟广大网友们谈谈,今后若要对我以前的博文提意见,应如何办才较好?(否则如上所述,我很可能看不到)。我打算把我写过的博文整理成一本书,不久即将开始着手进行。我还打算,该书的各章节,将逐步在我的博客中发表。若网友现在对我以前的博文有意见和问题,不妨暂时不提出,以后还是有机会提出的。
个人分类: 未分类|3055 次阅读|1 个评论
数理化,真善美
lvnaiji 2010-4-29 15:45
吕乃基 数理化天地生,是人们说起科学的各分支时通用的话语。可为什么是这样的次序?是在一开始有人随意那么一说,后人不假思索地接受下来,于是一直传至今日?还是有人经深思熟虑而为?这一次序是否有其内在规律? 数理化天地生,虽然这样说法的出处几乎已无从考证;不过笔者依然试图探究其背后的缘由。 笔者认为,这一次序的缘由是历史和量纲。 数理化天地生,大致沿着科学史的历程。 科学史上,按现在的标准,称得上是科学的最早的学科是几何学和力学。在这之前还有毕达哥拉斯的数学,虽然带有神秘色彩:数是万物的本原。近代科学革命后首先得到发展的是力学, 18 世纪发展热学, 19 世纪是电磁学,由此奠定了经典物理学。近代,化学、生物学和地质学等也有所发展,但主要限于经验层面。 20 世纪科学革命后,随着物理学向其他学科的渗透,化学、地质学和生物学纷纷脱胎换骨。天文学一门学科的发展过程也是如此,从星体的相对位置开始,也就是几何学天文学,到了牛顿时代,才有了力,解释天体为什么会运动,可以称为力学天文学。到了 19 和 20 世纪,探讨天体的能量从何而来,也就是天体的产能机制,等等,于是有了天体物理学。数理化天地生,这一次序与科学史相一致。 陈方正 先生在详加论证后指出 : 现代科学在过去三百多年的发展路径,的确是以数学和物理学为先锋,然后扩展到化学,最后扩展到生物学,而且后来者踏在先行者奠定的基础上前进,而不可能另辟蹊径;至于物理天文学、地质学、气象学、宇宙学、环境科学等更高层次领域的发展,也同样不能脱离此模式 。 数理化天地生,大致沿着量纲由简而繁的次序。参见 如果科学起源于中国析李约瑟假设 。 几何学涉及的量纲最为简单,仅长度和弧度等,运动学加上时间 T ,力学再加上质量 m 。接着电磁学、化学,还要加 I 电流强度和 n ,参加反应的物质的量,等等。生物学的量纲多到数不清。于是,随着研究的对象由简单到复杂,相应学科,知识体系的量纲就越来越多。研究人的人学有多少个量纲?西方的科学从什么地方开始,首先几何学。这不是没有道理的,科学从最简单地方的开始,数是万物的本原,在某种意义上道出了真理。数理化天地生,沿量纲由简到繁逐步增加的次序发展。 另一个习以为常的说法是真善美,何时,以及为何有这样的次序同样无从考证。然而细细品味,这里同样蕴含了类似量纲的关系。 真,即事实和规律, 事实和规律与善和美无关,确切地说,不受善与美的左右,不论善恶,无关美丑。虽然爱因斯坦和一些科学家有对美和对称的信念,但最终有待实践检验;虽然麦克斯韦方程、双螺旋等看上去很美,但首先它们是客观存在。善与美,最终建立于真的基础之上。反过来,真,为善与美所选择和引导。 在数理化天地生和真善美次序的背后,还有博主所提出的非嵌入编码知识的印记。请见 非嵌入编码知识的特征 、 什么是非嵌入编码知识 ,以及其他有关知识论的文章。顺便说,这是博主以为是自己近十年来最重要的成果。 如所知,数学适用于一切学科,甚至于只有应用了数学才算得上是科学(马克思,不是原话)。经典物理学研究机械运动、热运动和电磁运动,也就是基本物理运动。其他所有的运动如化学运动、生命运动、意识运动,以及微观与宇观物理运动,虽然各有千秋,但无一例外都包含了基本物理运动。因而,经典物理学也就成为自然科学中各门学科的共同基础。将经典物理学置于高速微观和巨大质量领域即为量子力学和相对论。化学将基本物理运动限定于原子和分子的框架内,或者说,经典物理学普遍适用的知识被嵌入于原子和分子中即为化学。经典物理学放在天体和宇宙间为天文学,与化学共同限定于地球的框架内即为地质学(在生命起源后还要结合生命科学)。化学与经典物理学被嵌入于生物大分子、细胞、器官和个体之中,是为生命科学。生命科学同时又嵌入于更大的生态环境之中,受到后者的深刻影响。然后,经典物理学、化学、生命科学嵌入于大脑的框架内就构成认知科学的基础。认知科学受到外界更大的影响。在这样一系列的嵌入之时,量纲也愈见复杂。当然,以上只是粗浅的描述。 在上述序列中,数学、经典物理学等依次成为后者的基础。前者相对于后者,正是笔者在知识论系列的博文中一再强调的非嵌入编码知识,与特定的个体无关,与语境初始条件和边界条件无关,以及与主体无关。非嵌入编码知识一旦嵌入于特定语境,即成为各门新的学科。这正是数理化天地生的知识论基础。 再扩展到真善美的视野, 葛素红 老师博文中的一段话可以十分形象地说明这一点。如果给绕瞬时转轴转动的刚体再加上一个约束,让它成为做定轴转动的刚体,自由度下降一个,却成全了门、成全了辘轳,门之所以成其为门,就是因为那个定轴。见: http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=314311 。这句话的前半部分,就是单纯的力学,就是真,是非嵌入编码知识;而后半句话,将真置于特定的语境之中,满足特定主体的目的和审美,受特定的价值取向的选择和引导,也就是善(也可能是恶),乃至美(也可能是丑)。真,是善与美的基础,也是恶与丑的基础,这就涉及到双刃剑的问题了。 数理化,真善美,有其内在的逻辑,那就是历史、量纲和知识。 陈方正先生在注释中承认中医学为特例,建立在大量实践经验之上,而且完全没有数学或量化推理基础,但又的确证明在某些方面是具有独特实效的。 陈方正,继承与叛逆 ,三联书店 2009 , 29
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“质”的物理学和“量”的物理学
lvnaiji 2009-7-26 19:59
