有哪些「大眾默認科學家搞懂了,實際上沒人能解釋清楚」的例子?

問題描述:有哪些「大眾默認科學家搞懂了,實際上沒人能解釋清楚」的例子?
, , , ,
秉雨:

湍流問題啊,經典物理最後一個未解難題。
簡單來講,就是流體為什麼是這樣流動的。(好像簡化太多了)
我當初了解到湍流問題的時候,第一反應是,這樣一個經典物理的問題物理學家竟然還沒有解決嗎?
實際上,這個看似簡單的問題困擾物理學家好幾百年了,從描述流體的基本方程(NS方程)提出到現在也快200年了,至今沒有解決。
湍流的宏觀統計量是否受初始條件微擾的影響?是否滿足什麼還未發現的物理規律?我們能找到一個模型解釋湍流的發生過程和內部結構嗎?甚至於,NS方程在給定初始條件下是否一定有解?若有解,解是唯一的嗎?
這些問題科學家要麼還未達成共識,要麼還處於完全懵逼的狀態。科學家現在唯一能做的就是通過數值方法解NS方程,僅此而已。

————
很多人不清楚這個問題神奇在哪裡。
湍流問題在數學和物理上遇到了雙重困難。
一方面,大多數(並非全部)物理學家認為NS方程可以完全描述湍流,也就是說我們已經有了流體瞬時值滿足的方程,但是這個方程數學上得不到解析解,甚至於解的存在性和唯一性也無法得到證明。這是湍流問題的數學困難。
另一方面,既然我們已經有了方程,只是單純解不出來,我們是否可以認為這個問題在物理上已經解決了呢?並非如此。就好像,即便你假定分子的運動完全滿足牛頓定律,你也不能說有了牛頓定律所有熱力學問題就已經被解決了。盡管作為混沌系統,我們無法長期預測湍流的某個瞬時值,但是實驗表明,湍流的宏觀統計量是穩定的。那麼,有沒有這樣一個物理模型和與之對應的數學方程,能夠預測這個穩定的宏觀統計量,解釋湍流的發生過程和內部結構呢?答案是,目前還不存在一個所有人都能接受的完美模型。這是湍流的物理困難。


MASTER JIANG:

板塊漂移的機制是什麼?

魏格納在1912年就提出了大陸漂移理論。我上國小時對這位老哥印象很深,在醫院裡面對著地圖就能想出這么顛覆性的內容。

魏格納從地層古生物各個方面舉出了詳細證據,但由於這想法實在太超前,大家都不買賬。很長一段時間內槽台學說一直佔主導地位,該學說認為所有的山川湖海在水準方向都是不動的,只有垂直方向上的運動:海上升成山,這樣可以解釋陸地上發現的古海洋地層,同樣山也可以下降為海。

直到上世紀六十年代古地磁學的發展強有力證明了漂移學說。簡單說就是由於地球磁極每幾萬年就發生倒轉(南北磁極顛倒),而岩石在成岩過程中會反映當時地球磁極方向。科學家驚恐地發現,洋中脊附近的岩石磁性呈明顯的帶狀分布。唯一可能的解釋就是洋中脊噴發出的岩漿冷凝成岩,同時不斷向外擴張,在這一過程中記錄了地球磁級的倒轉。

洋中脊在擴張,但地球表面面積就那麼點,肯定總有地方會消減,於是就有了附沖帶。在附沖帶,地殼和岩石圈地幔一起發生了俯衝,落到了地球深部,於是保證了地面上物質進出相抵。

那麼現在問題就來了,究竟是什麼力量在驅使板片漂移呢?這就涉及到大陸動力學內容了。有人主張俯衝板片的重力拉扯是主導原因,也有人認為是洋中脊推力是主導原因,還有人認為是因為軟流圈地幔對流對上覆板片的拉拽作用,還有其他一些理論,但究竟誰佔主導地位,學術界還是紛紛擾擾爭論不休。

