First Principle——第一性原理
- 格式:pptx
- 大小:4.21 MB
- 文档页数:51
实质“第一性原理”这个词儿被吹得神乎其神,似乎是威力无穷。
大家都知道了伊龙马斯克(Elon Musk)把这个原理用得好,可以把火箭发射成本降低到原先的几十甚至上百分之一。
可是它到底是什么?自从听见这个词儿,我也只是人云亦云,竟然从来也没有认真考察过。
直到今天,品着茶,读老喻的文章。
才看到了马斯克这段话的完整译文:我在想存在一种好的思维框架。
那是物理学的东西,你知道,有点儿像第一原理推理(first principles reasoning)。
总体来讲,我认为存在将事情缩减至其根本实质……你必须能够把那些问题“煮沸”才能从里面找出那些最基本的东西。
看完了我一口水差点儿喷出来。
这令人膜拜的“第一性原理”,不就是“解耦合”(decoupling)吗?协作要搞清楚这个概念,咱们得先看看现代社会的大规模协作方式。
假设你是一名程序员,希望改进一款开源软件产品的功能。
该怎么做?你会打开一个新的空白源代码文件,从头开始,一行行写代码吗?基本上不会。
你该怎么做呢?你会读现有软件的源代码,把新的功能实现补充或更新到对应的位置,提交合并(merge)请求。
注意在这个过程中,你是把前人做的东西,当成基础层。
而你自己,是在这个层次之上,去叠加新的内容。
为了更形象化一点,我拿来个计算机体系结构层级示意图。
许多人弄不明白,既然搞IT的平时都鼓捣个计算机,为什么还得分成搞硬件的、搞架构的、搞通讯的、搞操作系统的、搞软件的、搞算法的、搞应用的?不都是一回事儿吗?因为这种“不理解”,才经常会有人找计算机系的研究生帮着修电脑,觉得这才算是学有所用。
这种分层的架构,使整个儿IT行业从业者,都只需要管好自己这一层的功能,并且为上层提供功能接口。
需要的时候,他会调用下层已经准备好的功能,而不需要去重新发明轮子。
说得通俗一些——铁路警察,各管一段儿。
想想看,为什么现在数据科学那么火? Python、R 和机器学习框架们为何这么受到欢迎?以至于许多非 IT 类人士,都在乐此不疲渴望学习、应用它们?因为许许多多的开发者,已经为你写好了实现数据科学工作的各项基础功能。
第二章 第一性原理计算方法与软件介绍19世纪末,科学家们发现经典力学和经典电动力学在描述物质的微观系统时存在明显不足,对实验中的许多现象不能做出真正合理的解释。
鉴于此,20世纪初物理学家们在旧量子论的基础上建立了量子力学,主要研究原子、分子、凝聚态物质等内部微观粒子的结构、运动规律等性质,目前已广泛应用于物理、化学、材料等学科领域。
随着量子力学理论的不断完善,并结合日趋成熟的计算机技术,量子计算模拟成为了现代科学中必不可少的研究手段之一。
第一性原理计算(First -principles calculation),亦称为从头算(Ab -initio calculation)。
该计算方法可根据量子力学基本原理,基于密度泛函理论对材料微观体系的状态和性质进行理论上的预测,且计算过程中不需要使用任何经验参数,只需要一些基本物理量(电子电荷质量e 、电子静止质量m 0、光速c 、普朗克常数h 、波尔兹曼常数k B )。
本工作所选用的计算程序为Materials Studio 软件中的CASTEP 量子力学模块,该模块是基于密度泛函理论的从头算量子力学程序。
本章节将简要的介绍密度泛函理论和CASTEP 计算模块。
2.1密度泛函理论概述第一性原理主要的研究对象是多原子体系。
它依据量子力学原理,且在无任何实验参数引入的情况下,将多原子体系当作由自由电子和原子核组成的多粒子体系进行处理。
然而,关于量子力学中多粒子体系处理的出发点则为著名的薛定谔方程(Schrödinger Equation)。