真的很感动。那么多真诚的朋友。虽然在科学网上也花了不少心血,值了。我会继续努力,包括在知识论的耕耘。只是不再以系列的方式。实际上,系列的编号就够烦的。此外,系列也太学究气,想学着以较为随意和自然的方式来写,包括写知识论。 所谓质的物理学和量的物理学,是前苏联学者 索柯罗夫在讨论文艺复兴时期近代科学兴起时所提出的观点。他认为,在古代直至文艺复兴前的物理学讨论形形色色的质,而之后的物理学则研究量。正是这一转变构成了近代科学革命。 希腊的自然哲学被认为是人类认识自然的起点,然而其本身并未成为实证科学的直接源泉,原因之一即在于所谓质的物理学。水是万物的本原。一种具体的东西怎么可能成为万物的本原?于是,原子、数、无限,以及理念等等为万物之本原。恩培多克勒主张 ,水、火、土、气四元素按一定比例混合而成万物。到亚里士多德,冷热干湿也成为本质,轻者上浮,重者下落也是因其本质使然。 还有如自然的本性是厌恶真空等等诸如此类。 这样,万物的性质包括色、香、味等都是固有的,与物质不可分。阿那克萨哥拉认为,有多少种物质就有多少种种子。这样,物质之质便不可探究,知识嵌入于特定的对象之中。 原子论不属此类。德莫克利特指出:按照通常说法,有甜有苦,有热有冷;按照通常说法,有色彩。其实,只有原子和虚空。显然,原子论为知识从特定对象中提取出来提供了可能的途径。然而在古希腊,这只是思辨和猜测。 文艺复兴时期,原子论-微粒论成为通往机械论的桥梁。笛卡尔清楚地论述了机械论与微粒论的关系,他写道:我将确定的形状、大小和运动赋予物体的觉察不到的微粒,就如我看到了它们。这会使有些人责问我,我怎么知道它们是这样的。我从对于机器的思考受到很大教益。我可能看到的在机械和自然物间的唯一不同就是,机械的工作基本上是由那些大到为感官易于觉察的部件操纵,而自然的规则几乎总是取决于其部分,它们是如此之小,感官无以觉察。这样,正如人们有了关于机械的经验,一旦他们懂得机械是干什么的,能看到其部分,就能很容易进而推测机械未见的部分如何配合。由同样的途径,由物体可觉察的行为与部分着手,我即试图研究它们背后觉察不到的原因与微粒。 在天文学, 由设想地球、月亮、太阳还有恒星的不同质,以此来说明它们各自的位置和运动,到不考虑它们的质或认为它们同质。笛卡尔明确指出:天和地是由同一物质组成的,而且纵然有无数世界,它们也都是由这种物质构成的。伽利略用望远镜观察天体也说明这一点。新的天文学只研究天体的相对位置与运动。 力学则旨在发现物体运动的共同原因力。例如托里拆利管中的水银不下落是由于空气的压力,而不在于自然的本性是厌恶真空。在解剖学, 在哈维的计算中,根本不考虑血液的质的问题,纯粹从它的流量来阐明问题。这样, 物理学或者科学就渐渐走出质的束缚,走向量的天地。 库恩认为,新精神就是赫米斯主义和微粒论 。赫米斯主义强调量、比例、和谐、形状,它们决定物体的运动,而不是以太、土质等。因而库恩认为,赫米斯主义有时提高了数学的地位,鼓励人们寻找大自然的数学规律性。 笔者在 如果科学起源于中国 析李约瑟假设 中提及量纲概念。所谓量的物理学,在此意义上,就是去除量纲,或者只留下最简单的量纲,这样,知识才能从其对象中分离出来,才能与主体相分离。由此得到作为人类知识基础的非嵌入编码知识。 J 马克斯.科学与现代社会的形成. 62 库恩 . 必要的张力 . 纪树立等译 . 福州: 福建人民出版社, 1981 . 54
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关于“后现代”的二个疑惑
lvnaiji 2009-5-11 21:43
后现代是眼下学术界的一个热点,遍及各个领域。文学艺术差不多在百年前就后现代了,然后是各种思潮此起彼伏,乃至后现代科学。笔者有几个疑惑求教于各位。 其一,笔者曾有量纲一文,涉及李约瑟假设,论及科学中各分支按量纲多少的次序先后登场。现在,人类活动的各领域进入后现代似乎也有先来晚到,这种次序是否也与量纲有关? 其二,笔者在不同场合接触过各色人等(限于国内),感到(只是感到,未作精确统计)在年龄结构上,大龄者坚持现代性为多,而稍年轻者颇多持后现代观点;人文社科界的后现代者比预料的少,而科技工作者,包括科学技术哲学界,后现代者却众。似乎有必要对此做一番社会学的研究。这种状况不知会对中国的科技及至社会发展带来什么影响? 上述疑惑笔者不知是自己感觉有误,还是确有其事?
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“如果科学起源于中国……”——析李约瑟假设
热度 1 lvnaiji 2009-5-3 10:32
除了通常所知的李约瑟悖论外,李约瑟还有这样一个假设:如果科学起源于中国的话,那么一开始就不是力学,可能是电磁学。 思路一:量纲。 在科学史上,按现在的标准,称得上是科学的最早的学科是几何学和力学。几何学的量纲是 L ,长度,还有弧度,运动学加上时间 T ,力学再加上质量 m ,阿基米德时代可能是重量。接着电磁学、化学,还要加 I 电流强度和 n ,参加反应的物质的量,等等。生物学的量纲多到数不清。于是,随着研究的对象由简单到复杂,相应学科,知识体系的量纲就越来越多。研究人的人学有多少个量纲?西方的科学从什么地方开始,首先几何学。这不是没有道理的,从最简单的东西开始。譬如丈量土地,不需要其它的量纲,只涉及到长度、角度。科学从最简单地方的开始,这就是古希腊的科学为什么只有力学、几何学、天文学的原因。看看天文学本身发展的过程,天文学从哪里开始?从星体的相对位置开始,也就是几何学天文学,然后到了牛顿时代,才有了力,它什么会运动?可以称为力学天文学。到了 19 世纪,天体的能量从何而来,也就是天体的产能机制,等等。量纲逐步增加。从量纲的角度,科学可能从电磁学开始吗?固然,中国有雷公雷婆,那是神话;中国发明了指南针,那是技术。 思路二:然而,真的如此吗? 上述思路存在的问题是什么呢?就是根据现有科学的发展,来推这种可能性,这种思路的本身就受到了已有东西的限制。如果科学先从电磁学开始的话,它一定就换一种思路,避开量纲。为什么一定得从量纲开始讨论问题?这值得探讨。文化的量纲呢?文化需要量纲吗?量纲由简到繁的思路,是一条过于简单、线性和机械的思路。如果沿着这样的思路和发展路径,文化是如此复杂多变,可能此刻我们还等候在量纲铺就的阶梯的某处,等候科学的量纲之车快快来到,更可能的是,我们将永远没有文化。文化可能根本没法用量纲来堆砌。由科学到文化不是一条逻辑的渐进的可以推理的路,在这条路上充满了分岔、河流和山峰。 量纲,所标志的是编码知识。编码知识未必都有量纲,但有量纲的一定是编码知识。科学,至少其中的大部分是编码知识,文化能像科学一样编码?能还原为一连串的量纲吗?科学未必是唯一的标准,或者说,只是给出了一半的标准,另一半呢?文化!实际上,科学在西方的发展沉浸于特定的文化之中,正是在这样的文化中才会有由简到繁的路径。量纲之路并不超然出世。
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“摩尔”定义的修订和对“个”的推荐
热度 1 zhangxw 2008-7-17 16:28
