科学与工程中的洞察力：如何把握复杂性 [The Art of Insight in Science and Engineering Mastering Complexity] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[美] 桑乔伊·马哈詹（Sanjoy Mahajan） 著，潘子欣，徐建军 译

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• 科学思维
• 工程思维
• 复杂性
• 问题解决
• 创新
• 洞察力
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• 系统思考
• 决策制定

出版社： 上海科学技术出版社

ISBN：9787547835975

版次：1

商品编码：12230642

包装：平装

外文名称：The Art of Insight in Science and Engineering Mastering Complexity

开本：16开

出版时间：2017-08-01

用纸：胶版纸

页数：408

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适读人群 ：null
世界是复杂的。能让我们更好把握世界，避免被淹没在复杂泥潭中的是日积月累培养出的洞察力。本书将告诉你如何优化自己的思考模式，构建自己的洞察力。
全书围绕思考方法设计。在每一章，通过大量生动的案例教会你一种构建洞察力、把握复杂性的方法工具。工具比案例本身更一般，更有用，你所学的思考工具将适用于各领域以及生活的各个方面。尝试本书介绍的思考方法吧，你会发现世界竟如此统一与和谐。世界原本简洁。

内容简介

科学与工程被认为是关于准确性及精确性的学问。然而，能让我们更好把握世界复杂性的却是洞察力。《科学与工程中的洞察力》围绕如何培养、优化思考方式而设计。全书分为3大部分。第1部分告诉你什么是复杂性，如何把你所面对的复杂世界“整理”得简洁、有条理。在此部分，你将学习到“分而治之法”和“抽象”两件工具，来帮助你梳理复杂世界。第2部分教你如何在不损失信息的前提下，把不必要的复杂性舍弃。你将学习到另外3种工具：“寻找不变量”、“正比分析”、“量纲分析”。当面对更复杂的问题，以至于我们已经掌握的方法都无能为力时，我们必须做出“牺牲”——舍弃一部分信息，这便是第3部分的内容：如何在舍弃信息的情况下对问题做出更好地估计。“团块化”和“概率分析”这两种工具将力助你做到这一点。

作者简介

[美]桑乔伊?马哈詹（Sanjoy Mahajan）：斯坦福大学物理学学士，剑桥大学数学学士，加州理工学院物理学博士，曾任教于麻省理工学院、剑桥大学、欧林工程学院等。多年以来，在多所高校致力于科学课程的教学设计与改革。在麻省理工学院开设广受好评的公开课“科学与工程中的近似艺术”。

徐建军：复旦大学物理系教师，长期从事理论物理的科研与教学工作，著有《物理学中的群论基础》及译作《不论——科学的极限与极限的科学》等。

潘子欣：复旦大学经济学院学生。

目录

序
第一篇 组织复杂性
第1章 分而治之法
1．1 热身
1．2 铁路与公路
1．3 树图
1．4 需求估算
1．5 对同一个量用多种方法进行估算
1．6 与直觉对话
1．7 物理估算
1．8 小结和进一步的问题
第2章 抽象
2．1 燃烧碳氢化合物释放的能量
2．2 扔硬币游戏
2．3 抽象的目的
2．4 类比
2．5 小结及进一步的问题

第二篇 忽略复杂性且无信息丢失
第3章 对称性与守恒
3．1 不变量
3．2 从不变性到对称操作
3．3 物理对称
3．4 黑箱模型与守恒量
3．5 能量守恒与阻力
3．6 飞行
3．7 小结及进一步的问题
第4章 正比分析
4．1 人口标度
4．2 找出标度指数
4．3 流体力学中的标度指数
4．4 数学中的标度指数
4．5 二维中的对数标度
4．6 优化飞行速度
4．7 小结及进一步的问题
第5章 量纲
5．1 无量纲量
5．2 一个独立的无量纲量
5．3 更多的无量纲量
5．4 温度和电荷
5．5 原子，分子和材料
5．6 小结和进一步的问题
第三篇忽略复杂性时有信息丢失
第6章 团块化
6．1 近似！
6．2 对数标度的取整
6．3 典型值或特征值
6．4 将团块化用于形状
6．5 量子力学
6．6 小结及进一步的问题
第7章 概率分析
7．1 作为可信度的概率：贝叶斯概率
7．2 合理的范围：为何分而治之法有效
7．3 无规行走：黏滞性与热流
7．4 无规行走的输运
7．5 小结和进一步的问题
第8章 简单案例
8．1 热身
8．2 两区域
8．3 三区域
8．4 两个无量纲量
8．5 小结及进一步的问题
第9章 弹簧模型
9．1 键弹簧
9．2 能量分析
9．3 产生声，光及引力辐射
9．4 辐射的效应：蓝天与红日
9．5 小结及进一步的问题

