介科學(xué)展望

李靜海

當(dāng)人們研究科學(xué)、工程和社會(huì)中的復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，一般總是先了解其宏（系統(tǒng)）尺度行為，然后再逐步深入其微（單元）尺度的機(jī)制，并逐步試圖建立這兩者之間的關(guān)聯(lián)。然而，直接建立這種關(guān)聯(lián)是十分困難的，原因似乎是在這兩者之間缺少了什么共同的原理。研究逐步表明，在介于單元尺度和系統(tǒng)尺度之間的介尺度上可能存在一個(gè)普適的主導(dǎo)原理，即：不同控制機(jī)制在競(jìng)爭(zhēng)中的協(xié)調(diào)。為此，提出了介科學(xué)這一跨學(xué)科的概念。

科學(xué)的概念產(chǎn)生于對(duì)化學(xué)工程中若干復(fù)雜系統(tǒng)的研究。首先是氣—固流態(tài)化系統(tǒng)，隨后是湍管流，近幾年又在多相催化、蛋白質(zhì)折疊等實(shí)例中得到進(jìn)一步證實(shí)。由于介尺度問題的復(fù)雜性和多樣性，介科學(xué)的普適性仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。通過對(duì)各類復(fù)雜系統(tǒng)中不同介尺度問題的研究，從具體問題中歸納共同規(guī)律，尋找進(jìn)一步的實(shí)證，是進(jìn)一步發(fā)展介科學(xué)的有效途徑。就是說，可以采用具體實(shí)證研究與共性問題探討齊頭并進(jìn)、相互比對(duì)、互相促進(jìn)的發(fā)展策略。

介科學(xué)目前還處于萌芽階段，其發(fā)展前景完全取決于各學(xué)科交叉和合作的深度。當(dāng)然，反過來，介科學(xué)的發(fā)展也將極大地提升不同學(xué)科解決復(fù)雜問題的能力。

從20世紀(jì)80年代，我國化工界開始研究反應(yīng)器層次的介尺度問題，從氣固系統(tǒng)中的顆粒聚團(tuán)現(xiàn)象入手，認(rèn)為介尺度聚團(tuán)的形成來源于氣體和顆粒的各自運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)在競(jìng)爭(zhēng)中的協(xié)調(diào)，從而建立了介尺度聚團(tuán)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性條件，EMMS模型解決了非均勻氣固系統(tǒng)定量模擬的問題，顯著提升了氣固兩相計(jì)算流體力學(xué)的預(yù)測(cè)性能和解決實(shí)際問題的能力，之后又將該模型的原理推廣應(yīng)用到其他多相系統(tǒng)，我們認(rèn)為，所有這些系統(tǒng)中的介尺度結(jié)構(gòu)的形成，物理上都?xì)w因于不同控制機(jī)制在競(jìng)爭(zhēng)中的協(xié)調(diào)，數(shù)學(xué)上都可表達(dá)為多目標(biāo)變分?？梢灶A(yù)測(cè)，這一原理可向更小尺度和更大尺度的介尺度問題擴(kuò)展，探索形成對(duì)所有介尺度問題有效的介尺度科學(xué)的可能性，但進(jìn)一步的發(fā)展十分困難，需要多學(xué)科交叉才有望取得新的突破。另一方面，關(guān)聯(lián)微觀和宏觀或單元行為和系統(tǒng)特性是長(zhǎng)久以來人們夢(mèng)寐以求的目標(biāo)，我們希望這一重大研究計(jì)劃得到各個(gè)學(xué)科的積極響應(yīng)和支持，并歡迎各種意見和建議，畢竟現(xiàn)代科學(xué)的進(jìn)步需要集成各方面的智慧才能取得突破。