摩尔定义的修订和对个的推荐 张学文,2008-7-17 1. 摩尔是科学技术领域的7个基本单位之一。2007年国际计量大会提出了2011年24届大会可能修订摩尔定义的问题。在潜科学网站、奇迹论坛的讨论基础上,提出了给摩尔的Na(阿佛伽德罗常数,等于6.02210 23 )分之一也取个学名,并用它代替摩尔在7个基本单位中的地位的问题。这样做可以使第7个基本单位的本质意义更明显、可以使摩尔的含义更容易理解,还可以使新的单位在化学以外的领域广泛应用。 2. 目前给摩尔这个单位的解释是 The mole is the amount of substance of a system which contains as many elementary entities as there are atoms in 0.012 kilogram of carbon-12; its symbol is mol. 。简单地说,1摩尔就是指系统中的物质的数量,这个数量与质量为0.012千克的碳12所具有的基本粒子的个数相等。我认为这种定义摩尔的办法冲淡了摩尔概念的核心特征,并且把千克,碳12这些本可以不进入定义的词,混了进来。它还需要再借助原子、阿佛伽德罗常数等概念的补充说明才让人逐步明白摩尔的含义。目前的摩尔定义是有缺陷和需要改进的。 3. 在天文学里有光年一词。它是指光线在一年里走过的距离,其长度是9.4610 17 米。所以光年和米都是长度的单位。在天文学里米这个单位太小,而用光年(或者秒差距)做单位比较合适。光年很大,但仅适用于天文学。米十分接近生活,它容易理解,用途非常广泛。米进入了7个基本单位系列而光年仅作为米的导出单位使用于部分学科。 4. 现在把大单位光年和小单位米的关系类比到摩尔概念方面来。我们容易看到摩尔是个的大单位,而它的Na(阿佛伽德罗常数)分之一目前缺少一个学名 大单位 小单位 大小单位的比例 长度的量的学名 光年 米 9.4610 17 时间的量的学名 年 秒 31.510 7 物质的量的学名 摩尔 ??? 6.02210 23 5. 摩尔定义里一方面说它是系统中物质的总量( the amount of substance of a system ),一方面又指出它是指基元整体( elementary entities )的数量(在碳12那里是具体指独立存在的原子的数量)。基元整体这个词比较抽象,只有落实到单个存在的原子颗粒才比较清晰。而这里的基元整体的本质含义是可以独立存在(离散地存在)、边界清楚、内容确定(自然也可以数数)的物质对象。摩尔就是该系统(如12克的碳12)中这些基元整体的总数量。十分显然,没有原子、分子概念在后面支撑,摩尔概念就不清楚。我们认为摩尔定义中核心的观念是承认物质是以若干个边界清楚、内容确定的形式而独立存在着的(离散地存在)。确实,没有原子观念的胜利没有定量的化学方程式,也就没有摩尔在科学技术基本单位中的地位。 6. 现在话可以这样说:有6.02210 23 个 边界清楚、内容确定的物质对象而独立存在着,就说那里存在1摩尔物质颗粒。换句话说(在中文的语境下)1摩尔的Na分之一就是1 个 物质个体(颗粒,独立存在的有清楚边界、确定内容、数量可数)。于是,在中文的语境下,我们已经十分自然的引出一个关系:1摩尔=6.02210 23 个 ,如1摩尔氧分子=6.02210 23 个氧分子(在这句话里个的科学地位与摩尔的科学地位完全相同,其差别仅是倍率不同)。而这个关系已经提示我们1摩尔的Na分之一就是1个,即中文里的个字就是我们寻找的替代摩尔的,表示离散物质量(独立稳定存在、边界清楚、内容确定)的最小单位的学名。 7. 现在把思路整理一下:中文里的个字原本就是摩尔同义词。它们的关系类似米与光年的关系。个的6.02210 23 倍就是1摩尔。如果给个取一个洋名字ge,那么6.02210 23 ge=1mol。这里的ge两个字母都取小写,以与化学元素的镉Ge相区别。 8. 于是我们可以这样定义科学计量上的第7个基本单位:它的名称是个,ge,它是计量边界清楚、内容确定的独立(离散)的可数的对象的通用单位。例如12个学生,5个氧原子,3 ge(个)苹果,6 ge城市,8ge字母,10ge软件,9ge方法,7ge方程式都是例子。特别地6.02210 23 ge=1mol,这里mol是另外一个计量相同对象的单位,主要用于化学和物理领域。如1mol氧分子=6.02210 23 ge氧分子。 9. 摩尔概念的成功,也应当是个概念的成功。但是,边界清楚、内容确定的独立存在而且可数的(离散)对象远不只原子、分子、电子这些所谓基本粒子,苹果、人、生物体、电视、手机、电脑、飞机、城市、国家、行星、恒星都是物质性的符合定义的对象。而字母、软件、方法、方程式、梦这些非物质对象,只要是可数的边界清楚的内容确定的离散对象都可以用个作为通用单位。所以我们对ge的定义已经远远超出化学领域的摩尔概念,而仅把摩尔作为它在化学中的特例。ge是可以横贯各个自然科学和社会科学和日常生活各个领域的通用单位。 10. 定量化是科学的重要特征。定量化就要有计量单位。所以7个基本计量单位在定量化方面很重要。在7个基本单位中有6个是对连续变量的计量单位的定义(长度、时间、质量、电流、温度、光的强度),而摩尔是唯一的对离散变量的计量单位的定义。其本质就是要突出该对象的离散特点(离散化、数字化、量子化)。过去对摩尔的定义包括了离散性的含蓄描述,但不很鲜明。摩尔定义反而被0.12千克、碳12、阿佛伽德罗常数这些非本质问题给冲淡了。把离散变量的计量单位的定义落实在ge、个上就可以避免这些混乱。 11. 汉语言是历史最悠久的语言。可汉语里很多科学名称都是外来语,汉语在科学界几乎没有地位。现在需要认识到中文里的个字体现了早在7个科学名称出现以前就妥当的解决了离散对象的计量单位问题了(英语对离散的、可数的对象没有专门的名称)。而19世纪出现的摩尔概念只不过是中文个的同义词。个字以及3头牛、5条鱼的条、6架飞机、8张床,这些短语中的头、条、架、张等很多的量词都是中文里对离散变量的特有的计量单位(个是它们的统称)。可以说在汉语中量词的发达本身就体现了东方人早就对计量单位有着深刻认识和突出贡献。现在是需要把中文的这些成就、贡献融入科学基本单位的时刻了。 参考文章: http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=2380
个人分类: 个体通论|7795 次阅读|2 个评论
“量纲”建设,任重道远
zhangxw 2007-10-28 13:48