最后的话：长期持久的学习
参考文献
索引

前言/序言

科学与工程中的洞察力序

科学与工程，我们理解和改变这个世界的现代方式，被认为是关于准确性及精确性的学问。然而，能让我们更好把握所处世界的复杂性的是日积月累培养出的洞察力，而非精确性。
我们需要洞察力是因为我们的大脑不过是这个世界的一小部分。洞察力会将知识的碎片整合成适合大脑的一个简单图像。但是精确性会使大脑储存发生溢出，冲刷掉洞察力所带来的理解。本书将告诉你如何构建洞察和理解，从而避免被淹没在复杂之中。
因此，我们所使用的方法不是严格的。严格（rigor）很容易变成僵尸（rigor mortis），分析（analysis）变成无能（paralysis）。放弃严格，我们来研究自然的和人为的世界，即科学和技术的世界。因此，对于物理学概念，诸如力、功率、能量、电荷和场，你需要有一些（并非很多）理解。书中尽可能少用数学，大部分是代数和几何，有一些三角，很少涉及微积分，因此数学将会提高而不是阻碍我们的洞察和理解，并使得问题的解决更容易。目的是帮助你把握复杂性，于是没有问题能吓倒你。
正如我们生活中所有重要的事件一样，无论婚姻还是职业，我进入这个领域在很大程度上不是事先计划好的。作为一名研究生，我人生中的第一个科研报告是给同学们介绍视网膜圆柱细胞中的化学反应。我只能通过近似使化学混沌变得有意义。在同一年，我办公室的同事卡洛斯?布罗迪（Carlos Brody）对孪生素数的分布感到好奇。所谓孪生素数，指相差为2的两个素数，如3和5，11和13等。没有人确切知道孪生素数的分布。作为一个懒惰的物理学家，我用素数的概率模型近似回答了卡洛斯的问题［1］。这里又一次看到，近似促进了问题的理解。
作为一个物理学研究生，我需要准备研究生资格考试。同时，我担任“数量级物理学”（Order of Magnitude Physics）课程的助教。在3个月内，通过准备资格考试和对课程进行备课，我在这段时间所学到的物理比我整个大学本科阶段学到的都要多。物理教学和学习有很大的改进空间——近似和洞察可以弥补这些不足。
感谢我的老师们，我将本书献给卡弗?米德（Carver Mead），他给我的指导是不可替代的；献给彼得?戈德赖希（Peter Goldreich）和斯特尔?菲尼（Sterl Phinney），他们在加州理工学院开设了“数量级物理”这门课程。从他们身上我学到了进行简化和洞察的勇气——这是一种我期望能教会你的勇气。
我曾经在剑桥大学和麻省理工学院开设“近似的艺术”（Art of Approximation）课程很多年，这是由物理学和工程中的一些课题构成的课程。课程的内容限制了材料的一般性：　除非你成为广义相对论的专家，否则一般不会再去研究引力理论。然而，在估算引力场使星光偏折多少（5.3.1节）中所学会的分析工具的运用远远不局限于这一个例子。工具比课题本身更一般，更有用。
因此，我围绕分析工具重新设计了“近似的艺术”这门课程。这种我在麻省理工学院和欧林工程学院使用过的方式已经反映在本书中——通过每章教你一种工具的方式来帮助你构建洞察力和把握复杂性。
把握复杂性的方式有两大类：　组织复杂性（第一篇）和忽略复杂性（第二篇和第三篇）。组织复杂性，即第一篇的主题，通过两种工具来教给你：　分而治之法（第1章）及抽象（第2章）。
忽略复杂性（第二篇和第三篇）体现了“聪明的艺术就是知道什么是可以被忽略的艺术”［2］这一理念。第二篇中，在不丢失信息的情况下，复杂性被忽略。这部分包含三种工具：　对称性与守恒（第3章），正比分析（第4章）和量纲分析（第5章）。第三篇中，复杂性被忽略，伴随着信息丢失。这部分包含最后4种工具：　团块化（第6章），概率分析（第7章），简单案例（第8章）和弹簧模型（第9章）。
利用这些工具，我们可以探索自然的和人为的世界。我们将估算鸟和飞机的飞行距离，化学键的强度以及太阳偏折星光的角度；理解钢琴、木琴和话筒的物理；解释为什么天空是蓝的而夕阳是红的。我们所用到的工具把这些和其他许多例子编织成了一幅有意义的科学和工程挂毯［3］。
最好的教师应该是一个技艺精湛的导师［4］。一个好的导师很少下结论，而是问你问题，因为质疑、探究和讨论会促进持久性的学习。为了帮助你掌握工具，两种类型的问题会在书中出现。
1．　用 标记的问题。这类问题，教师可以在教学过程中提问，要求你在讨论中将其发展到下一步。这些问题会在接下来的叙述中得到答案，这时你可以检验你的思考。
2．　用阴影背景标记的带有编号的问题。这些问题教师会作为家庭作业，让你用来练习工具的使用，例子的推广，几种工具的综合使用，甚至让你解决一个特殊的悖论。只是观看制作好的健身视频几乎不会有健身效果。所以，多多尝试这两种类型的问题。
经过努力，复杂性就能被把握，并且会有更广泛的作用。正如物理学家埃德温?杰恩斯（Edwin Jaynes）美国物理学家，对热力学、统计物理以及概率论有重要贡献。——译者注关于教学所说的一段话［5］：