為什麼搞清這個問題這么難呢?這是個宏大的問題。首先,資料獲得難,人類對地球內部直接探索極為有限,世界上最深的鑽井在俄羅斯,只有11km,更深的地下,目前只有藉助地球物理資料進行研究;第二,地球無法進行對照實驗,畢竟地球只有一個,不可能弄一大堆地球來做實驗,這種常見的科學方法在地質上行不通,只能進行數值模擬。

所以,雖然我們從小就知道大陸是漂移的,地質學家也在用板塊學說解釋許多現象,如火山、地震,但板塊漂移背後的機理我們還並不太清楚,還有待進一步研究。


蘆葦:

最近「蘆葦」這個詞火了,躺著被熱點蹭了的我也表示很無奈╮(╯_╰)╭
~~~冰天雪地360度盤旋分割線~~~
以下正文

混凝土的力學性能,雖然到處都在用,也用了很多年了。一般都是測個立方體強度,基本無法通過配合比準確預測強度,只能根據經驗公式得出一組配合比去試配。尤其在微觀層面上,內部組分太多,隨機性太大,化學反應復雜,完全就是一個混沌,基本只能宏觀把控。而且從使用上來說,意義不大,以目前的技術水準進行計算分析的代價遠超配上幾組試強度,還不一定準確,在未來幾十年這個現狀恐怕也難以改變。不過從科研上來說,意義還是比較重大的。

結構設計,雖然出的設計規范能裝滿一個旅行箱。現在力學分析十分成熟,但是那都是理想狀態下的,實際進行結構構件設計時,由於實際材料的不確定性,材料間相互作用也是不完全定量的認知,結構承受荷載的多變。也是大片的經驗公式,經驗係數,所以不同水準的結構設計師做出來的東西差距很大。當然,大量的經驗公式和係數確實方便了設計計算流程。

以上感受在土木狗以及材料狗處理實驗數據,擬合定量關系式的時候感受最深

2017-12-11 17:12
受一評論啟發 ,忽然想到一點。土木相關有很多經驗所得的規定,可以預見這一學科是一步步試錯發展過來的,而說不準哪一條經驗所得的背後都可能是一場事故。
能立馬想起來的比如樓梯板必須雙向雙層配筋就是汶川地震之後加入規范強條的,因為震後調查發現大量震區大量建築樓梯板從中折斷導致人員疏散困難。
細思極恐……

2017-12-12 21:59
對於土木相關的方面,什麼結構啊,岩土啊之類的,很多時候就是:我也不知道為什麼要這么做,反正這么做能行,他們這么做了/大家都這么做了,那我也這么做吧


薛定諤的滾:

修築地下結構。

就是在地底下修個地下室啊,打個隧道啊,弄個防空洞啊,給房子整個基礎啊,開個地下車庫啊什麼的。

現在城市地上空間越來越少,就越來越重視地下空間,也修築了越來越多的地下結構。

這么想相關理論應該很完善了吧,技術應該很成熟了吧。

其實並不完全是這樣的。

在進行地下結構設計的時候經常用的是——
規范法和經驗法。

什麼意思呢?

就是

我不知道為什麼要這么設計,但我按規范來的應該沒有問題。

我不知道為什麼要這么設計,但隔壁是這么設計的沒出問題。

綜其原因是因為地下的土體圍岩受力太復雜,所以很多相關計算都是簡化按理想情況計算的。

我們老師上課的時候也說,教材上的東西都是錯的,編書的人自己都沒整明白就在那裡胡整。

所以大家如果聽到哪裡哪裡房子出了問題,排除施工方偷工減料的話,多半是基礎出了問題,因為這東西太不好控制了。


布衣村長:

其實吧。。。。我覺得我們幾乎沒有什麼能說是完全搞懂了的。

宇宙年齡137億年,人類現代文明300年,路還長著呢。


一顧江城秋氣晚:

看了好多回答簡直欣慰,原來不止化學材料類是這個樣子的(扶額