量纲建设,任重道远 2007-10-28 张学文 1. 以物理学为代表的现代自然科学,以其高度的量化、不同含义的物理量之间的复杂公式为重要特征。而我们的很多社会科学领域显然是缺少这么神奇的量和公式。我们不能说社会科学在量化方面不努力。货币的应用、用选票多少决定谁当选、用考试分数确定谁上大学、用SCI上的文章数量确定谁当研究员、等等都是社会科学领域问题的量化运动的表现。 2. 在自然科学家看来,用7个基本科学单位(量纲,如秒,公斤,米)以及这7个基本量纲的衍生量纲(目前科学使用的大约不足100个)似乎已经够了。于是人们自然有个潜认识:社会生活中用到的那些量(选举的票数、考试的分数、发表的论文数量)没有科学地位。 3. 统计学者不理会自然科学对这些社会量的歧视,他们把统计学照样用到这些社会量上,于是也有平均值、标准差、正态分布的统计和分析。人们确实在很多社会量中发现了很多规律,很多社会量符合幂律就是其中的突出的例子(本人的2007年公布的中国500强的数据几乎在一条直线上 http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=6785 也是例子) 4. 看来我们不能否定物理学的成就,但是也不能让物理学的物理量惟我独尊,要探索其他意义下的量纲、单位。 5. 在标题为量纲=量词?!( http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=9345 )的文章中,我们就指出了这样一种认识:3只鸟、7条鱼、5辆车、8架飞机这些词组中的只、条、辆、架(中文里的量词)配合其后的名词(如鸟、鱼、车、飞机)也具有量纲的意义。这样就把惟我独尊的物理学量的数量从7个基本量和近百个派生量扩展了很多。这使我们反而感到,科学领域(包含自然科学和社会科学)的各种量纲远不是个已经发掘得差不多的贫矿,而是依然有大量的量纲有待我们提炼,对学生的好、差如何定量计量问题、对研究员的贡献如何科学计量问题都是其例。面对者大量的社会现象,量纲建设,任重道远。 6. 看来应当这样看待量纲研究的现状:在物理学、化学领域:成绩突出,值得效仿,但是不能同意它们应当惟我独尊。在其他领域:效仿物理学,但是不能抄袭物理学,积极开展本领域的科学量纲建设。这里我认为核心问题是确定什么是特定意义下的1,有了特定意义的1(量纲),多于1的数,自然就可以轻易、准确进入社会科学的对应领域。 7. 中文里所有的量词(只、条、辆、架)都是量纲的特例(个是它们的代名词,见横贯多领域的一个概念和一个单位, http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=6298 ) 8. 各种考试成绩、各种社会统计对象也都是其例。量纲远不是业已完成的研究对象,而是有大量对象需要精确、科学化和重新创造的问题。认识这个问题对社会显然有重要现实意义。 9. 量纲的一般特点和规律研究的是隔行不隔山的横断科学知识,在各个科学的交差点上的努力是容易取得重要成绩的领域。 10. 我国4部委在征集1万个科学难题,我觉得这个问题可以列入其中。大家过去谈的量化问题的核心是如何科学确定合适的量纲问题。没有规矩不能成方圆,在如何量化问题面前我们要突出研究规矩(圆规的规,直尺的矩)。
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量纲=量词?!
zhangxw 2007-10-19 21:56
量纲=量词?! 1. 纯粹的数,如果不与某个单位以及随后的名称粘到一起来使用,就体会不到它的具体意义。100是个数,只有当它与吨黄金连起来说,你就知道这是一笔非常大的财富。如果100与只蚂蚁联系起来成为100只蚂蚁,其含义与100吨黄金不可同日而语。这例子说明数要具有物质的物理的意义,必需在它后面连着一个单位和一个名词。于是有数字的词组要具有明确的意义,应当包括数,单位,名称(名词)这三个含意不同的字词的有序组合。 2. 物理学提供了很多的单位,分别用于不同情况。出名的如米,千克,秒,派生的如平方米,米/秒等。他们被抽象的称为量纲。每个物理量都具有明确的量纲。科学界给出了7个基本量纲,而它们的不同组合就形成了很多个由它们派生出来的量纲。科学界一个潜台词是这7个基本量纲,以及它们派生的量纲(合起来大约不足100个)已经够用于各个场合了。单位(量纲)显然是科学发展到一定水平以后出现的重要概念。 3. 关于不同量纲的量的换算还有一套运算规则,它们可以帮助我们检查一些计算的答案是否错了,有时也帮助我们分析公式是否有问题。不同量纲的量不能相加几乎是一条戒律。 4. 科学是在语言出现以后分化出来的知识体系。没有语言,就没有科学。现代使用的单位固然来自科学,但是其中的某些单位、量纲也是在科学形成以前就已经存在于自然语言中了,尺,亩、斤,年,日就是中文里早就存在的单位。现在的米,千克,秒是在古老语言基础上提炼出来的。 5. 现在的问题是一般生活语言中究竟使用着多少单位,我们的提炼工作是否已经结束,而不存在有普遍意义的、可以精确化的科学单位?! 6. 在中文里有所谓量词,一只鸟、一条鱼、5辆车、3架飞机等词组里的只、条、辆、架就是大量例子里的几个,上面这些短词的含义大家都清楚无须多说,而这些短词组又与现代科学中的1米布,3千克水在组合格式上(见1)完全相同。我们显然明白只是度量鸟的单位,条是度量鱼的单位,辆是度量车的单位这个对比说明现代科学兴起之前,中文里早就有了单位概念和对应的词汇了。难道中文里大量的量词不是单位、不是量纲吗? 7. 依我看中文里的量词就是针对特定对象而使用的量纲(单位),它具有把数与名词粘到一起的作用。它的物理意义与现代科学中的4米布,8千克苹果从外型到含义都是类似的。 8. 这样说来,东方的中文早就创造了很多的单位,并且被群众广泛应用了。我们可以说这是东方对科学的贡献。对此,可能大家没有想到或者认为现在这么讲不妥当。 9. 确实,如果认为中文里的量词就是科学领域的量纲,为什么这些量纲、单位在科学论述中没有广泛使用?这个问题需要回答。 10. 浅层回答是:只、条、辆、架等等固然确实是单位(量纲),但是也正因为他们与后面的名称的联系过分密切,而缺少普遍的适用性(普适性)。这样的单位固然丰富了语言学,但是通用性低。所以在努力寻找通用性的科学领域地位就被忽视了。可这种忽视不能否认它在本质上与量纲是一个含义。 11. 我的深层回答是:只、条、辆、架等等这些量词都可以简化(统一地、概括为、一般化)为一个通用单位,这个一般单位就是中文里的个。个是物质的量,个是中文对科学计量单位的重要贡献。狭义的说个对应7个基本单位中的摩尔,1个=1摩尔的6.2303乘10的23次方的分之一关于这些,我在另外的文章 http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=6298 中已经谈了 。 12.即我们一方面承认中文语言学里的量词是科学语言的一种单位、量纲,另外,就是把只、条、辆、架等等这些中文里的所谓量词一般化为个,那么个已经穿着摩尔的外衣进了科学领域。我们可以说摩尔的祖先是中文的个以及它身后的各个量词。