教学的目的不是把教师现在知道的每一个事实都灌输到学生的大脑中去，而是把思考的方式教给学生，使得学生在将来能够用一年的时间就学会教师用两年时间才学会的东西。只有这样，我们才能持续不断地一代比一代更进步。希望本书介绍的工具能帮助你推动这个世界，使它变得比我们这一代人留下的世界更进步。

开启探寻智慧之门的钥匙——解密科学与工程领域中的洞察力 在浩瀚的知识海洋中，人类文明的进步如同璀璨的星辰，闪耀着智慧的光芒。而在这星辰背后，隐藏着一种更为深邃的力量，它驱使着科学家们不断突破认知的边界，工程师们构筑起宏伟的未来。这种力量，便是“洞察力”。它不是简单的知识堆砌，也不是枯燥的理论分析，而是一种能够穿透迷雾，直抵事物本质的智慧之光。 本书，并非一本讲述具体科学理论或工程技术的教科书，它不罗列公式，不剖析定理，也不详述某个实验的步骤。相反，它将带领读者踏上一段更为宏大和根本的探索之旅，深入挖掘那些驱动科学发现和工程创新的核心机制——洞察力的本质、形成途径以及如何有效地将其运用在错综复杂的科学与工程领域中。 想象一下，一个历史性的科学突破，往往并非源于无数次重复的实验，而是源于某个科学家在某个不经意的瞬间，突然“看到”了事物之间前所未有的联系，或者发现了某个被忽视的关键要素。又或者，一个颠覆性的工程设计，并非仅仅依赖于严谨的计算和标准的流程，而是诞生于工程师对问题深刻的理解，以及一种“灵光一闪”的顿悟，这种顿悟让他们能够跳出既有框架，寻找到更优雅、更有效的解决方案。这些，都是洞察力在起作用的明证。 本书将深入剖析，究竟是什么构成了这种宝贵的“洞察力”。它可能源于对问题的深刻观察，对现有知识的融会贯通，对不同领域之间相似性的敏锐捕捉，亦或是对逻辑链条中隐藏的断裂或弱点的直觉感知。我们将会探讨，洞察力是如何在一次次的思考、反思、甚至是失败中孕育而生的。它不是凭空而降的礼物，而是需要精心培养、不断磨砺的思维能力。 在科学领域，洞察力如同指引方向的北极星。它能够帮助科学家们在海量的数据中辨别出真正有意义的模式，在看似无关的现象中找到潜在的联系。它让那些看似难以逾越的科学难题，在新的视角下变得清晰可见。例如，从苹果落地这一简单现象中，牛顿窥见了万有引力的普遍规律；从水滴石穿的日常景象中，古人领悟了量变引发质变的哲理。这些伟大的发现，无一不闪耀着洞察力的光辉。本书将引导读者思考，我们如何才能培养出这种“看到别人看不到的东西”的能力，如何在科学研究中，将日常的观察转化为革命性的理论。 在工程领域，洞察力则是构建未来蓝图的灵魂。它让工程师们不仅仅是遵循既定的设计规范，而是能够理解工程问题的深层含义，预见潜在的风险，并提出突破性的解决方案。当面临一个复杂的技术挑战时，那些拥有强烈洞察力的人，能够迅速抓住问题的核心，并找到最有效的切入点。他们能够从已有的成功案例中学习，也能从失败的教训中汲取经验，并将这些宝贵的财富融会合成创新的火花。本书将探讨，工程师如何在面对复杂系统、多重约束和不确定性时，运用洞察力来优化设计，提升性能，并最终创造出更加安全、高效和可持续的工程成果。 本书将进一步探讨“把握复杂性”这一核心议题。在当今科学与工程领域，我们所面对的问题往往是高度复杂、相互关联且动态变化的。无论是气候变化、人工智能的伦理问题，还是新材料的研发、航空航天的挑战，都充满了错综复杂的要素和潜在的未知。在这种环境下，仅仅依靠线性的逻辑思维和传统的分析方法，往往显得力不从心。