張聚恩/文
在本篇中，首先討論科學的一般意義，認識其重要性。
繼而通過回顧航空航天科學的創立與發展，進一步領悟科學的重要性，並樹立航空航天科學基礎的初步認知。
開宗明義，科學是什麼？科學就是分科而立的學問，是指將各種知識通過分類研究而形成的知識體系；也可指人類按照學科分類，開展研究，以獲取知識和創造知識的活動。前蘇聯《哲學百科全書》認為科學是“精神文化的高級形式，是不斷髮展的各種知識體系” 。《簡明不列顛百科全書》主張，科學是“由人類的想象力構造出來的廣闊領域的系統性概念化結構” 。按其本質，科學乃是體系化、結構化的知識。
從古代直到19世紀，作為知識的科學同哲學密切相聯。人類區別於動物的最本質特徵之一，就是善於思考。人類對世界的思考所產生的思想與觀點，即為哲學。世界包括自然世界、人類社會和人的本身，相應地，哲學思考和哲學思想也包括自然哲學和社會哲學。自然哲學包括自然界和人的關係、人造自然和原生自然的關係、自然界的最基本規律等。
在西方，“自然哲學”（Natural Philosophy）曾經包含了與今日科學有關的眾多研究領域，如天文學、物理學等。古代中國人、印度人和希臘人以及一批伊斯蘭先哲，也分別在不同時段提出過對宇宙、自然和物質世界的哲學認知，如水火木金土分類，如對空氣和地球的認識等。
在科學的發展進程中，逐漸興起用實驗觀察方法來認識世界，以可測試的解釋和預測的形式構建與組織知識體系。從中國老子（公元前570~471年）的樸素辯證法、亞里士多德（古希臘，公元前384~322年）的形式邏輯三段論和思辨的傳統自然觀，逐漸發展到“普遍的真理可以通過推理和歸納而得知”、強調“實驗和不同程度的量化”，直到達成科學研究的一般性原則。培根（英，1561~1626年）、伽利略（意，1564~1642年）、笛卡爾（法，1596~1650年）、牛頓（英，1643~1727年）等為近代科學及其方法的創建做出了重要貢獻。
（上）老子、亞里士多德、培根，（下）伽利略、笛卡爾、牛頓（自左至右）
科學的概念與活動越來越多地與科學方法相聯繫，“科學”的內涵在悄然縮小範圍，逐漸狹義化，成為自然科學的代名詞。“自然科學”指人類研究物質世界的全部理論與方法。《中國大百科全書》對其定義為：研究無機自然界和包括人的生物屬性在內的有機自然界的各門科學的總稱。
按照研究成果的屬性，自然科學又分為基礎科學（Basic Science）和應用科學（Applied Sciences）兩大類。基礎科學也被視為純科學，主要包括天文學、地球科學、生物學、物理學、化學等基礎學科，以及由基礎學科發展出的交叉、邊緣學科。
現代科學雖把數學歸入形式科學，但絲毫不說明數學不重要。恰恰相反，數學也是一門基礎學科，且十分重要。在我們經常提及的“基礎研究”中，就突破了狹義科學的定義，而將數學以及數學的分支和邊緣學科，也視為基礎研究的內容。基礎科學有時被簡稱為“天、地、生、數、理、化”，即源於此。
由美國興起、現風靡全球、中國中小學也在大力推行的STEAM教育，將科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Arts）和數學（Mathematics）五者相融合而開展。其中，將數學與科學、技術、工程和藝術而並列，足見其重要性，也可從另一角度說明它非依賴於自然科學和社會科學的獨立性。
由傳統基礎學科不斷衍生發展出來的交叉、邊緣學科，造就基礎研究日益活躍的局面，也成為培育和促進原始創新的豐厚土壤。如作為物理學分支與邊緣的粒子物理學、凝聚態物理學、光學、廣義相對論、場論、量子力學等；化學中的分析化學、物理化學、結構化學、高分子化學等；生物學裡的細胞生物學、生物化學、分子生物學、生態學、遺傳學等；天文學中的宇宙學、宇宙起源學、天星學、射電天文學、太陽系學等；地球科學中的大氣物理學、大地測量學、水文學、海洋學、土地學、空間科學等。