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横贯多领域的一个概念和一个单位
热度 4 zhangxw 2007-8-21 20:29
横贯多领域的一个概念和一个单位 张学文 ( zhangxw@mail.xj.cninfo.net ) ( 中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所,新疆 乌鲁木齐, 830002 ) ( 2005.12.26刊于世界华人一般性科学论坛(WCFSGS)第1卷第6期) 提要:本文从科学的角度对个体和个这两个一般用词做了定义和讨论。指出它们有横贯众多学科领域的能力,可以成为一般科学(科学通论)知识体系的基本概念使用。其中的个(用 ge 表示)应当取代摩尔 (mol) ,成为 7 个基本单位之一。 1 mol=602210 20 ge 。 关键词:个体,个,摩尔 1. 个体和个 整个科学不过是日常思维的一种提炼(爱因斯坦语),重要概念的提炼,具有加固科学框架的作用,有时比发现一个重要公式有意义。 个体和个这两个词中国人经常用,但过去没有多思考它们是否也是科技名词。 经过 分析提炼发现可以把它们提升为具有横跨众多科技领域能力的重要科学概念。而很多重要学科的目前用的专名词反而是其特例。 2. 个体的定义 定义:对于某特定总体(群体、客观物体、体系、系统,要具体而不是哲学性的泛论),如果从某角度可以把它依照 比较清楚的边界 分割为若干 地位相同 、彼此可以 独立存在 的 N 个部分( N 是大于 0 的正整数),那么其中的每一部分就是一个 相对 而言的 个体 。 与群体中的其他各个部分:边界清楚、地位相同、独立存在是任何个体得到承认的基本要求。 例 1:盒子里有20个乒乓球。由于每个乒乓球都有比较清楚的边界可以与其他的乒乓球分开,它们地位相同、彼此独立,我们就承认每个乒乓球是一个个体。 例 2:打开钱夹一看,那里有10张100元的钞票。每张钞票有清楚的边界,而且它们也是地位相同,可以独立使用,所以每张钞票就是一个个体。 例 3:教室坐着20个学生,每个学生与其他学生都有清楚的分界,而且每个学生的地位相同,可以独立活动,自然应当承认每个学生是一个个体。 例 3中要注意每个学生的所谓地位相同是在比较抽象意义下的语言,或者社会意义下的语言,可以理解为:每个学生的地位相同,考题相同,座位大小相同,受到的待遇相同。而每个学生的身高、体重、年龄、住址等特征可以不尽相同,可以不同。 例 4:打开箱子一看里面有一个仪器(如打印机)、另外有一根电线、一本说明书。这时我们说箱子里有3个个体:仪器、电线、说明书。三个东西有比较清楚的边界。 地位相同是可以理解为装箱时必须独立完成的三个过程,等等。而独立存在不言自明。 例 5:太平洋里的海水是总体,个体是什么?对这种所谓不可数(英语文法语言)名词(对象),只要人工地做划分也是可以的。如划分为太平洋表层、中层、深层的海水,或者按单位经纬度、单位深度切割为小立方体都是符合定义的个体(边界清楚、地位相同、彼此独立)。 以上 5 例都是针对物体这类总体而言的个体。但是根据定义,我们也可以把个体概念扩展到更大的范围。 例 6:一个骰子,我把它掷了50次,每次都与其他各次过程无关。应当承认每个过程与另外的过程有清楚的分界,每次过程的结果的地位相同(不能因为不满意而取消它),而每个掷骰子的过程都是一个独立过程。这种彼此独立的经历也就是一个独立的事件,不妨称为事件个体。统计学里有抽样实验的过程。每次抽样实验本身就是一个事件个体。篮球赛每场4节,每天会议上有10个报告,我下了5盘象棋,这里的每个报告、每盘棋都是一个独立的事件个体。 例 7:我有30位同学,他有5位朋友,你学习4门课。同学关系、朋友关系、课程与学生间的学习关系都是单个的关系。对每个关系,我们也称为个体,但是它是关系个体。各个关系个体地位相同、独立存在,与其他关系有清楚的边界。 文献 中在运动、时间、空间、物理场、抽象事物中也使用个体一词。 3. 个体的一般性质 根据定义群体中的每个个体具有 清楚的边界 ,彼此 相同的地位 和 独立存在 的性质,另外各个个体具有下面性质: 3.1 个体具有相对而言的 不可再分割性 (相对而言的 整体性 、 完整性 ):一个人是一个个体,再分就活不成了,一张人民币再分就成了废纸,而不再是人民币了)。我们可以把个体看作是该名称下的最小成员,再分就危及它存在的资格了。如一个分子是一个个体,再分成更小的原子,那么分子就不存在了。在很多情况下,个体是相对而言的最小量子(成员)。你买东西时为什么不能容忍有了残的商品?这体现了你十分尊重个体的完整性。个体是总体离散化的手段,也是总体得以存在的基础。 3.2 个体的 相对性 (层次性)是指在某系统中的某个个体本身可以是另外视角下的总体。如地球是太阳系这个总体中的个体,但是在地理学中我们又把地球分成几个不同的部分。一个电子、一个原子、一个分子显然是三个不同层次上的个体,而在另外场合一个原子(一个分子)可以是单独的总体。科学分科过去早已经正确对待过这类相对层次问题。 3. 冯向军 曾经推论出很多有关的运算规律。 4. 各领域的著名个体 4.1 工业产品:没有一个工厂专门生产废品,现代化工业强调其每个合格产品的完全相同。这恰好体现对个体概念的定义要求。如果生产螺丝母的各个不同,它的产品就没有资格进入市场。工业生产的标准化,也就是要求每个产品符合我们对个体的应用定义。追求工业化生产的标准化本身体现了个体概念(人为制造的标准个体)的重要性和广泛应用。 4.2 货币:显然不是每张纸都可以是货币。关于 100 元一张的人民币,我们要求每张 100 元的纸币出厂时必须完全相同(号码则不同),彼此独立,具有相同的社会交换价值。每张货币就是一个个体,它符合对个体的定义。每张货币都是个体概念的特例。旧货币与新货币具有相同的社会交换价值体现各个个体的全同性不是一切方面而仅是某些侧面,半张货币不能流通体现着个体的相对的不可再分性质。货币的广泛流行应用体现了个体概念(人为制造的经济领域的个体、量子)的重要性和广泛应用。 4.3 生物体:可以独立存活的生物体是生物学研究的核心对象。生物学不是研究 1 吨生物,而是以单个生物个体为研究对象。单个的生物活体是个体概念的重要特例。随着生物学的进步,单个的细胞,或者单个的 DNA 大分子也成为生物学的研究对象,而这些都是另外一个层次上的生物个体的事例。