只能說人類啊,還真是像之前好多人說的,IT行業的發展帶來了一種科技在高速發展的假象,事實上科技的進步遠沒有看起來的那麼快,很多很原始的東西根本都沒搞清楚,比如我小時候知道就知道的(印象很深刻因為我是自己發現的)「姆潘巴現象」,開水在冷凍的時候會比同量的冷水先結冰,至今好像也沒有什麼令人信服的解釋。人類對這個世界的理解真的是很淺薄,我有的時候也瞎想是不是因為人類理解世界的方式是固化的,就好像基於五條公理的歐式幾何一樣,是在循著某種固定的內在邏輯來理解這個世界,那麼會不會有其他的生命點出另外一條完全不同的科技樹,也能在理解這個世界上達到和人類相同甚至超過人類的程度呢。

好吧我承認是因為最近在玩群星,什麼物質文明精神文明什麼的。

借這里吐個槽,化學材料這類的學科啊,都是發現某種現象,發現許多現象,誒這些現象似乎是有規律的,然後就總結出一套規律,然後發現某個特例,然後發現許多特例,然後再把特例總結出一套規律。。如此循環。。在我看來同樣是在對世界的理解上,物理是從某個公式出發預言某個實驗現象,然後從實驗中得到驗證,而化學材料類則是發現某種現象,然後想辦法強行解釋。

就比方說電催化氧化吧,氧氣形成氫氧根的一個最簡單的反應,有那麼多催化劑,金屬氧化物,貴金屬,碳材料,還有兩兩之間的復合,最後表現出來的催化性能是同一個指標,可是這不同的催化劑到底是如何催化這個反應的,根本就說不清楚。比如純粹金屬氧化物的活性不好,純碳的活性也不好,可是這兩者復合了活性賊好,那麼這原因到底是因為碳提高了材料的導電性呢,還是金屬氧化物跟碳材料接觸界面上導致碳產生的缺陷位本身成為活性位點呢,到底是誰貢獻得多誰貢獻得少呢,金屬物質跟碳的比例誰佔主體更好呢,根本說不清楚。再還有碳材料,大家都知道往碳裡面摻氮是可以提高碳材料本身的催化活性的,可是直到15年謝毅教授組的一篇science才明確說清楚了為什麼,那麼摻磷呢摻硫呢摻硼呢,而且這還僅僅只是純粹的碳材料,如果又有金屬,那麼金屬又有可能形成氮化物磷化物硫化物,還如剛剛說的金屬本身也能直接跟碳作用提升碳的活性,還有兩種不同金屬物質之間也會發生這種神奇的「促進作用」,這就更搞不明白了,於是大家都一言以蔽之,「協同效應」。。協同你個鬼哦,你全家都協同扶額

還有鋰電池,三元正極NCM鎳鈷錳或者NCA鎳鈷鋁里金屬的比例,簡單點說它們有的提供容量有的穩固結構,可是真真正正到底鋰離子在裡面是怎麼穿插的,這是個非常復雜的體系。還有金屬氧化物負極材料,原本認為是不存在容量的,結果法國Amand教授在2000年左右弄出來了這個領域,拯救了大量研究所博士生來水文章也包括我(沒有不敬的意思,金屬氧化物本身有獨特的性能,只是水得人太多變了味道),Amand教授他們的解釋是鋰跟金屬氧化物可以發生「相轉變反應」,所以普遍的做法是合成碳酸鹽或者氫氧化物,煅燒後分解,可是現在發現碳酸鹽本身也有容量,容量還挺高,甚至連含結晶水的都可以,這就比較尷尬了。

又比如說做腐蝕的,研究各種環境下的腐蝕機理,普遍的做法是做阻抗譜,然後放電子元件做等效電路進去擬合,強行解釋這個電阻代表溶液電阻,那個電容代表雙電層(鋰電池也有好多人這么玩,嗯也包括我)。。可是等效電路本來就不唯一啊,你只是用這個恰好符合你體系的等效電路又恰好擬合出了你想要的結果,更何況往往還擬合不出來。。你再加幾個元件進去擬合得只會更好,那這些元件代表啥告訴我。