真正的突破，需要一种能够理解和驾驭这种复杂性的能力。 本书将揭示，洞察力是如何帮助我们应对复杂性的。它并非提供一套解决所有复杂问题的通用公式，而是教授一种思维的范式，一种认识世界的方式。我们将学习如何识别复杂系统中隐藏的规律，如何理解不同组成部分之间的相互作用，以及如何在一个动态变化的环境中做出明智的决策。这包括但不限于： 识别关键节点与瓶颈： 在一个庞大而复杂的系统中，往往存在着一些至关重要的节点或薄弱环节，它们对整个系统的运作起着决定性的影响。洞察力能够帮助我们快速定位这些关键点，从而将有限的资源和精力聚焦于最有效的地方。 理解非线性关系与涌现行为： 许多复杂系统并不遵循简单的线性逻辑，其整体行为往往是组成部分简单交互的“涌现”结果。本书将探讨如何培养对这种非线性关系和涌现现象的感知能力，从而更好地理解和预测系统的行为。 跨领域知识的融合与类比： 很多深刻的洞察来自于不同领域知识的巧妙融合。本书将鼓励读者打破学科壁垒，学习如何从一个领域的成功经验或失败教训中，提炼出适用于另一个领域的洞察，通过类比和迁移来解决新的问题。 反思与迭代的循环： 洞察力并非一次性的顿悟，而是一个持续反思和迭代的过程。本书将强调在实践中不断学习、总结经验、调整视角的重要性，鼓励读者将洞察力视为一种动态的能力，通过不断的实践来加以巩固和提升。 直觉与逻辑的协同： 尽管逻辑分析是科学与工程的基础，但许多伟大的洞察往往是直觉与逻辑思维协同作用的结果。本书将探讨如何平衡和利用直觉，使其成为严谨逻辑分析的有力补充，而非其替代。 本书将通过一系列启发性的思考、引人入胜的案例分析（这些案例将聚焦于思维过程而非具体技术细节），引导读者去体悟洞察力的力量，并提供一些切实可行的方法和练习，来帮助读者在自己的学习和工作中，逐步培养和提升这种宝贵的“洞察力”。它不是一本速成手册，而是一份邀请，邀请读者一同踏上探索智慧之源的旅程，去发现隐藏在科学与工程洪流中的那股最强大的驱动力。 无论您是一名初涉科学殿堂的学生，一名经验丰富的工程师，还是对知识的本质充满好奇的探索者，本书都将为您提供一个全新的视角，帮助您更好地理解科学与工程领域的本质，更有效地应对复杂性的挑战，最终在您的学习和工作中，解锁更多属于您的“洞察力”。这是一种赋能，一种对认知边界的拓展，一种对未来无限可能的开启。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计得非常引人注目，那种深邃的蓝色调和抽象的几何图形，立刻给人一种思考复杂系统和抽象概念的预感。我本来以为这会是一本充满晦涩术语和高深数学公式的纯理论著作，毕竟“科学与工程中的洞察力”听起来就够硬核了。然而，翻开第一页，我发现作者的叙述方式异常地平易近人。他似乎有一种魔力，能将那些原本令人望而生畏的复杂问题，拆解成一系列可以被逐步理解的逻辑步骤。我尤其欣赏他对“洞察力”这个核心概念的定义——它不是灵光乍现的运气，而是一套可以通过训练和系统性思考培养出来的能力。书中穿插的案例研究，从材料科学的微观结构到大型软件架构的宏观设计，都以一种非常“故事化”的方式呈现，让人在不知不觉中接受了深层次的思维训练。读完第一章，我感觉自己看待日常工程难题的视角都变得更加开阔了，不再满足于表面的解决方案，而是开始追问更深层次的结构性原因。这本书的价值，很大程度上在于它提供了一种看待世界的“滤镜”，让你能从纷繁的噪音中捕捉到问题的本质脉络。