没有个体(生物活体、细胞、 DNA )概念,没有个体的我,生物学就无法独立存在。生物活体、细胞、 DNA 都是个体概念的特例。 4.4 物理与化学中的原子、原子、电子:它们显然是非常重要的概念。而它们都是一定层次上的个体概念的特例。所有的化学反应式的计算都是建立在有多少个分子参加的基础上的,而不是建立在有多少公斤的材料参加了该化学反应的基础之上的。物理学和化学确定了很多的科学单位,如公斤、米、秒,伏特、牛顿等。但是面对化学反应,必须引入另外一个基本单位,摩尔。而摩尔的数量是与个体的数量正正比例的。 4.5 抽样实验:统计学的抽样实验大量地用在各个领域,它们都是典型的过程个体。于是与概率论有关的统计数学,所谓组合数学都自然也有个体概念的地位。 特别值得一提的是实现某结局的办法的次数问题不仅是组合数学中的问题,也是物理学的重要问题。关于物质的热力学熵值 S 有个著名公式 S=k log W 。这里的 W 是该物质实现目前宏观热力学状态时所可能有的微观办法的个数。有了新含义下的个体概念,对理解这个关系有好处。 5. ge , 个的概念 现代科学强调科学概念要可以量化、测量、计算,可以给出定量公式。当我们强调个体是个科学概念以后自然要求明确计量它的单位是什么,以及是否存在有关它的定量公式? 个体这个概念是可以定量计量的,计量它的单位就是中文词汇里的个。 在中文里个这个字含义清楚,它是人类在认识了个体概念以后,对个体的数量进行计量时的基本计量单位。如果有一个个体,就说该物质的数量是 1 个。如果有 20 个苹果,就说这里有 20 个个体(苹果)。 当我们把一片树林区分为一棵一棵的树(个体)以后,就具有了定量计量这个群体内有多少个个体的基础,即准确提出了如何计算物质(树)的数量多少的问题。这里的计算单位就是一棵树,或者说以一个树木(个体)为单位(不是以立方米,或者吨为单位)。当我们知道这里有 200 棵树时, 1 棵树无形中就是我们计量它们的单位了,把 1 棵树抽象化就是 1 个个体。 200 棵树就是 200 个个体(树)。个在这里的地位就如同 200 公斤大米中的公斤二字的地位。个完全有资格与米 m 、秒 sec 、公斤 kg 、安培 A 这些单位并列为科学单位。 我们推荐用 ge 这个符号表示科学计算中的个这个单位。于是 5m, 5kg, 5ge 都是科学符号。 5m 长的绳子 , 5kg 重的面粉 , 5ge 苹果都是科学语言。 人类关于数量的最早的认识都是与个体概念的明朗化,个这个单位的明朗化联系着的。个是人类认识的第一个物理量(量纲),在它的帮助下我们才开始理解数和量。它是后来的科学定量化运动的伟大起点。 个这个字在东方语言中是早就存在了。个字的出现体现了东方语言的智慧,体现了东方对科学的贡献。 个体现在是个科学词汇了,计量某系统内的地位相同、彼此分界清楚、独立存在的个体的数量的单位(量纲)是个。 在化学领域有摩尔( mol )这个物理量,而且它是 7 个基本物理单位之一。其实摩尔就是个的 N 0 倍。这里的 N 0 是阿佛伽德罗常数,其数值等于 602210 20 。 1 个的 602210 20 倍称为 1 摩尔。个与摩尔的关系类似光年和微米的关系,它们是物理意义相同但是大小不同的单位。 6. 用 ge 代替 mol 作为基本科学单位之一 根据上面的讨论,建议用 ge (个)代替 mol 作为 7 个基本单位之一。而把 mol 作为它的派生单位, 602210 20 ge=1 mol ,就好像我们用秒作为基本单位,而把年作为派生单位。这样不仅体现了 ge 基础地位,明确了摩尔与个的关系,而且也使摩尔的应用领域扩大到化学以外。 7. 个体特性的描写 我们强调一个群体内的各个个体的地位完全相同,但也研究各个个体的 特性 。我们可以像作家用文字描述人物那样用很多文字描述每个个体的特性。但是在科学领域,就要突出用符号化、定量的方法描述每个个体的特性。 蔡文教授在可拓学中 早就发展了描述物、事、关系元的统一的符号化描述方法。如某个体 A 1 的长度是 30cm, 直径是 6cm, 重量是 2kg ,就写为 文献 则用所谓字符多项式描述个体的特性: 在组成理论 中,每个群体中的每个个体都具有某一个特征,并且称为 标志 ,而该特征的具体情况,数值,称为 标志值 。如长度是标志,而 30cm 是其对应的标志值。 具有标志和对应的标志值(在确定时刻)是个体的重要特性,它经常是研究对象。 个体的名称 标志名称 ( 个体的特性 ) 标志值 (在确定时刻) 学生 A 身高 1.2m 这张人民币 面值 100 元 乌鲁木齐市 人口 160 万 中国 GDP 16 万亿元 物件 A 直径 6cm 物件 A 长度 30cm 物件 A 重量 2kg 在语言学里,几乎每个我们认识到的一类个体(具有系统特征)都有特定的名称:苹果、猴子、恒星、火车、电脑是例子。对于特别重要的个体,每个个体还有专门的名称:如每个人有名字,每个城市、国家有名称。电脑里的每个文件都有专门名称。用以与其他类似的个体相区别。 8. 总体内有关个体的统计(特征)量 有些物理量是通过测量实际物体、空间、时间而得到的。也有些量是通过对某些物理量的再运算而得到的。对什么量进行什么再运算而得到的数据(可以称为特征量)据有物理意义?这是一类重要问题。这里提出几个具有特定意义的关于总体的所有个体的特征量。 l 总体具有的 个体总数量 N :这个数据容易理解,它十分重要。例如这个国家有多少人,有多少军港等。不同时刻的人口数量调查是国家的重要统计活动。 l 总体内的每个个体 i 都具有的某特征(标志)的特征量(标志值 x i )的 平均值 v :如中国人的平均寿命,学生的平均身高等。如果知道本总体内每个个体就该标志而具有的标志值,并且整理为下面的表 一般符号表示 总计 标志值(区间) x 1 x 2 x i 从下界到上界 个体数量 n 1 n 2 n i N 百分比 n 1 / n 2 / N n i / N N / N 下面是特例 总计 年龄(岁) 12 13 14 15 12-15 学生(个) 3 15 11 1 30 百分比 3/30 15/30 11/30 1/30 30/30 计算平均值 v 的公式就是 例如表中学生年龄的平均值应当是 13.3 岁。 各个科学学科中人们已经积累了大量的原始资料,只要把对应的资料整理为表的格式,那么就可以计算对应的平均值。可以说平均值公式就是一个涉及个体概念的横贯众多科技领域的通用公式。 l 百分比:百分比也是一个重要的统计量,它等于具有特征量 x i 的个体数量 n i 与总体内的个体总量 N 的比值 n i / N 。