說到底,化學材料的體系都不是單一的系統,他們復雜的程度是遠超人們甚至研究者本身的預估的,能把其中的一小點搞清楚在我看來就已經是很了不起的工作了,而那也還僅僅只是滄海一粟,記得以前看過一段話當時那會兒特別感動,現在怎麼說呢,還是找出來與君共勉吧。

1.

假設人類所有的知識,就是一個圓。圓的內部代表已知,圓的外部代表未知。

2.

讀完國小,你有了一些最基本的知識。

3.

讀完中學,你的知識又多了一點。

4.

讀完大學部,你不僅有了更多的知識,而且還有了一個專業方向。

5.

讀完碩士,你在專業上又前進了一大步。

6.

進入博士生階段,你大量閱讀文獻,接觸到本專業的最前沿。

7.

你選擇邊界上的一個點,也就是一個非常專門的問題,作為自己的主攻方向。

8.

你在這個點上苦苦思索,也許需要好幾年。

9.

終於有一天,你突破了這個點。

10.

你把人類的知識向前推進了一步,這時你就成為博士了。

11.

現在你就是最前沿,其他人都在你身後。

12.

但是,不要陶醉在這個點上,不要把整張圖的樣子忘了。

多說一句,其實我覺得應該再加上一張圖,讓這個圓圈在一大張白紙里是那麼小,因為人類真正掌握的知識真的是非常少的啊。。。


河裏砍柴:

居然沒人說阻尼

阻尼的物理意義是振動系統的能量耗散。當系統受到外部激勵而產生振動時,阻尼將產生阻礙系統運動的力,耗散系統的動能並將其轉化為熱能或其他形式的能量 。如下圖中的兩個裝置,左側的單擺固定無法耗散能量,而右側單擺可通過擺動時、銷軸與銷孔間的摩擦阻力生熱、耗散裝置的動能,從而更快衰減到靜平衡狀態。

阻尼作為動力分析的基本參數,對分析結果的影響很大。百年來,研究者提出了各種阻尼理論。它們一類基於阻尼過程的物理概念,每種假設對應一種具體的阻尼現象;另一種僅注重數學處理上的方便,而不針對某種具體的能量耗散現象。從物理概念上,現有阻尼模型可大致分為: (1) 材料阻尼 (材料內部微觀粒子間的內摩擦以及粒子間發生滑移錯位); (2) 摩擦 / 庫倫阻尼 (不同構件在接觸面上的外摩擦);(3) 外介質阻尼 (物體在介質中運動時所產生的粘性阻尼,比如氣動、水動、油動阻尼); (4) 輻射阻尼 (如結構振動時能量通過地基基礎以應力波的形式向外輻射傳遞)。從數學上看,阻尼模型又可分為粘滯阻尼和復阻尼。前者假設阻尼力與速度呈正比,由此得到的振動微分方程均為線性,求解方便、應用廣泛;後者假定阻尼力與彈性力呈正比,振動時應力、應變間相差一個相位角,從而建立起含復數的振動方程。復阻尼理論的特點是其非頻變特性,但數學處理上較復雜,所以在分析中的應用遠不如前者廣泛。實際結構的能量耗散總是由多種阻尼機制共同構成,綜合作用的機理相當復雜,所以一般只能採用宏觀、總體的表達方法(所謂黑箱大法好)。雖然阻尼是客觀存在的,但迄今尚未有數學處理方便,又能準確定量分析現實世界中能量耗散的阻尼理論。很多現有理論甚至違反了客觀世界的物理規律,對應的阻尼模型是數值模擬的計算屬性,而不是結構的真實屬性。

介於阻尼理論的不完善,一種比較靠譜的方法是通過模態分析試驗和現場實測來估算實際結構物的「有效阻尼」。如一把底端固定的塑料尺,在其頂端施加一個初位移 u(0) 。移除干擾後,尺開始進行有阻尼自由振動,其頂端位移的時程響應曲線如下。

此時,系統能量損耗來自材料阻尼、支座的輻射阻尼和尺在空氣介質中運動而產生的氣動阻尼。如將尺簡化為一個單自由度體系,並假設所有的能量損耗均可通過線性粘滯阻尼來模擬,則該系統的響應函數為:

u(t)=u(0)e^{-\xi \omega t}cos(\omega \sqrt{1-\xi^{2}}t) (1)

根據上式,可計算尺頂端在相隔m個周期的兩個時刻,即 2\pi n2\pi (n+m) 時刻的峰值位移響應與位移比,即:

r_{m}=\frac{u_{n+m}}{u_{n}}=\frac{u(2\pi (n+m))}{u(2\pi n)}=e^{-\frac{2\pi m \xi}{\sqrt{1-\xi^{2}}}} (2)

系統的阻尼比 \xi 可寫為:

\xi=\frac{-ln(r_{m})}{2\pi m}\sqrt{1-\xi^{2}} (3)

通過試驗,在已知兩相鄰峰值位移衰減比 r_{m} 的基礎上,求解方程(3)可得出系統的阻尼比\xi .該阻尼比實際囊括了所有的耗能機制,所以是該系統的「總阻尼比」。

對於實際的工程結構,唯一確定其阻尼的方法也是現場實測,即從其振動響應的時程信號中識別結構的「有效阻尼」。比如在超高層竣工後,可在建築上層設置加速度傳感器(下左),記錄結構在強風作用下上部樓層的加速度時程曲線(下中),通過傅氏變換,可得到該輸出時域信號的頻譜(下右)。

通過結構的響應頻譜、激勵源自功率譜與結構傳遞函數三者間的線性函數關系,在已知響應和激勵的前提下,可最終得到該結構的傳遞函數(下圖),進而可採用如半功率帶寬法(又稱3dB帶寬法)估算出系統每階模態所對應的「有效」阻尼比。

對高層結構,研究者們基於大量實測的阻尼數據提出了各種頻率、振幅非線性相關的經驗性阻尼估算公式。按建築材料區分,左下和右下圖分別展示了混凝土、鋼結構高層結構的阻尼實測數據(縱軸為第一模態阻尼比,橫軸為建築高度)。可看到,即使對於相同的建築材料和高度,不同結構的阻尼比仍可相差數倍。這些經驗公式的一個共同點是阻尼比隨振動的頻率和振幅增大。該趨勢的物理解讀在於:當結構發生高頻、大振幅振動時,非結構單元(填充牆、建築幕牆等)對結構總阻尼的貢獻越來越大。

下圖為一幢350m的高層結構,在三種(均基於實測數據)粘滯阻尼模型下所計算得出的橫風向峰值動力響應,從左至右依次是層位移、位移比和加速度。可看到,當選取不同阻尼模型時,計算結果不唯一且有較大出入(有時可相差數倍)。大量實測結果表明,大部分超高層建築的自振頻率計算值與實測值接近,這證明對結構質量、剛度的預測可以做到相對準確,而阻尼比則有較大出入。由於影響結構動力特性的三個要素就是質量、剛度和阻尼,如把計算研究比作「算命先生的水晶球」,那麼動力分析中的阻尼無疑是「水晶球里的水晶球」。但要說的是,所有表徵的數學模型,都不可能絕對逼真地反映現實世界的情況,它們都在基於各種假設的基礎上盡量地貼近真實。如某統計學家所言:所有的數學模型都是錯的,有些比較有用而已。但現有的阻尼理論,離完善還有很長一段路要走。

最後借結構工程大神,通用有限元程序SAP的開發者,Wilson教授的一句話作為結語:

結構工程是這樣一門藝術:所用材料的性能只能估算,所建結構的屬性只能近似分析,所需承受的荷載無法準確得知,以滿足我們對公眾安全的職責要求。


溫酒:

人工智慧。

虛擬現實。

區塊鏈。

是當今網際網路IT業三大牛逼。

目前來講,但凡是有人把這三個拿出來吹,那基本上就是為了忽悠你。

這個命題在99%的情況下是真命題。


AkiraCtre:

幾乎所有的復雜系統!

課本上的許多公式,都是科學家經過長期的探討,逐一發現的眾多自然界中的規律,如大家熟知的萬有引力、槓桿原理、相對論等。這些自然規律都能用單一的數學公式加以描述,並可以依據此公式準確預測物體的行徑。

