科學(xué)與工程中的洞察力序

科學(xué)與工程，我們理解和改變這個(gè)世界的現(xiàn)代方式，被認(rèn)為是關(guān)于準(zhǔn)確性及精確性的學(xué)問(wèn)。然而，能讓我們更好把握所處世界的復(fù)雜性的是日積月累培養(yǎng)出的洞察力，而非精確性。
我們需要洞察力是因?yàn)槲覀兊拇竽X不過(guò)是這個(gè)世界的一小部分。洞察力會(huì)將知識(shí)的碎片整合成適合大腦的一個(gè)簡(jiǎn)單圖像。但是精確性會(huì)使大腦儲(chǔ)存發(fā)生溢出，沖刷掉洞察力所帶來(lái)的理解。本書將告訴你如何構(gòu)建洞察和理解，從而避免被淹沒(méi)在復(fù)雜之中。
因此，我們所使用的方法不是嚴(yán)格的。嚴(yán)格（rigor）很容易變成僵尸（rigor mortis），分析（analysis）變成無(wú)能（paralysis）。放棄嚴(yán)格，我們來(lái)研究自然的和人為的世界，即科學(xué)和技術(shù)的世界。因此，對(duì)于物理學(xué)概念，諸如力、功率、能量、電荷和場(chǎng)，你需要有一些（并非很多）理解。書中盡可能少用數(shù)學(xué)，大部分是代數(shù)和幾何，有一些三角，很少涉及微積分，因此數(shù)學(xué)將會(huì)提高而不是阻礙我們的洞察和理解，并使得問(wèn)題的解決更容易。目的是幫助你把握復(fù)雜性，于是沒(méi)有問(wèn)題能嚇倒你。
正如我們生活中所有重要的事件一樣，無(wú)論婚姻還是職業(yè)，我進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域在很大程度上不是事先計(jì)劃好的。作為一名研究生，我人生中的第一個(gè)科研報(bào)告是給同學(xué)們介紹視網(wǎng)膜圓柱細(xì)胞中的化學(xué)反應(yīng)。我只能通過(guò)近似使化學(xué)混沌變得有意義。在同一年，我辦公室的同事卡洛斯?布羅迪（Carlos Brody）對(duì)孿生素?cái)?shù)的分布感到好奇。所謂孿生素?cái)?shù)，指相差為2的兩個(gè)素?cái)?shù)，如3和5，11和13等。沒(méi)有人確切知道孿生素?cái)?shù)的分布。作為一個(gè)懶惰的物理學(xué)家，我用素?cái)?shù)的概率模型近似回答了卡洛斯的問(wèn)題［1］。這里又一次看到，近似促進(jìn)了問(wèn)題的理解。
作為一個(gè)物理學(xué)研究生，我需要準(zhǔn)備研究生資格考試。同時(shí)，我擔(dān)任數(shù)量級(jí)物理學(xué)（Order of Magnitude Physics）課程的助教。在3個(gè)月內(nèi)，通過(guò)準(zhǔn)備資格考試和對(duì)課程進(jìn)行備課，我在這段時(shí)間所學(xué)到的物理比我整個(gè)大學(xué)本科階段學(xué)到的都要多。物理教學(xué)和學(xué)習(xí)有很大的改進(jìn)空間近似和洞察可以彌補(bǔ)這些不足。
感謝我的老師們，我將本書獻(xiàn)給卡弗米德（Carver Mead），他給我的指導(dǎo)是不可替代的；獻(xiàn)給彼得戈德賴希（Peter Goldreich）和斯特爾菲尼（Sterl Phinney），他們?cè)诩又堇砉�學(xué)院開(kāi)設(shè)了數(shù)量級(jí)物理這門課程。從他們身上我學(xué)到了進(jìn)行簡(jiǎn)化和洞察的勇氣這是一種我期望能教會(huì)你的勇氣。