Schrödinger 方程是量子力学的一个基本方程,也是第一性原理计算方法的核心,它是由奥地利物理学家薛定谔(Schrödinger)于1926年提出的。
该方程可用于描述微观粒子的运动规律,故亦被称为薛定谔波动方程(Schrödinger Wave Equation),其定态方程描述如下:22[()]()(,)2V r r,t i r t t ψψμ∂-∇+=∂(2-1) 式中ħ为约化普朗克(Plank)常数;μ和V(r)分别表示粒子质量和势场;r 和t 则为体系中所有电子与原子核的位置坐标;Ψ(r,t)是系统波函数,即运动的微观粒子在V(r)势场下的波函数。
马斯克常说的“第一性原理”究竟是什么?曾经有一个清华毕业的前领导,上任第一天,和我们公司全员开会的第一课就是《为什么考90分比60分更容易?》。
我当时第一反应是,清华的果然装逼。
后面他讲完,我深入一想,觉得确实有道理,比如数学,把课本上的公式理论搞懂搞透,考试只是万变不离其宗,学的很轻松。
我英语不好,花很多时间做习题,依然是及格线,学得身心疲惫。
后面我也逐渐感悟到:抓住本质,理清底层逻辑,能大大提高生活和工作的效率。
所以,在讲品牌和营销之前,我们先花一篇文章来分享和探讨这种思维方式,也可以称之为“第一性原理”。
因为《T oB营销30讲》系列,主要目的就是理清ToB品牌营销的底层逻辑,搭建知识体系。
一、什么是第一性原理讲第一性原理(First principle thinking),最出名的就是马斯克。
李想说马斯克在关键点从未做错过选择,就是用的第一性原理思维方式。
我们知道,马斯克不仅是特斯拉的老板,还是发射火箭的SpaceX、太阳能SolarCity、脑机接口Neuralink等很多前沿科技公司的老板,成就确实牛逼,也带热了“第一性原理”。
简单来说,第一性原理就是本质思维。
“以目标为核心,把一切事物都归结于基本本质,并由此开始推理,而不是采用类比推理,最终找到解决问题的方法。
”严格来说,“第一性原理”是亚里士多德提炼出概念:每个系统中存在一个最基本的命题,它不能被违背或删除。
马斯克在商业维度进行普及。
我们常见的生活方式,是通过类比进行推理。
类比推理的举例:比如:“成功人士都是很谦虚的,所以你要谦虚”。
比如“谁谁谁都结婚生孩子了,很幸福,所以你也应该结婚生孩子会很幸福”。
举例:见过的天鹅里面都是白的结论:所有天鹅都是白的(实际上,也存在黑天鹅,所以结论是错的。
)很显然,这种类比推理,逻辑非常的不严密,经不起推敲,容易得出不同的结论和错误的结论。
通过第一原则,把事情浓缩到最基本的事实,然后从这里进行推理。
第一性原理第一性原理的理解及其应用第一性原理,英文First Principle,是一个计算物理或计算化学专业名词,广义的第一性原理计算指的是一切基于量子力学原理的计算。
我们知道物质由分子组成,分子由原子组成,原子由原子核和电子组成。
量子力学计算就是根据原子核和电子的相互作用原理去计算分子结构和分子能量(或离子),然后就能计算物质的各种性质。
从头算(ab initio)是狭义的第一性原理计算,它是指不使用经验参数,只用电子质量,光速,质子中子质量等少数实验数据去做量子计算。
但是这个计算很慢,所以就加入一些经验参数,可以大大加快计算速度,当然也会不可避免的牺牲计算结果精度。
根据原子核和电子互相作用的原理及其基本运动规律,运用量子力学原理,从具体要求出发,经过一些近似处理后直接求解薛定谔方程的算法,习惯上称为第一性原理[1]。
广义的第一原理包括两大类,以Hartree-Fork自洽场计算为基础的ab initio 从头算,和密度泛函理论(DFT)计算。
也有人主张,ab initio专指从头算,而第一性原理和所谓量子化学计算特指密度泛函理论计算。
