​精简原则,伪科学和尺度问题
报告人:叶天齐教授,美国亚利桑那大学水文与大气科学系 时间:2019年12月25日11:00
报告地点:行健楼学术活动室665
邀请人:张志跃教授
摘要:自然流体因受到不同尺度环境因素的影响,以不同尺度非均匀的速度在空间运动。基于描述每个水分子的“随机”运动的困难,再因预测总体水分子的运动是一般我们观测及关心尺度下的主要目标,科学家因此创造了菲克定律以推断溶质的时空扩散。虽然菲克定律具有适用范围的限制,但在1921年,G.I.Taylor指出流体分子的随机运动仅需不到1秒的时间即可达到菲克定律的适用范围,并且如果取样尺度远大于许多分子,取样中的水分子已满足所谓的“各态历经性”,因而菲克定律被广泛用于描述类似分子的扩散运动。如此,就我们所关心的尺度而言,菲克定律可被视为一个 “精简原则”的范例。
与之相似,达西定律也是描述砂柱孔隙间总体平均水流的精简原则。科学家为了考虑平均水流内忽略的孔隙间水流的变异对溶质运移的影响,借用菲克定律,而创建了对流弥散方程(ADE或者CDE)。一般而言,对流弥散方程也成功地、广泛地用于描述均质砂柱的溶质穿透曲线。主要基于溶质首先在砂柱端部沿整个截面被释放,这截面于已包含了大量的砂粒孔隙的非均质性,溶质分子被释放时已经满足菲克定律的“各态历经性”假设条件。再由于一般砂柱中包含大致相同的沙体内含无数不同大小的孔隙,溶质仅需在其中运移极短距离就能够满足菲克定律的适用条件。此外,我们观测到的穿透曲线实际是砂柱全截面的平均浓度,与我们的观测及关心尺度的浓度一致,因而,对流弥散方程必然满足“各态历经性” 的假设。在这种情况下,对流弥散方程乃是精简原则。
但是污染源在大尺度地下水盆地运功时,地质非均质体的大小随污染物迁移而不断变化。而且地质非均质体的大小远大于我们观测仪器(例如,观测井)的尺度,所以“各态历经性”和菲克条件都将难以完全满足。因而,对于研究现场尺度或者盆地尺度下污染物运移的问题,建立扩大尺度、修正菲克定律的理论或者推导宇宙通用的扩散规律的理论科技 (Neuman, 1999)来描述预测溶质的运移扩散都是误解、误用“精简原则”,因为以这些理论描预测的溶质的运移分布与实际观测关心尺度下的匪布大有差异。它们只是一些伪科学理论或掩人耳目的伎俩,误导科学科技的发展。在描述预测溶质在大尺度空间的迁移的正确做法应当是采用高清晰度的刻画手法来描述这些大尺度(或者是我们的观察和研究尺度)的非均质性。另一方面则利用菲克定律描述溶质在不能刻画小尺度非均质性的运移。这才是正确的 “精简原则”。
作者简介:美国亚利桑那大学教授,中国天津师范大学天津市“千人计划”专家,中国吉林大学教育部海外名师教授,加拿大滑铁卢大学兼职教授,主要从事水文地质学领域中随机数值分析理论及方法技术的教学与科研工作。他创立了水力层析成像方法,提出了随机连续线性估计技术和非饱和地质介质的非均质随机分析方法,实现了含水层参数非均质的定量描述与野外水力试验的有机结合,为准确计算预测非均质介质中的水流运动和溶质运移提供了新理论新方法。目前,他正在开展随机融合方法研究,期望借助自然界中更大的能量源(风暴、地震、洪涝、闪电等),结合水力层析成像方法,探测更大尺度含水层非均质性及其空间分布规律。