馬克思主義哲學在裂紋傳播與擴展的分子動力學研究中的指導作用

李 夢 戚 輝 丁星星 馮寶莉

(中原工學院理學院，河南 鄭州 450001)

回顧人類的發展過程，哲學先于科學發展，可以說，哲學是科學的源頭和母親，科學只是哲學的一個支派。如何才能在自然科學發展的同時保持人類社會與自然的平衡，這需要哲學思想的指導。[1]

恩格斯曾經說過“無論自然科學家采用什么樣的態度，他們還得受哲學的支配”[2]，對于物理學而言，研究自然界和人類社會生產和生活中的運動規律和發展規律，只是哲學中的一部分。

哲學提供了正確的世界觀和自然科學發展的指導思想。回看物理學發展歷史，出現了一系列的關于主體對客觀世界認識出現偏差的情況，究其原因無不都是哲學思想出現了偏差。哲學作為方法論，在科研活動過程中不斷指導科學家去進行科研活動。[3]

本文將結合經歷的科研活動本身，在研究和實踐活動自己的一些哲學思考做歸納總結，這樣，能夠更好的指導更深層次科研活動的展開。

1 論文的選題始于問題，來源于實踐，立足于各學科之間的接觸點

自然辯證法中講到科學研究要始于問題，而問題的來源是從實踐中得來的，離開了客觀存在事實，脫離了實踐，也就無從引出問題。經過周密的調研，我發現：斷裂是材料或構件中非常嚴重的失效方式，在非常多的情況下，都能造成災難性的可怕后果。因此，我選定裂紋擴展研究作為自己的研究方向，研究材料中斷裂的機理與規律，幫助工業工程師調控材料，從而減少斷裂事故的出現。

經過進一步的調研，我發現：近幾年的研究結果表明，裂紋的前端是原子級的尖銳，因此新的研究方法需要建立在原子或分子尺度，這樣才能更好的發現材料斷裂問題的微觀機理。

我選取的研究內容涉及了物理學、材料學、機械工程、數學、計算機、分子動力學、計算軟件等多學科接觸的體系，這是近幾年新興的一個跨學科分支——“計算材料學”，而多學科之間相互接觸、融合正是適應了現代科學的發展。在相互融洽的情況下,不同學科之間傳統的專業壁壘必將被人們所打破，使現代科學走上日益整體化的道路。

2 裂紋傳播與擴展的分子動力學研究中的哲學思考

2.1 構建數學物理模型時，要遵循哲學指導思想下的物質統一性原理

在構建物理模型過程中，需要遵循哲學指導思想下的物質統一性，就可以合理地模擬物質的分子結構。因此在建模時，在空間中重復填充這些最基本單元，之后采用自然界共性所遵循的熵最大原理和能量最低原理，進行分子動力學弛豫，直到達到平衡狀態，達到的平衡狀態就是單晶硅存在于自然界中的理想形態。

另一方面，作為研究主體的人類大腦和計算機運算也具有物質統一性。人類的大腦對外部的客觀實際進行分析和總結概括，尋找事物的客觀規律；計算機通過人類的輸入建模獲得對客觀實物的認識，而后按照預定的設計，模擬客觀事物的客觀規律，尋找規律性。因此，從功能上來講，計算機和人類大腦是統一的，都具備世界物質的統一性。

2.2 裂紋擴展過程中存在著矛盾的辯證關系

對于材料而言，強度和韌性之間存在著一定的內在矛盾。提高大多數材料的強度時，通常會導致材料脆性的增加，現行的辦法是根據不同材料在不同場合下的使用，在強度和韌性之間尋求一個最佳的匹配值。

通常以能量分析的方法，來研究裂紋擴展的能量變化，裂紋擴展要消耗的能量主要用于生成兩個新表面的能量和用于消耗變形功，通常把這部分的能量稱之為裂紋擴展的阻力，這是事物本質的屬性，反映了材料本身不想被分開的意愿。既然裂紋擴展有阻力，那么只有當外載提供足夠的動力時，裂紋的擴展才有可能，這里面，裂紋擴展的阻力和裂紋擴展動力是一對矛盾，這是裂紋擴展前期的主要矛盾。裂紋擴展后，此時，存在的矛盾是諸因素對裂紋擴展方向影響。

2.3 裂紋擴展過程中，存在量變與質變的辯證關系

應力場強度因子KⅠ的值隨著外載而變化，這是一種漸進性的變化，反映了材料彈性的連續性。當應力場強度因子KⅠ的值達到KⅠC時，裂紋失穩開始擴展，材料彈性的連續性遭到破壞。KⅠ和KⅠC的關系可以看成是量變和質變的辯證關系，當外載逐漸增加時，KⅠ隨之緩慢增加，裂紋擴展的趨勢逐漸增強，當增加至KⅠC時，此時體系內的矛盾的主要方面是裂紋擴展，這是KⅠ緩慢增加的必然結果。

可見，任何質變的發生都是始于量變，量變是質變的必要籌備，質變是量變的必然結果，當量變積累達到事物的度，質變就出現了。

2.4 裂紋擴展過程中，存在著結構與功能的辯證關系

唯物辯證法認為，結構是物質形態的普遍屬性，反映了事物內部各種要素相互聯系與組織方式，我們在實驗中發現，隨著KⅠ緩慢增加，裂紋前端原子鍵開始斷裂，為了抵制斷鍵影響，維持裂紋穩定性，單晶硅材料自身通過原子鍵的旋轉和交換，形成了不同于原有六圓環結構的圓環結構。

在內部和外部的關聯中，具備特定結構的事物展現出來的配套能力稱為功能。我們在研究中發現，這些新的圓環結構主要起到下面的作用：降低了裂紋前端的應力集中，提升了裂紋擴展的能量勢壘，延緩裂紋的擴展。因此這些新的圓環結構可以看成是材料自身所具備的自保護機制。

2.5 裂紋擴展的分子動力學模擬中體現著“原型”與“模型”之間的關系

我們的實驗屬于模型實驗中的物理模擬，因此，對模擬實驗的結果必須要作出客觀的評價，校正、補充或篩選模型，多次模擬，加以驗證，直到獲得最真實的，能夠反映原型本質屬性的模型，然后將模型的實驗結果合理地外推到原型中。

3 小結

綜上所述，在研究裂紋傳播的分子動力學研究過程中，只有以馬克思主義哲學觀點為指導，才能夠揭示材料中斷裂的機理與規律，預測發展規律，幫助工業工程師調控材料，從而減少斷裂事故的出現。

[1]馬克思恩格斯全集:第一卷[M].121.

[2]恩格斯.自然辯證法[M].187.

[3]李文照.論馬克思主義哲學與自然科學的雙向轉移[J].廣東社會科學,1993(5).