第一性原理通常是跟计算联系在一起的,是指在进行计算的时候除了告诉程序你所使用的原子和他们的位置外,没有其他的实验的,经验的或者半经验的参量,且具有很好的移植性。
作为评价事物的依据,第一性原理和经验参数是两个极端。
第一性原理是某些硬性规定或推演得出的结论,而经验参数则是通过大量实例得出的规律性的数据,这些数据可以来自第一性原理(称为理论统计数据),也可以来自实验(称为实验统计数据)。
但是就某个特定的问题,第一性原理和经验参数没有明显的界限,必须特别界定。
如果某些原理或数据来源于第一性原理,但推演过程中加入了一些假设(这些假设当然是很有说服力的),那么这些原理或数据就称为“半经验的”。
那为什么使用“第一性原理”这个字眼呢?据说这是来源于“第一推动力”这个宗教词汇。
浅述第一性原理内容及应用 计算材料学,是材料科学与计算机科学的交叉学科,是一门正在快速发展的新兴学科,是利用计算对材料的组成、结构、性能以及服役性能进行计算机模拟与设计的学科。它涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。计算材料学主要包括两个方面的内容:一方面是计算模拟,即从实验数据出发,通过建立数学模型及数值计算,模拟实际过程;另一方面是材料的计算机设计,即直接通过理论模型和计算,预测或设计材料结构与性能。前者使材料研究不仅仅停留在实验结果和定性的讨论上,而是使特定材料体系的实验结果上升为一般的、定量的理论;后者则使材料的研究与开发更具方向性、前瞻性,有助于原始性创新,可以大大提高研究效率。因此,计算材料学是连接材料学理论与实验的桥梁。 1. 第一原理的发展背景 材料的组成、结构、性能、服役性能是材料研究的四大要素。传统的材料研究以实验室研 究为主,是一门实验科学。但是,随着对材料性能的要求不断提高,材料学研究对象的空间尺度在不断变小,只对微米级的显微结构进行研究已经不能揭示材料性能的本质,纳米结构、原子像已成为材料研究的内容,对功能材料甚至需要研究到电子层次。因此,材料研究越来越依赖于高端的测试技术,研究难度和成本也越来越高。另外,服役性能在材料研究中越来越受到重视,服役性能就是要研究材料与服役环境的相互作用及其对材料性能的影响。随着材料应用环境的日益复杂化,材料服役性能的实验室研究也变得越来越困难。总之,仅仅依靠实验室的实验来进行材料研究已经难以满足现代新材料研究和发展的要求。然而计算机模拟技术可以根据有关的基本理论,在计算机虚拟环境下从纳观、微观、介观和宏观的不同尺度对材料进行多层次研究,也可以模拟超高温、超高压等极端环境下的材料服役性能,模拟材料在服役条件下的性能演变规律、失效机理,进而实现材料服役性能的改善和材料设计。因此,在现代材料学领域中,计算机“实验”已成为与实验室实验同样重要的研究手段,而且随着计算材料学的不断发展,第一原理的作用会越来越大。 __第一性原理,英文First Principle,是一个计算物理或计算化学专业名词,广义的第一性原理计算指的是一切基于量子力学原理的计算。
第一性原理是什么意思1. 简介第一性原理(First Principles)是科学研究的基础。
它指的是通过分析和理解系统的最基本原理来推导其他的现象和规律。
第一性原理是一种从根本上解决问题的方法,它能够帮助科学家和研究人员在没有任何已有经验或假设的情况下,从最基本的原理出发,推导出一系列的结论和规律。
第一性原理可以应用于各个领域,例如物理学、化学、工程学、经济学等等。
通过应用第一性原理,我们可以深入理解事物的本质,并从中推导出新的解决方案和创新。
本文将从两个方面来介绍第一性原理的含义和应用。
首先,我们将探讨第一性原理的概念和基本原则。
