学科的通识在哪里？（part 1）
谭永东
2022年9月6日星期二
本文根据西南交通大学学术素养与研究方法-电磁科学核心方法论（S1033002）第二讲课程录音整理而成，为第一部分内容。讲师、整理人：谭永东。转载请注明出处，谢谢！
好，各位同学大家好！上课时间到了，有几位同学没有到，我们就不等了。首先呢，按照学校要求，现在疫情非常时期，有的时候做核酸检测的时间和上课时间会有冲突，所以要求老师开放视频授课的录屏权限，大家是不是可以录屏了？我现在设置的是大家都可以录屏。请大家检查一下。
我们这门课的时间非常的少，马上进入正题。今天我们是第二讲，重点和大家一起探讨一下电荷Q的运动特性。
1.电气学科的相空间
上一讲课，我们特别提到为什么学习电、研究电要从电荷Q开始。我们引入了一个新的概念，叫“相空间”（phase space），这是经典科学体系中的一个核心概念。其核心意思是说，知道了一个对象，广义的讲叫粒子particle，它的位置x和它的动量p，就可以完全决定这个对象（粒子）的运动轨迹。那么，借用这样一个概念，对于我们学习电的同学来讲，在电气系统中，与位置x对应的是什么呢？是电荷Q。与动量p对应的是什么呢？我认为是i，电流i。对于这个问题，大家还可以做更深层次的进一步思考。
大家看这个图，电和Q和电流i之间的关系，就是一个微分的关系。电流和磁通之间的关系通过电感来连接。磁通和电压之间的关系也是一个微分的关系。电压和电荷之间的关系，通过电容来连接。电流和电压之间通过R来连接。大家思考一个问题，稍微拓展一下，就是这个磁通和电荷Q之间是通过什么来连接的？也就是连接磁通和电电荷Q之间的物理量是什么？首先它对应的物理量叫做记忆电阻，接下来这个物理量对应的器件叫什么呢？记忆电阻器，简称记忆阻器，这个忆阻器在大概十年前，由惠普公司首先制造出来了。
2.电磁科学的核心文脉
上讲课我们给大家列出了这门课程的一个核心文脉，其实这也是我们电气工程或者电磁科学这门大的学科它的一个核心文脉。
有这么几个代表性的物理量（事实）。
振动的角频率ω；然后呢这个在线性代数里边大家学到的，特征值与特征向量（用来解耦合、坐标变换），这是我们今天要学习的重点来；除了电荷的这个振动行为之外，还有它的波动行为，用一个代表性的物理量叫波动速度v来表征。我们知道这个ω是来描述电荷的关于时间变化的行为的，它的空间变位的行为就用波动速度v来表征。那这个ω和v之间有一个什么关系呢？就是ω=kv，我们把k叫做波数（wave number）。接下来是关于麦克斯韦方程，再接下来是关于量子力学的一个基本的方程，薛定谔方程与波函数。
我这里特别要提醒大家的是，这些抽象的符号，是我们这个学科的核心事实啊，也叫facts，是本学科相关的技术、产品乃至工程背后的科学原理，也就是根。正是这些事实，构成了本学科的文脉。
3.核心知识清单
这里是一张表（核心知识清单），大家回去还是要好好的消化一下，对照一下。就是说我们这个知识结构啊，到底现在还有哪些缺陷？力争在这三年把它补上来是吧。
为什么要特别提这张图？就是说我们过去的学习是按课程来学习，而我们课程学习的考核是按分数来考核的，这种学习方式咱们不去评判他好不好。但是，是不是解决了我们在科学研究之路上的一个基本问题，也就是我们掌握了一种自主的学习和研究能力。这个清单也是提示大家，我们要回归到以问题为中心的立场，好不好。来实现一个富文脉化的学习。
比如说，昨天我在咱们这个微信的群里面给大家发了两条这个消息，这都是昨天发生的消息，大家还记得吧。