把基礎理論轉化為實際運用的科學，被稱為應用科學。其研究的方向性強，目的性明確，與實踐活動的關係密切，直接體現人的需求，但仍保留科學的基本屬性，即不與具體的應用相捆綁。應用科學的主要內容是工程科學（包括力學，運動學，電磁學，工程物理學、設計學、製造學、材料學等）和醫學科學（如醫學微生物學、臨床病毒學、生物醫學等）及其他門類。
讓人興奮、又時有迷茫的一個現象是，人類在現代科學的發展進程中，獲得的科學知識在井噴式增長，但同時不可知的、提出前所未有挑戰的難題也比任何歷史時期都全面而尖銳。當然，過去這些問題也都在事實上存在，但人類從沒有像今天這樣強烈地察覺到，並急切地想要破解。於是，自然哲學再次引起人們的關注。
在人們把科學狹義化之後，現代科學研究遭遇實證方法論的“天花板”。現代物理的許多前沿理論、宇宙起源和大爆炸理論、人類的起源和生物進化等重大科學難題，無法用實證法獲得新知，而是一再由自然哲學引領研究。常常是自然哲學的思辨在前，各種模型的建立和有關的理論計算在後。一旦能夠對自然現象做出令人信服的解釋，或得到了觀測實證，則可視為自然科學的新突破了。
丹麥物理學家奧斯特（Hans Christian Orsted，1777~1851）曾說過：“當迴歸自然界規律的經驗主義者，與進步中的形而上學者相遇時，科學將臻於完美（When the empiricist in his regression towards general laws of nature meets the metaphysician in progression, science will reach its perfection.)”。這話似乎預見到了自然哲學與自然科學再次聯袂的景象。
現在，讓我們回到“科學有用嗎”這個提問。回答是，當然有用，而且是重大的作用。但有時候，人們察覺不到它的作用。而如果過分強調實用性，許多科學的原理則無從被發現。這似乎是一個自相矛盾的回答，但請注意，”作用“不等同於”實用性“，而科學的作用要遠比實用性大得多。
曾出任普林斯頓高等研究院（Institute for Advanced Study in Princeton）院長的亞伯拉罕·弗萊克斯納（Abraham Flexner，1866-1959），在支持與發展自由
的科學研究中有許多真知與建樹，在他於30年代發表的、以“無用知識的有用性”為題的文章裡，闡述了強調科學研究和自由探索重要性的觀點。
他力邀愛因斯坦加入研究院，開展研究工作，給他開出遠超愛因斯坦本人期望的薪酬。在面對人們對愛因斯坦研究實用性的質疑時，他說道：在愛因斯坦誕生前100年，他的同鄉高斯（Gauss）發明了非歐幾何學，......在長達四分之一世紀的時間裡，高斯無法發表任何相關研究成果，因為當時人們認為它們“沒有用”。可是今天，全世界都知道，如果沒有高斯當年在哥廷根的研究，相對論及其豐富的實用價值恐怕全都是泡影。
他還舉出奠定無線電理論基礎、為此後的一系列無線電發明默默鋪好臺階的克拉克·麥克斯韋（Clerk Maxwell）作例證。 正是麥克斯韋對電磁場的研究，以及凝聚在1873年出版的專著中的那些經典結論和方程式，開啟了無線電時代。至今，電子專業的學生還需要學習和掌握諸如麥克斯韋方程這樣的科學基礎知識。
高斯、麥克斯韋、愛因斯坦，以及我們前面提到的培根、伽利略、笛卡爾、牛頓等科學巨匠，並不關心自己的研究有何“用處”，也從未發明過任何具體的產品，但他們“無用”的研究與發現，卻成為各自領域偉大發明及實用技術的理論基礎。縱觀整個科學史，絕大多數最終被證明對人類有益的、真正偉大的科學發現都出自這樣的科學家，源於他們非凡的興趣和為破解難題的執著鑽研。