然后,我们将介绍第一性原理在科学研究和创新中的重要性和应用案例。
2. 第一性原理的概念第一性原理的概念可以追溯到古希腊哲学家亚里士多德的思想。
他认为,探索问题的最基本原则是通过分析和理解事物的本质和基本属性。
这种思维方法被称为“分析思维”。
在现代科学研究中,第一性原理的概念得到了进一步发展。
它强调了通过分析和理解事物的基本元素和相互关系,来推导其他现象和规律。
换句话说,第一性原理是一种从首要元素出发的推理方法,它基于逻辑和推理,而不是依赖于经验或假设。
3. 第一性原理的基本原则第一性原理的应用需要遵循一些基本的原则:(1)避免传统思维模式的束缚第一性原理要求摒弃传统思维模式的束缚,不盲从于以往的经验和假设。
它鼓励科学家和研究人员去探索系统的本质和基本原理,而不是局限于已有的认知框架。
(2)分解问题为最基本的元素第一性原理要求将复杂的问题分解为最基本的元素。
通过分析和理解这些基本元素,我们可以深入研究问题的本质,并从中推导出新的知识和规律。
(3)基于逻辑和推理进行推导第一性原理强调基于逻辑和推理进行推导和证明。
通过严谨的思维和推理过程,我们可以得出准确和可靠的结论,并进行进一步的推导和应用。
4. 第一性原理在科学研究中的应用第一性原理在科学研究中具有广泛的应用价值,下面将介绍几个常见的应用案例:(1)物理学中的第一性原理在物理学中,第一性原理被广泛应用于研究基本粒子、能量传递、量子力学等领域。
第一原理:迄今为止,对我影响最大的一个思维方式我经常喜欢向牛人请教一些问题。
其中一个问题是「迄今为止,对你影响最大的思维方式有哪些」。
如果你拿这个问题来问我,我会毫不犹豫地告诉你:“迄今为止,对我影响最大的一个思维方式是「第一原理思维」。
”.什么是第一原理第一原理,有的人又叫它「第一性原理」。
可能很多人之前没有接触过这个概念,或者只是听说「它来自哲学和科学」。
所以对「第一原理」有种畏惧感和排斥感——听起来那么神秘,有没有人能够讲清楚它到底是什么?我们普通人真的能够掌握这种思维方式吗?其实叫什么并不重要,如果你觉得「第一原理」听起来难以理解,你可以把它叫做「一」或者「一思维」。
早在亚里士多德之前,西方就有很多哲学家在用这种思维方式思考问题,比如赫拉克利特、巴门尼德等等哲学家,他们将其称之为「一」。
一切产生于一,而一产生于一切。
——罗素《西方哲学史》唯一真实的存在就是“一”,一是无限的、不可分的。
——罗素《西方哲学史》很多哲学家开始探究物质的起源、宇宙的起源。
比如,泰勒斯认为万物是由“水”构成的;阿那克西美尼认为万物是由“气”构成的;赫拉克利特认为万物是由“火”构成的;恩培多克勒认为万物是由“土、气、火、水”构成的。
这种「探究物质的组成、物质的起源、宇宙的本质、宇宙的起源,认为万物由水、火、气、土所组成」的思维方式,实际上就是一种第一原理的思维方式。
在东方,这种思维方式也在同步进行着。
老子也认为,一切产生于一,他《道德经》中提到「道生一,一生二,二生三,三生万物」。
除此之外,中国古代的先贤们还有人把物质的起源归结为“阴阳”,这种思维在《易经》里面得到了深度的体现;另外,中国古代还有“金木水火土”之说,他们认为物质由金木水火土五种元素所组成。
这些都是“第一原理”的思维方式。
只不过之前没有人对这种思维方式进行总结,后来古希腊哲学家亚里士多德把这种思维方式总结出来了,他将其称之为「first principle」,翻译成中文就是「第一原理」。
第一性原理第一性原理又称“第一原理”。
其实是古希腊哲学家亚里士多德提出的一个哲学术语:“每个系统中存在一个最基本的命题,它不能被违背或删除。
”第一性原理吵的很火,不得不提到埃隆·马斯克,也就是特斯拉的CEO。
埃隆·马斯克涉足的领域非常宽,并且常常都有雨颠覆性的创新产品,从在线支付,到无人汽车、超级隧道、太阳能、航天技术、火星移民。
