如何区分经验公式与第一性原理模型?

Silja B.A.
Silja B.A.
Systems engineer with 10 years experience in first principles.

哈,这个问题问得很好,很多人都容易搞混。我尽量用大白话给你讲讲我的理解。

你可以这么想:

经验公式 = 老司机的“独门秘方”

一个经验丰富的老木匠,他不用去算什么复杂的力学,光凭手感和眼睛一看,就知道这块木头用多大的力气、从哪个角度劈下去最省力、效果最好。

你问他为啥?他可能说不出一套完整的物理理论,但他会告诉你:“我干了几十年了,就是这么干的!”

这个“独门秘方”就是经验公式。它是基于大量的观察、实验和经验总结出来的。

  • 特点:它告诉你“是什么”(What)和“怎么办”(How),但很少告诉你“为什么”(Why)。
  • 优点:在经验覆盖的范围内,它通常非常准,而且用起来简单、快速。
  • 缺点:一旦情况变了,超出了他的经验范围(比如换了一种他从没见过的木头),这个“秘方”可能就失灵了。它不具备很强的“举一反三”的能力。我们常说的“拟合参数”、“凑公式”很多时候就是在搞这个。

第一性原理模型 = 物理学家的“科学推导”

一个物理学家也想解决劈木头的问题。他不会先去劈一万次木头找感觉。

他会从最根本的法则出发:

  1. 研究木头的内部纤维结构、密度、含水率(这是物质的基本属性)。
  2. 分析斧子的重量、材质、刃口的锋利度。
  3. 运用牛顿力学定律(F=ma)、材料力学等最基础的物理规律

通过这些最底层的、公认的科学定律,他建立起一个数学模型,来计算出在特定条件下,到底怎么劈木头效率最高。

这个从“源头”开始推导的过程,就是第一性原理模型

  • 特点:它试图回答最根本的“为什么”(Why)。整个模型里几乎没有“拍脑袋”定下来的参数,所有东西都是从基本定律推导出来的。
  • 优点:因为它基于普适的科学规律,所以它的预测能力非常强。即使是没见过的木头,只要你知道它的基本物理参数,这个模型就能告诉你该怎么劈。它的通用性好。
  • 缺点:过程极其复杂,计算量巨大。有时候为了简化,也会做一些近似处理,但核心思想不变。

总结一下:

特征经验公式第一性原理模型
核心思想归纳法:从大量现象中总结规律。演绎法:从基本公理出发进行逻辑推导。
好比是“知其然,不知其所以然。”“知其然,亦知其所以然。”
依赖大量的实验数据和经验。基础的、公认的物理/化学定律。
适用范围经验覆盖的领域内很准,外推能力差。理论上是普适的,预测和外推能力强。
例子很多材料配方、天气谚语(“朝霞不出门”)。量子力学计算材料性质、天气预报的数值模型。

简单来说,经验公式是在“抄作业”,它总结了过去所有正确答案的规律;而第一性原理是在“解题”,它要用最基本的公式一步步把答案推导出来。