我曾經(jīng)在劍橋大學(xué)和麻省理工學(xué)院開(kāi)設(shè)近似的藝術(shù)（Art of Approximation）課程很多年，這是由物理學(xué)和工程中的一些課題構(gòu)成的課程。課程的內(nèi)容限制了材料的一般性：　除非你成為廣義相對(duì)論的專家，否則一般不會(huì)再去研究引力理論。然而，在估算引力場(chǎng)使星光偏折多少（5.3.1節(jié)）中所學(xué)會(huì)的分析工具的運(yùn)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不局限于這一個(gè)例子。工具比課題本身更一般，更有用。
因此，我圍繞分析工具重新設(shè)計(jì)了近似的藝術(shù)這門課程。這種我在麻省理工學(xué)院和歐林工程學(xué)院使用過(guò)的方式已經(jīng)反映在本書中通過(guò)每章教你一種工具的方式來(lái)幫助你構(gòu)建洞察力和把握復(fù)雜性。
把握復(fù)雜性的方式有兩大類：　組織復(fù)雜性（第一篇）和忽略復(fù)雜性（第二篇和第三篇）。組織復(fù)雜性，即第一篇的主題，通過(guò)兩種工具來(lái)教給你：　分而治之法（第1章）及抽象（第2章）。
忽略復(fù)雜性（第二篇和第三篇）體現(xiàn)了聰明的藝術(shù)就是知道什么是可以被忽略的藝術(shù)［2］這一理念。第二篇中，在不丟失信息的情況下，復(fù)雜性被忽略。這部分包含三種工具：　對(duì)稱性與守恒（第3章），正比分析（第4章）和量綱分析（第5章）。第三篇中，復(fù)雜性被忽略，伴隨著信息丟失。這部分包含最后4種工具：　團(tuán)塊化（第6章），概率分析（第7章），簡(jiǎn)單案例（第8章）和彈簧模型（第9章）。
利用這些工具，我們可以探索自然的和人為的世界。我們將估算鳥(niǎo)和飛機(jī)的飛行距離，化學(xué)鍵的強(qiáng)度以及太陽(yáng)偏折星光的角度；理解鋼琴、木琴和話筒的物理；解釋為什么天空是藍(lán)的而夕陽(yáng)是紅的。我們所用到的工具把這些和其他許多例子編織成了一幅有意義的科學(xué)和工程掛毯［3］。
最好的教師應(yīng)該是一個(gè)技藝精湛的導(dǎo)師［4］。一個(gè)好的導(dǎo)師很少下結(jié)論，而是問(wèn)你問(wèn)題，因?yàn)橘|(zhì)疑、探究和討論會(huì)促進(jìn)持久性的學(xué)習(xí)。為了幫助你掌握工具，兩種類型的問(wèn)題會(huì)在書中出現(xiàn)。
1．　用 標(biāo)記的問(wèn)題。這類問(wèn)題，教師可以在教學(xué)過(guò)程中提問(wèn)，要求你在討論中將其發(fā)展到下一步。這些問(wèn)題會(huì)在接下來(lái)的敘述中得到答案，這時(shí)你可以檢驗(yàn)?zāi)愕乃伎肌?br />2．　用陰影背景標(biāo)記的帶有編號(hào)的問(wèn)題。這些問(wèn)題教師會(huì)作為家庭作業(yè)，讓你用來(lái)練習(xí)工具的使用，例子的推廣，幾種工具的綜合使用，甚至讓你解決一個(gè)特殊的悖論。只是觀看制作好的健身視頻幾乎不會(huì)有健身效果。所以，多多嘗試這兩種類型的問(wèn)題。
經(jīng)過(guò)努力，復(fù)雜性就能被把握，并且會(huì)有更廣泛的作用。正如物理學(xué)家埃德溫杰恩斯（Edwin Jaynes）美國(guó)物理學(xué)家，對(duì)熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理以及概率論有重要貢獻(xiàn)。譯者注關(guān)于教學(xué)所說(shuō)的一段話［5］：

教學(xué)的目的不是把教師現(xiàn)在知道的每一個(gè)事實(shí)都灌輸?shù)綄W(xué)生的大腦中去，而是把思考的方式教給學(xué)生，使得學(xué)生在將來(lái)能夠用一年的時(shí)間就學(xué)會(huì)教師用兩年時(shí)間才學(xué)會(huì)的東西。只有這樣，我們才能持續(xù)不斷地一代比一代更進(jìn)步。希望本書介紹的工具能幫助你推動(dòng)這個(gè)世界，使它變得比我們這一代人留下的世界更進(jìn)步。