但是近半世紀以來,科學家發現許多自然現象縱使可以化為單純的數學公式,但是其行徑卻任然無法加以預測。如簡單的熱對流現象居然能引起令人無法想像的氣象變化,產生所謂的「蝴蝶效應」。

60年代,美國數學家史蒂芬·斯梅爾把會因為所含物體的行徑經過某種規則性變化後,整個系統的發展失去規律的軌跡,呈現失序的混沌狀態的復雜系統稱作混沌系統。

混沌系統早已深入至我們世界的方方面面,包括:

電路;

蔡氏電路,一種簡單的非線性電子電路設計,它可以表現出標準的混沌理論行為。

激光;

混沌激光形成原理

流體動力學;

潛艇航行時產生的湍流是一種典型的混沌系統

氣候變化;

著名的蝴蝶效應

星體運動;

《三體》中出現過的的三體問題是混沌模型的鼻祖

地殼運動;

地殼變化的混沌性限制了地震預測的精確度

種群數量;

動物種群數量也是一種混沌系統,收到多種變量的影響

人體;

人體的復雜與混沌性限制了醫學以及葯學的發展

神經系統;

我們的大腦與自我意識是由大量神經元的活動所構建的,這些神經元組成的神經系統也是一種混沌系統

混沌理論是一種兼具質性思考與量化分析的方法,用以探討動態系統中無法用單一的數據關系,而必須用整體,連續的數據關系才能加以解釋及預測之行為。這種系統受初始狀態影響的敏感性極大,初始條件非常微小的變動也可以導致最終狀態的巨大差別。

股市也是一個擁有大量變量的混沌系統(但不屬於科學領域)
因此,上面的系統,沒有一個是人類目前完全搞懂的!

在現代人類的技術水準下,混沌模型雖然可以通過分析混沌數學模型來研究其性質,但是在現實中的應用卻難以推廣,這是因為即使能計算出結果與初始值/時間之間的關系式,也無法絕對精確地測量初始值——而在混沌模型中,初始值的微小變動便會造成結果的巨大差異。

而正是混沌理論的限制,即使人類的基礎物理學極端發達,也依舊會在工程學,醫學,生物學,神經科學等應用科學上碰壁。

如果能夠通過極端精準的測量解決混沌理論帶來的誤差,那麼我們的科學絕對可以有質的飛躍。

參考資料:

混沌理論 – 維基百科,自由的百科全書

http://www.tyut.edu.cn/wuli/institute/2009/%E6%B7%B7%E6%B2%8C%E6%BF%80%E5%85%89%E7%9A%84%E4%BA%A7%E7%94%9F%E4%B8%8E%E5%BA%94%E7%94%A8.pdf


文子師:

自然條件下的流體運動

舉個例子,河流動力學這種水工建築的最基礎知識中,大大小小總計幾十個公式全!部!都!是!經驗公式!也就是說,河流中水和泥沙運動的各種物理問題,我們幾乎沒有任何成型的物理模型和理論推導,我們用的幾乎都是前人在各種假設條件下通過大量數據總結出來的經驗公式。。。

是不是覺得很無語,人類所有的起源與河流都分不開關系,從古至今建過的水工建築都不知道多到哪裡去了,竟然連區區河流動力的理論推導公式都沒有?然而事實就是,何止是河流這種復雜的流體運動(其實只有水和泥沙。。。),就單單是純水的物理模型都不完全,水力學這種行業基礎科學竟然一翻也一大堆經驗公式。。。

不過別擔心,反正就算用的都是經驗公式,世界範圍內水工建築不都是也沒出過什麼大事么(雖然我也覺得很神奇啊),就算出了應該也不是基礎公式的問題,畢竟大家都用了這么多年了是吧。。。(怎麼聽起來越來越像中醫了)

發表迴響