注意各个百分比的值固然与各个标志值的区间大小(切分情况)有关,但是标志值本身不进入计算公式。 由于总体内各个个体的地位相同,如果做个实验:从总体内任意抽一个个体,它的标志值恰好是 x i 的概率为 p i = n i / N 。 l 组成理论 把下面公式计算出来的特征量称为该总体就某标志值在各个个体是的分布状况的 复杂程度 C 。 如果公式里的对数以 2 为底,得到的复杂程度就以比特为单位,它与信息单位相同。如表里的学生年龄的例子中 C=45.6 比特( Bit ) l 冯向军 提出了总体内各种个体占的百分比(概率)或者 n i 的平方和 这类统计量并且说明它的物理意义。另外统计学里还针对总体内的个体给出了方差、标准差等统计量。 9. 与个体的数量有关的公式 理科书籍中有很多公式,它们又涉及很多单位, m,sec,kg,A,volt,mol 等都是。一般地说物理公式都涉及某些物理单位。由于物理单位中没有个的科学地位。它几乎埋没了与个体数量有关的公式。确实,过去没有人明确地说哪个公式里存在以个为单位的物理量。 明确了个体是有定义的科学名词,而且它有单位(个 , ge ),这也提示我们去注意寻找各个科技领域中有关物质个体或者过程个体的定量公式。下面追述科技领域中含有个体数量的几个公式或许有启发: l 百分比和概率 :几乎一切的计数器都有计算百分比的功能。这说明百分比的计算具有广泛的实用意义。百分比计算的是什么?在很多情况下它计算的是具有某特征的个体的数量与所有的个体的数量的比值。如计算 30 个学生中年龄大于 15 岁的学生占的百分比是多少,它就是两个含义不同的个体的数量的比值。概率论被认为是难学的知识,估计具有了个体和个的概念以后再介绍概率论要通俗很多,。中国人本来就理解什么是个体什么是个,可外来的概率论不用这些中国词汇,这增加了学习概率论的难度。 l 凸多面体的欧拉公式 :任何一个凸多面体必然具有顶点的个数 V ,棱的个数 E 和面的个数 F 。我们可以把这个凸多面体具有的每个对象(顶点、边、面)看作是一个个体,有趣的是它们竟然存在一个奇妙公式 V - E + F =2 一般的科学知识总是提醒我们不要把不同含义的物理量做加减法,而这个公式却表明不同含义个体的数量之间有时也有定量的公式。看来敢于思考不同含义的个体数量的关系有时会得到意外的收获。 l 统计物理 :统计物理学被认为是最难学的知识之一。关于熵的 S =LOG W ,关于三个著名的分布公式都涉及办法的个数,粒子的个数这些量。使用个体概念(含关于过程个体)就会使一些事和物清晰起来,再引入对应公式就水到渠成。 10. 个体与比特 在信息革命席卷人类社会的今天,比特是个比公斤、焦耳更时髦的单位。比特作为一个单位已经深入到各个领域。但是比特既不是 7 个基本单位之一,也不是 7 个基本单位的导出单位。它与长度、时间、质量、能量保持了最远的距离,体现了自己的高傲。认识比特在科学里的特殊地位是重要问题。 一种观点认为热力学熵是信息(比特)在物理学中的代名词,但是热力学熵远没有比特那么广的应用领域,一种观点认为比特是通信理论 信息论的产物,但是通信问题的应用领域也没有比特宽。 我们认为比特是有特定含义的个体的数量(不是质量、能量 的数量)演生出来的单位。涉及比特的基本公式(包括热力学熵、通信的信息熵、组成理论中的复杂程度)中都联系着特定含义的个体的数量,都必须包括取对数的运算。可以说 个体、个数、个这些看似简单的概念是理解比特的基础(这个基础不是质量、能量之类的概念)。文献 对这些问题做了更深入的讨论。 11 个体概念与组成理论 组成理论 中引入广义集合概念,并且认为它由各个个体组成。那里强调了各个个体的地位相同的特点。但没有个体的正式定义。本文对个体给了定义,初步认为有下面的优点: 由于定义个体时已经说清楚各个个体独立存在,所以当两个广义集合作加法时,其各个个体的数量自然可以作数量加法。这样 2004 年在系统科学论坛上的讨论中由鲁晨光先生提出的个体的重叠问题就不存在了。 组成论在谈到最复杂原理时总有个限定,就是如果该广义集合内存在随机性,这个原理才存在。现在明确了每个个体的独立性,也就意味着它仅是总体的一部分,其他各个个体和本总体以外的事物对它而言是不可完全控制的外界。外界对它的影响具有相对的不肯定成分。这就意味着这个个体遇到什么情况具有不确定性,即随机性。于是每个广义集合具有内在的随机性已经从定义中略做推论就可以引出。所以原有的关于最复杂原理的限定条件现在几乎可以取消了(需要另外展开讨论)。 12. 小结: 我们不应当把科学看作是脱离生活的神秘符号堆积,整个科学不过是日常思维的一种提炼(爱因斯坦语)。中国人经常用个体,个这两个词。比较认真地提炼这两个词就发现它们固然在西方科学文献中没有地位,但是各个学科中的很多事物是它们的特例。现在把它们正式定义,于是个体和个就成为横贯众多科学学科的重要概念了。 概念是科学框架的重要材料,个体和个概念的明朗化使科学大厦结构更明朗,这不仅帮助理解概念和公式,也提示我们从这个侧面出发,说不定可以发现新的公式。 用个 , ge 代替摩尔 , mol 使它成为 7 个基本科学单位之一,是本文的一个重要建议。 在建立一个物理理论时,基本观念起了最主要的作用。物理书中充满了复杂的数学公式。但是所有的物理学理论都是起源于思维与观念,而不是公式。在观念以后应该采取一种定量理论的数学形式,使其能与实验相比较。,爱因斯坦的这些话放到这里是合适的。 13. 感谢 本文的思想基础除了组成理论里的认识外,还与 2005 年在系统科学论坛、潜科学论坛、奇迹论坛上的讨论有关。 2005 年 8 月我先在论坛上提出一个问题: 人类在进步中最早被认识的单位(物理量,可以计量某具体系统中它具有的数量的)是什么?张启斌同志的回答是个,这与我原来的预想一致,也给我很大鼓舞。随后我阐述了关于个的认识的 3 个短文 登在系统科学论坛、奇迹论坛上,而奇迹论坛的点击总次数 100 天来近 4000 次。邹晓辉、冯向军都十分重视这个问题的讨论,做了发言。这些都对本文有贡献,这里对张启斌等各位表示诚挚谢意。 参考文献 张学文,组成论,合肥,中国科技大学出版社, 2003 , 35-42 冯向军,关于广义集合数学基础的泛系研究 , http://www.aideas.com/fangset.pdf 蔡文、杨春燕、何斌,可拓逻辑初步,北京,科学出版社, 2003 , 20-38 张学文,字符多项式和表格数学(见《组成论》附录) 张学文,组成论, 2003 , 11-18 张学文,组成论, 2003 , 59-69 冯向军:论广义集合的若干重要特性: http://www.aideas.com/duanwen.pdf 2004.9.15 奇迹论坛的三个短文指: 古老、重要又被忽视的单位(量纲) -- 个 ( http://www.qiji.cn/forum/ftopic2477.html ) 、 建议用 个 取代 摩尔 ,使它成为 7 个基本科学单位中的 1 个( http://www.qiji.cn/forum/ftopic2613.html ) 、 比特 应当成为国际基本单位的第 8 个成员( http://www.qiji.cn/forum/ftopic2662.html )
