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“第一性原理”详解

2026-02-04 10:07阅读:
“第一性原理”详解
通常人类对事物的认知有两种逻辑形式,第一种叫作归纳法,是对感性经验的归纳,第二种叫作演绎法,演绎法是对理性思维的演绎 。例如,马蒂亚斯·雅各布·施莱登观察了部分植物细胞,发现它们都具有细胞核,于是得出“所有的植物细胞都具有细胞核”的结论,这就运用了归纳法(属于不完全归纳法) 。而格雷戈尔·孟德尔通过豌豆杂交实验,提出了假说,从假说出发进行推理,得到了孟德尔第一定律(分离定律)和孟德尔第二定律(自由组合定律),并利用测交实验进行验证,就利用了演绎法(假说演绎法) 。演绎法是基于理性进行推论的最主要的逻辑形式——从事实或假说出发进行推理,得到结论。第一性原理就是演绎法的体现 。
公元前4世纪,亚里士多德在哲学著作《形而上学》中提出了第一性原理——每个系统中存在一个最基本的命题,它不能被违背或删除 。也就是说,每个领域或每个系统中都存在一个本质上正确,无需证明的最底层的真理 。以欧几里得几何为例。五条公设和五条公理是欧几里得几何的第一性原理,是欧几里得几何的基石。之后所有的定理和推论都是在其基础之上通过逻辑推理得出的。与之相对的便是“经验参数”,通过大量实例得到的结论 。例如化学上的“相似相溶”原理 。
经历两千多年的发展,第一性原理已经有了更广泛的含义。19世纪,马克思主义哲学诞生,其中的“透过现象看本质”与第一性原理有相似之处。“本质”可以简单地理解为第一性原理。但该原理相比马克思主义哲学,有比较重的系统学思维 。20世纪中后期,随着量子力学、电子信息的发展,计算材料学诞生,第一性原理的应用范围拓宽,在密度泛函理论有着重要作用 [6]。在21世纪,第一性原理由于埃隆·马斯克的推崇而被大众所了解 ,其适用范围得到了进一步的拓宽——思考和行动时,从最基本的原理和常识展开推理。又或是将假设倒至源头,去除噪音,以寻求洞察本质 。此外,由于第一性原理重视归纳,可以提升思维质量、优化决策,对刑法学研究具有重要意义 ;在教育学上,它也有着一定的应用 。
如今的第一性原理,已经不只
是哲学概念,在物理、数学、化学、商学、法学等领域都有着广泛应用。
根据原子核和电子相互作用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。
狭义上,第一性原理计算方法即从头算。它的基本思想是将多个原子构成的体系看成是由多个电子和原子核组成的系统,并根据量子力学的基本原理对问题进行最大限度的“非经验性”处理。它只需要几个基本常数就可以计算出体系的能量和电子结构等物理性质。第一性原理计算可以确定已知材料的结构和基础性质,并实现原子级别的精准控制,是现阶段解决实验理论问题和预测新材料结构性能的有力工具。不过,第一性原理计算效率低下,常需引入一些经验参数,来提升计算速度和扩大计算规模,但会不可避免地牺牲一定的计算精度。
第一性原理计算不需要开展真实的实验,极大地节省了实验成本,现已被广泛应用在化学、物理、生命科学和材料学等领域。
第一性原理,英文名:First Principle,是一个计算物理或计算化学领域的专业名词,广义第一性原理计算泛指所有基于量子力学原理的计算。
物质由分子和原子组成,原子由原子核和电子组成。量子力学计算根据原子核和电子的相互作用来计算分子结构和分子能量(或离子),然后得出物质的各种性质。
狭义的第一性原理计算被称作从头算(ab initio),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。从头算的计算效率低下,所以常需要引入一些经验参数,来提高计算速度和计算规模,但会不可避免地牺牲计算精度。
“第一性原理”的称谓来源于“第一推动力”这一宗教词汇。第一推动力是牛顿创立的,因为牛顿第一定律说明了物质在不受外力的作用下保持静止或匀速直线运动。如果宇宙诞生之初万事万物应该是静止的,后来却都在运动,是怎么动起来的呢?牛顿相信这是由于上帝推了一把。也就是说,许多说不清的东西,都归结为宇宙“第一推动力”。我们不清楚“第一推动力”,只是因为科学知识不完善。
为什么称量子力学计算为第一性原理计算呢?大概是因为这种计算能够从根本上计算出来分子结构和物质的性质,更能反映宇宙的本质,故而得名。
广义的第一原理包括以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。
第一性原理就是从头计算,不需要任何参数,只需要一些基本的物理常量,就可以得到体系基态的基本性质的原理
其他领域的应用
总结起来,第一性原理计算,就是从最基础的条件和规则出发,不靠横向比较和经验结论而进行的计算。第一性原理思维,简单来说,可以归纳为“追本溯源,理性推演”。
2002年,美国太空探索技术公司SpaceX创始人埃隆·马斯克突发奇想,想将首枚火箭发送至火星。可是,他发现仅购买运载火箭的成本就高达6500万美元。于是,他采用第一性原理思维,将起初情况分解为最基础的问题,对比自造和采购的优劣势后,决定购买便宜的原材料自造火箭。于是,马斯克很快创立了SpaceX,并在几年时间内,把发射火箭的成本削减至原本的十分之一,大大地弥补了自造带来的那部分成本提升,让SpaceX成为了世界史上第一家成功发射火箭的私人公司。
著名汽车企业特斯拉(Tesla)早期开发电动车时,被电池的高成本所困扰。于是,创始人马斯克从第一性原理的角度进行思考,分析电池组的材料组成,发现购买成本和自组产品之间存在巨大价格成本落差。因此,特斯拉在2013年建立了电池厂,投产之后电池的价格下降了30%,每年可以支持150万辆电动车对电池的需求。
值得一提的是,目前家居行业涌现的“工厂直销”的商业模式,其实也是第一性原理的应用。

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