越是較少地偏向直接應用方面的功利性考量，純粹受好奇心驅動的研究越有可能產生重大發現，產生驚世的偉大貢獻。似乎，我們身邊的很多人不太認可這樣的認識，但為著民族創新發展的未來，到了靜下心來，認真思索，心悅誠服地接受這個觀點的時候了。
在把目光轉向航空航天領域的時候，我們發現，展示出同樣的現象。一項又一項似乎無用的科學發現，壘建成現代航空航天大廈的基石，在此基礎上，宏偉的建築終於露出地表，並日臻壯觀。
古希臘哲學家、數學家、物理學家阿基米德，在諸多領域為人類文明做出偉大貢獻，他的《論浮體》是世界上第一部流體靜力學專著，阿基米德原理揭示了流體的浮力規律，成為千年之後出現的各色浮空器的理論基礎。
意大利文藝復興巨匠達·芬奇，通過觀察和分析鳥類翅膀的運動，寫下科學文獻《論鳥的飛行》，他還繪製了大量的飛行器草圖。
1738年，瑞士物理學家、數學家丹尼爾∙伯努利出版《流體動力學》，提出著名的“伯努利方程”，揭示了“流速增加、壓強降低”的伯努利原理，奠定了流體動力學的基礎。就此，也為百餘年後出現的現代飛機的升力之源的詮釋做好了科學準備。
但阿基米德和伯努利的發現，並未自然地產生航空應用科學與實用技術。流體靜力學並未直接催生浮空器，流體動力學也並未立即促成飛機的出現。達∙芬奇的研究成果在19世紀後期才被發現，也沒有對航空發展產生實際影響。直到1809年，英國喬治∙凱利發表《論空中飛行》，這一切才得以改變，現代航空學就此誕生。
基於空氣動力學的一般原理，喬治∙凱利對空氣的阻力與升力進行了定量研究，他利用自己設計和製造的裝置，研究得出了關於升力和速度間的關係。他勾勒出了現代飛機的輪廓，指出飛行器應有垂直舵面和水平舵面，對其操縱性、安全性和穩定性做出了分析。他的“現代飛機不應模仿鳥類振翼、而應採取固定翼加推進器模式”的論斷，振聾發聵，使長期以來陷入仿鳥飛行迷陣的人們茅塞頓開。說凱利的科學理論，撥正現代航空的船頭、開啟了現代航空紀元，絕非誇張。
一個真正的航空時代到來了，喬治∙凱利成為公認的航空科學之父。此後，在凱利科學思想的指引下，又經過近百年的發展，才有了1903年萊特兄弟的世界首例載人、有動力、可控飛行的成功。
航天領域呈現獨立發展的形態稍晚於航空。其最重要的科學基礎是火箭推進原理。不同於航空器，要藉助大氣，獲得升力，以維持飛行，航天器在達到一定高度後，將要遵循軌道運行原理。而要達到足夠的高度，必須獲得足夠高的速度，以擺脫引力。獲得第一、第二、第三宇宙速度的飛行器，才可能繞地球軌道飛行、繞太陽飛行和衝出太陽系飛行。
在回答“如何獲得高速”這個對於航天帶有根本性的科學問題中，俄羅斯的齊奧爾可夫斯基（Konstantin E.Tsiolkovsky.1857-1935）和法國人埃斯諾∙貝爾特利 （Robert Esnault-Peltrie，1881-1957）各自進行了獨立研究，做出了奠基性貢獻。齊奧爾可夫斯基在1898年完成、1903年發表論文《利用噴氣工具研究宇宙空間》，指出，必須依靠火箭這一反作用機械飛離地球，並給出了火箭運動的基本公式。埃斯諾∙貝爾特利1912年發表論文《關於無限減輕發動機重量的可能性的結果的思考》。二人還分別導出了第一宇宙速度和第二宇宙速度。
航空航天的本源是一致的，都以滿足人類離開地面的願望而生，故有共同的科學基礎，最重要的基礎是力學。力學又稱經典力學，是研究通常尺寸的物體在受力下的形變，以及速度遠低於光速的運動過程的一門自然科學；主要研究能量和力以及它們與固體、液體及氣體的平衡、變形或運動的關係。力學源於物理學，隨著彈性力學和流體力學基本方程的建立，逐漸從物理學中脫離而成獨立學科，反成為物理學以及天文學和諸多工程學的基礎。