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古老、重要又被忽视的单位(量纲)--“个”
zhangxw 2007-5-24 12:52
古老、重要又被忽视的单位(量纲)--“个” 张学文 (2007.5.24) 转自奇迹网站的论坛 http://www.qiji.cn ,从2005年8月的3个月到2007年5月以来在那里被点击16000多次 (网页文章) # 本人在系统科学之窗(http://www.systemsciece.org )提出:大家都羡慕自然科学的定量化,发现一个定量公式,有时十分有价值。而定量公式必然包括(涉及)物理量,物理量必然要有单位(如1米,1小时...),可见物理单位在科学中地位十分重要。我的问题是:人类在进步中最早被认识的单位(物理量,可以计量某具体系统中它具有的数量的)是什么? # 感谢3天来大约有50位同志阅读了这个问题,小高、张启斌、杨金福三同志提出了自己的认识。这个问题好象没有标准答案,大家怎么说都无人说你错。下面谈我的认识。 我在出题目时就予想了答案是:“个”,所以张启斌同志认为“个”是最早被认识的单位,这等于有人与我有相同的认识,我很高兴。 # 他说:“十进位值制”记数法中,最小的“个”位之名称来历,就当源于单位物理量“手指”:“1个”即是“1个手指”,“2个”即是“2个手指”,……。因此,我认为“个”是人类在进步中最早被认识的单位物理量。后来的“几头”,“几天”,“几斤”、“几尺”……等,以及更后来的“速度”,“比重” ……等复单位的物理量,都是“个”这个基本单位物理量的“衍生物”。我认为他的解释是很有说服力的。张启斌花大力气研究过0,1,肯定在“单位”问题上思考很多,我支持他的这个认识。他的回答也使我节约了很多笔墨(要我写可能费更多的字而读者依然半信半疑)。 # 我认为“个”不仅是最早被认识的单位,也是人类思维从定性认识事物走向定量认识事物的伟大转折的里程碑。只是这一点好象没有人去挑明。 # 用“金山词霸”查 “个”字的英文拼法(有学生做这种傻事吗),其结果令人失望:英文里基本没有与汉字 “个”的对应词。这,你可以理解为英语世界不承认这个单位存在(愚笨的中国人弄出来的麻烦),也可以理解为,“个”这个字的含义简单,以至英语里说话时不言而喻。 # 如果你去问物理学、化学老师,“个”是不是一个科学单位,估计他们会感到困惑:似乎没有感到“个”也是科学单位,又不好一口拒绝。下面我说两句话,请物理学老师告诉我,它们是否出现了原则错误。 # “参加这个化学反应的氧分子有1摩尔”,“今天参加会议的人有10摩尔/(6.022×10的23次方) ”,显然前一句话化学老师认可,而后一句话让人费解:摩尔仅是化学名称,你竟然概念糊涂到了荒唐的地步!..可我真错了吗? # 我们冷静地想想就会认识到:“摩尔”不是一个数,就好象“公里”不是一个数,而这是问题的一半;问题的另外一半是:1000个1米是1公里,类似地(6.022×10的23次方)个“个”是1摩尔。前面的第2句的含义是有10个人参加会。我是说:在现代科学的7个基本单位是时间、长度、质量、电流、温度、发光强度和摩尔,而摩尔是“个”的(6.022×10的23次方)倍。摩尔与个的关系类似钠米与公里的关系(比例系数不是10 的整数倍),所以从本质上说:摩尔与个是度量同一物理量的不同大小的倍率关系的单位(量纲),所以摩尔进入了现代科学基本单位等价于“个”进也是现代科学承认的基本单位。而“个”是以6.022×10的23次方的奇怪倍率的身份进入基本单位系列的。从本质而言,我们不应当仅把摩尔看作做是化学上用的单位,而应当看到它代表中国人创立的“个”这个词(单位)早已经变态地进入了基本单位系列(英语好象表现不出来)。“个”这个单位实际在科学的各个领域广泛应用。 # “个”是人类在认识自然进程中的最早发现的单位,是我们思维力量在认识事物时从定性走上定量的最早起点,是人类思维活动的伟大创造。遗憾的是在英语特点的影响下,“个”这个重要单位没有正式身份,甚至没有个名字(英文字母)。是化学研究,是承认原子的存在,人们才扭曲地提出了摩尔概念,才变相地把“个”装入科学的7基本单位系列中。今天我们应当给“个”一个正式的身份,在科学中的重要地位。 # 在统计物理学中有个重要公式是熵=klnW 不知道多少人为这个简单不过的公式的物理意义究竟是什么而费解。k是一个常数,好理解,ln是自然对数中学时就知道,可W被说成是“方法数”,它是个数,没有单位的纯数?在我理解它不是纯数,它是有单位的,它的单位就是“个”。例如问把一个球装入5个格子的方法共有几个,答曰5个,于是W=5个。可现在的物理学从来不把“个”正式承认为是一种单位(仅在化学中不得不用摩尔)。物理学书上有L=5米,或者T=3秒的写法,但是绝少在中文书里有N=5个的写法,在英文里就没有合适的表示(量词丰富—几天,几头羊…也许体现了中国人对定量问题十分重视,考虑深刻)。我相信承认“个”的科学地位,承认它也是单位,承认它与摩尔是一家,对理解难懂的统计力学有好处。对改进科学描述有利。 # 现在大家热心讨论什么是信息,在申农的信息论中没有质量概念的地位(化学家喜欢它)、没有能量的地位(物理学家喜欢它),可英语世界又不用“个”这个字,这就为理解信息量造成了基本的语言困难。如果我们早就明确“个”是科学里的基本、重要的单位(量纲),那么随机实验的次数(几个抽样结果),讯号的个数等都是有量纲的量。我们理解信息公式,引入信息概念要方便很多。 # 在我写的《组成论》里,大量地用着“个”这个单位和概念,它是个体的自然单位,可以说正是这些基本分析使我认识到需要提高“个”这个词的学术地位,明确它是一个基本量纲(与摩尔成正比例)会为我们提高认识能力、理解力有帮助。 # 准确认识“个”这个科学上的基本单位(量纲)关系着我们对十分广阔的科学领域的很多基本问题的准确表述。 #我的看法难免有误,大家讨论,指正。张学文 2005.08.25-2007.5.24
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