很多人都好奇,他是如何做到这么高的成就?他透露自己非常推崇的思维模式是“First principle thinking”,翻译成中文就是第一性原理思维。
第一性原理概念理解:“第一性原理”是物理学的一个专业名词,是指某些硬性规定或者由此推演得出的结论。
与之相对的则是“经验参数”,经验参数是通过大量实例得出的规律性的结论。
(参考百度百科)早在二千多年前,希腊著名哲学家亚里士多德提出的一个哲学术语:“每个系统中存在一个最基本的命题,它不能被违背或删除。
”混沌大学李善友老师混沌大学的课程提到:第一性原理背后3个哲学基石:1. 理念论,第一性原理为什么是“原理”?原理,源自于古希腊的本体论,古希腊哲学家对现象总是寻求合乎理性的解释,而不是将其简单归于上帝或其他超自然物。
致力于探索一种终极原因或要素(其他一切事物皆由此产生),我们中国人相信眼见为实,古希腊哲人说:你所有看到的都是流变的“假象”真正不变的事物背后的支配力量,某种恒定的不可分的“本体”。
本体有2大学派:第1大学派说本体是一个物质,是整个世界背后组成的基本单元,即质料论也可以理解为原子论;第2大学派,世界的本元不是某种物质,而是某种理念,某种精神,我们看到的世界物质的本源为某种理念,精神,即为理念论。
第一性原理源自于柏拉图的理念论:世界的背后是不变的理念,基于不变的理论推演出其他所有的原理出来。
所以第一性原理就是事物的主体,本质,本性,是事物背后的支配理念,而不是现象层面流变的物质。
第一性原理必须是抽象的理念,没有掺杂物质的纯粹形式,把一切具体现象抽离出去得到一个抽象的总结,之后再检验和应用于具体现象。
马斯克第一性原理是什么意思导引在过去的几十年里,埃隆·马斯克成为了一个备受瞩目的企业家,他的创新理念和充满野心的目标使他成为了全球科技行业的领军人物。
马斯克常常提到他的工作方法是基于“第一性原理”的。
本文将解释马斯克第一性原理的含义以及如何应用于他的创新项目中。
什么是第一性原理?第一性原理(First Principles)是一种分析问题和寻找解决方案的基本方法。
它指的是将问题分解成最基本、最基础的因素,以获得对问题本质的深刻理解。
换句话说,在第一性原理的思维方式中,不依赖于既定的传统观念或已有的解决方案,而是从问题的最基本层面出发重新思考。
马斯克的第一性原理思维在创新的领域,马斯克以他的思维方式成为了一个领袖。
他认为,许多人只是接受现有的知识和观点,并在此基础上进行微小的改进。
然而,这种改进往往只能带来渐进式的改变,而不能引发真正的突破。
相比之下,马斯克采用第一性原理的思维方式,试图挖掘问题的更深层次,以找到根本上不同的解决方案。
这种方式需要从头开始,将问题分解为最基本的事实和真理,并重新组合这些要素来构建一个全新的解决方案。
举一个例子,当马斯克决定创立SpaceX时,他面临着巨大的挑战:如何降低太空飞行的成本。
传统上,太空探索的成本非常高昂,马斯克认为这是由于太空运输系统的设计和制造成本过高。
而采用第一性原理的思维方式,他分析了太空飞行的每一个方面,并将其归纳为最基本的物理和工程原理。
最终,他得出了一个与传统方法截然不同的设计概念,即重复使用火箭发射器。
这一新的解决方案使得太空飞行的成本大幅降低。
第一性原理思维的优势采用第一性原理思维的方法有以下几个优势:解放创造力第一性原理思维能够解放人们的想象力和创造力。
通过打破旧有的观念和限制,人们可以从全新的角度来思考问题。
这种思考方式鼓励人们跳出传统束缚,寻找颠覆性的解决方案。
帮助发现隐含的机会第一性原理思维有助于发现问题中潜在的机会。
通过从头开始分析问题,人们能够深入了解问题的本质和关键因素。