一个是关于新型的阳能电池材料，一种新型的铁电材料，有望把太阳能电池效率进一步的提高！现在的太阳能电池的效率大概20%-22%，如何提高到40%啊？这是我们电气人的梦想之一。我们电气人的梦可以归结为四个“4”！太阳能电池效率40%，还有电池能量密度400Wh/kg，超导转移温度达到400K，什么意思呢？在常温下就能够实现超导。还有一个可能大家基本上没有接触到的概念，热电转换系数啊，这是一个无量钢的数，ZT>4。如果做到4的话，那么未来我们冰箱还有空调的压缩机都会被取消。
4.拓展知识文脉完善知识体系
从完善我们的知识体系的角度看，这些知识应该是必备的，为什么啊？
大家看，这个自然界的运动变化、相互联系的方式，我们从技术的角度讲，可以有这么三种类型。
一个叫规约互联，这就是我们现在自动化啊，计算机通信啊，用的这一套东西，基于规约的互联和互动。
还有一类就是dynamics，英文直接翻译过来叫动力学。简单的理解就是牛顿经典力学的一个基本思想，在力的作用下，事物的运动的状态会发生变化啊！这是那个f=ma的深刻的科学内涵。所以，这个动力学dynamics，我更愿意把它拆分为两个字，动和力。动是指的运动状态的变化，力是作用源。这是第二类。
第三类叫语义互联，这个语义互联大家可能第一次听说，还很陌生。我们人际之间用语言来交流沟通，它既不是规约，也不是动力，而是一种基于语义的互联。比如说我今天坐在这里讲的这一通话，各位同学听到以后对他有一个基本的理解，八九不离十。但是呢，结合自身的经历经验，以及思考的程度不一样，可能每个人的理解又有所不同。
拓展一下，对于连接关系的建模，还有很多方法。比如说图论啊，复杂网络，小世界网络，早几年，我在讲电力系统自动化的时候，一定会讲这些内容。但是，因为这门课的时间限制，没有时间来讲这些东西了。针对我们大规模的电网的拓扑结构，它的安全性，它的鲁棒性，脆弱性等等，一定会个图论的角度来进行研究。昨天我给大家也分享了另一个消息，就是浙江的那个之江实验室，陈红阳博士带领的一个团队，在图计算领域，在那个国际上获得了这个冠军。他研究的东西，就是传统的神经网络和图论的一个结合的产物。这个陈红阳博士是信息学院的学生，2009年，13年前，他和我的一个学生（都是硕士）一起写了一篇文章在ACM杂志上发表了。后来他们留学去了。这个例子也是给大家打打气，就是大家。啊瞄准目标，努力，但是也不要操之过急，十年磨一剑嘛！
5.拓展视野：科学事实的bit化
It from bit—万物源自比特。
上一讲我也给大家说了，希望拓宽我们的视野。那我们这个这学科吧，姑且叫做电磁科学，它的核心bit是什么？
我们借用现在广泛应用的一个概念bit。但是我们往往把它技术化、狭义化了，认为这个比特，就是二进制，对应的0、1这两种状态。
我们把比特的概念再拓展一下，一个科学体系中或者一门学科中的核心事实，我们也可以把它称为bit。
所以，从科学的根儿上来讲啊，电磁科学是用什么样的bit对自然编程呢？我提炼了这么几条啊，这个只是我的观点，给大家开个头。
比如说这个{A,ω,α}，振幅、频率和相位是对振动行为的编程。好，这个编程方式就是我刚才说的，叫动力互联！
比如说这个波长λ、波速v、波数k。这是什么呢？这是对波动行为的一个编程方式ω=kv。
可能大家过去觉得比较难的梯度啊，散度啊，rotation旋度，这三度是对场进行编程。
那这个波函数呢？它是对波粒二象性这种行为进行编程。
对于我们构建完整的一个知识体系的目标来说，大家可以比照一下，就这么四行抽象的符号，我们对他的认知，已经到一个什么样的程度了？有所认知，要深化；没有认知，要要要补全。这些bit，等待我们去解密。
TBC
（未完待续）