评分☆☆☆☆☆

对于那些在职业生涯中遭遇“平台期”的资深人士来说，这本书简直是一剂强心针。我个人在某个领域深耕多年，感觉已经触及了知识的天花板，所有的项目都变得越来越像重复劳动。这本书没有贩卖“快速成功学”，而是深入探讨了“深度学习”的机制。它探讨了为什么有些经验积累看似丰富，却无法转化为真正的创新能力。核心在于，缺乏对“不确定性”和“系统边界”的敏感度。作者提供了一套结构化的方法来识别那些隐藏在复杂系统边缘的薄弱环节，也就是我们常说的“黑天鹅”事件可能发生的地方。书中对决策制定过程的剖析尤其精妙，它不再将决策视为一个线性的最优选择过程，而是将其置于一个充满反馈回路和非线性响应的动态环境中。我开始有意识地在项目规划阶段引入“反事实思维”，这极大地提升了我对潜在风险的预判能力，让我在处理那些涉及多方利益博弈的复杂任务时，显得更加从容不迫。

评分☆☆☆☆☆

这本书真正让我眼前一亮的地方，在于它对“跨学科”思考的强调，这简直是当代工程界一个长期被忽视的痛点。我们太多时候被困在自己专业的“筒仓”里，用有限的工具去解决本质上是多维度的问题。作者巧妙地引入了来自不同领域的思维模型——比如，他用生物学中的“自组织”概念来解释软件系统的鲁棒性，或者用艺术史中的“形式跟随功能”原则来反思产品设计中的冗余特性。这种横向的知识迁移，极大地激发了我的创造力。我过去总是倾向于在既有的工程框架内打转，但读完后，我开始主动去图书馆翻阅一些完全不相关的学科书籍，试图寻找那些可以被“借用”到我的工作中的底层逻辑。这种强迫自己跳出舒适区的过程是痛苦的，但带来的认知升级是巨大的。这本书不是教你具体的技术，而是教你如何像一个真正的“智者”那样去整合信息，去构建一个更全面的心智地图。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和视觉呈现也是一个值得称赞的细节。在这个信息爆炸的时代，内容本身固然重要，但如何高效地将知识灌输给读者，同样考验作者的功力。这本书的配图和图表设计绝非敷衍了事，它们是真正服务于概念阐释的工具，而不是单纯的装饰。例如，在解释信息流的熵增时，所用的图形直观到几乎不需要文字解释就能领会其意图。我特别喜欢作者在关键概念总结时采用的“核心模块”设计——它们像乐高积木一样，结构独立但又可以相互嵌套，方便读者随时抽取进行回顾和重组。这使得这本书不仅仅是一次性的阅读体验，更像是一本可以伴随职业生涯不断查阅和深化的工具手册。相比那些动辄上千页、密密麻麻堆砌文字的“百科全书式”著作，这种清晰、模块化的呈现方式，极大地降低了消化复杂知识的认知负荷，让学习过程变得更加愉快和高效。

评分☆☆☆☆☆

读完这本书，我最大的感受是，它成功地填补了我认知图谱中的一个巨大空白：如何优雅地处理“模糊性”。在工程实践中，我们总是被训练去追求精确、可量化和可重复的结果。然而，现实世界中的大部分难题，尤其是在创新领域，恰恰是高度模糊、充满矛盾和主观判断的。这本书提供了一种哲学框架，来接纳并利用这种模糊性。它不要求我们消除不确定性，而是教导我们如何在不确定性中识别出最有价值的“信号”。作者对“简化”的讨论也极其深刻——真正的简化，不是粗暴地切除细节，而是通过深刻理解事物间的内在联系，用最简洁的语言或模型来概括其核心机制。这是一种返璞归真的智慧，需要极高的智力投入才能达到。这本书无疑是为那些渴望从“执行者”转变为“架构师”的专业人士量身打造的。它不仅仅是一本关于科学和工程的书，更是一本关于如何清晰思考和有效行动的指南。