【干货专栏】第一性原理小知识:名称起源和密度泛函理论的诞生作者:弼马温,悉尼大学物理博士一枚,第一性原理殿堂中一个养马的小官儿。
现为材料人计算科技顾问。
诸位材料人的看官,今天请随我一起聊一聊“第一性原理”这个材料学中耳熟能详的术语。
1、第一性原理的起源第一性原理这个名词,翻译自英文短语first principle,又作ab-initio,字面意义可以理解为“initio(最初的)之前的”。
可考于西方古典主义时期希腊城邦时代,最早由亚里士多德提出[i]。
第一性原理最初仅仅是一个哲学用语,主要用来指代任何“基础的(basic)”“原始的(fundamental)”“自证的(self-evident)”仅包含假设与猜想,不可从其他已有的定理或是经验定理推导、演绎得到的理论。
这句话看起来拗口,其实不难理解:我们熟悉的几何学中曾有过公理(axiom)的说法,公理不可被证明、不可由其他定理演绎或推导;公理是某个理论体系(如欧几里得几何)的基石(假设),虽然与经验定理类似,皆是建立在长期的实践观察总结或猜想所得,但稍微不同之处在于公理之上建立的体系往往有自洽性与完备性,而经验定理则存在适用范围和成立条件。
经验定理虽然在完全清楚之前往往说不清楚适用范围,不然不会叫经验定理了,但是确实在偏离条件较远的位置不成立。
而完备理论则相反,体系本身是自洽的,衡量一个理论的价值高低仅仅在于其描述是否符合事实。
由上我们可以看出,第一性原理本身是要求理论不依赖任何经验公式、实验观测,虽然各位可能指出今天很多材料学中的第一性原理研究往往需要加入实验值、经验公式的修正才能更精确地解释一些现象,但这只是因为现今时代人类对材料学的研究尚不彻底,理论本身尚待进一步完善,而当下又需要迫切解决实际问题时的一种权宜之计。
关于这一点,后文将详述。
20世纪以前,第一性原理的概念大多见诸于数学、哲学和理论物理——此三者有一个共同点:它们都属于人脑的归纳、演绎产生的逻辑自洽学科,其理论体系的基石都可称之为第一性原理(历史原因,在不同的场合有时阐述为“假设”“猜想”“理论”“公理”),从这个意义上讲它们可以明显区别于诸如化学、生物等建立在实验基础上的学科。
第一性原理方法及应用
一、什么是第一性原理方法
第一性原理(First Principles)是物理学家及哲学家苏格拉底提出的概念,意思是“从最基本的事实或原理出发,通过一系列的推导,得出结论”。
因此,第一性原理方法也被称为“自底向上推导法”,从基本原理
出发,然后依次推导出更多的知识,解决问题。
第一性原理方法通常应用于物理和材料科学,以电子学为主,是一种以量子力学为基础的方法,它将量子系统描述为定性和量子能量。
它模拟量子力学系统的行为,忠实地描述材料的性质和结构,帮助科学家精确地计算它们的性质和性能。
二、第一性原理方法在现实应用
第一性原理方法在许多领域的研究中显得尤为重要,尤其是跨学科领域的复杂系统,比如计算材料物理、有机分子配位、石墨烯结构和功能、纳米材料表面活性性质等等。
例如,第一性原理方法可以被用来研究纳米结构的微观表面性能,从而改善热电材料的性能。
同时,它也可以用来模拟材料的复杂反应趋势,增强生物活性物质的生产效率,以及有效地合成高性能新材料。
研究者也可通过第一性原理方法将生物信号转换成可解释的材料动态,帮助人们开发新的药物和改进医疗设备。
三、未来的研究展望
第一性原理方法是一种优秀的著名的、整体的、量子力学的方法,它可以应用于多种物理和材料科学领域,如电子结构理论、体系模拟、材料性能设计等等。
在未来,第一性原理方法将在许多学科和领域中发挥更大作用,如生物仿生学、大气与海洋科学等,以及新兴领域,如人工智能和量子计算等。
这将意味着,第一性原理方法能够帮助科学家提升材料的性能,解决一系列实际问题,极大地推动物理学及材料学研究的发展。