牛頓對力學的創建做出了傑出的貢獻
英文中，力學為Mechanics，以”機械“為詞根。這是由於機械運動是物質運動的基本形式，機械運動即力學運動，指物質在時間、空間中的位置變化，包括移動、轉動、流動、變形、振動、波動、擴散等；而平衡或靜止，是其中的特殊情況。力是物質間的一種相互作用，機械運動狀態的變化是由這種相互作用引起的。靜止和運動狀態不變，則意味著各作用力在某種意義上的平衡。因此，力學可以說是力和(機械)運動的科學。
力學可分為靜力學、運動學和動力學三部分。靜力學研究力的平衡或物體的靜止問題；運動學研究物體運動的形式與規律；動力學討論物體運動和所受力的關係。在工科類高校中設置的理論力學專業，是涵蓋這三方面內容的一門基礎學科，主要研究對象為簡單物體，包括質點、質點系、剛體和剛體系；通過對這些簡單物體的受力分析，學習靜力平衡、力的合成與分解、座標系、能量方程等力學基本知識。
不管飛行器如何發展，其本質是機械裝置，飛行的本質則是機械運動，其運動規律符合經典力學原理。飛行器設計必須以經典力學為基本依據，聲障、熱障等重大航空航天現象的解釋與解決也離不開力學。當然，隨著力學的不斷髮展，和對物質運動的深入研究，其它形式的物質運動，如熱運動、電磁運動、原子及其內部的運動和化學運動等，日漸受到重視，而其中大部分也與航空航天密切相關。
從另一維度，力學又可分為固體力學、流體力學和一般力學三個分支。在研究領域劃分或專業設置時，涉及力學頗多，但多能歸入這三大分支。其中，屬固體力學的結構力學、材料力學和彈性力學，屬流體力學的空氣動力學，屬一般力學的分析力學、振動力學、剛體動力學等，與航空航天的關係尤為密切。此外，熱（動）力學、材料學、電子學、信息學、控制論、系統工程學等，也是航空航天科學基礎的重要組成。
不少學校開設有工程力學專業，其專業特點是面向不同領域的工程需要，常被作為專業基礎課程。主要內容有：理論力學中的靜力學、材料力學和結構力學的主要內容；按照這些內容的內在連續性和相關性，從理論分析、數值計算和實驗研究三方面及其綜合運用，組合而成具有不同工程特點的力學基礎知識體系。
在航空航天領域所使用的“飛行力學”稱謂，具有特定的含義。飛行力學專門研究飛行器在飛行時的受力情況，研究保持所需飛行姿態、調整飛行狀態與飛行軌跡的理論與分析方法；主要內容是飛行過程中的受力分析，和對飛行控制的專門化研究，可視為空氣動力學的特定深化應用研究，
下圖展示航空航天主要科學基礎，上半部分是共同需要的科學基礎。下半部分是航天獨有的科學基礎。
至此，我們大體看到了科學的作用，科學不特定於某一具體的產品開發，科學也不會自然地導引出實用技術，但科學揭示規律，科學指明道路。科學從基礎研究開始，經過持續積累，逐漸形成體系。那些學科學、懂科學的聰明人，將會在某一時刻，迸發出創意與靈感，產生新技術的突破，也終於可以研發出一個又一個造福人類的新產品。
在我們充分肯定科學的作用的同時，區分科學、非科學與偽科學，解決理論與觀察之間一致性的問題，也比任何時候都顯得突出與急切。在科學史上，科學與非科學的界線從來不是清晰可辨的，出於政治和偏狹的宗教信仰等原因，或以威權者個人的認知與好惡，輕易判定科學的是非與真偽，造成慘重的損失，甚至逼迫科學先賢以生命殉道，此類教訓比比皆是。
面對我們當前基礎研究薄弱、原始創新乏力的現狀，需要從深入思考科學的本性、科學的本源、科學的特質出發，營造寬容而富有活力的創新氛圍，充分尊重從事基礎研究的科學家和科學工作者，對尚無法理解的基礎研究，不能輕易斥為“偽科學”。但同時，科學具有邏輯性和連貫性，擁有實證特徵，科學的方法論也大體明晰，假大空的科學騙局雖時有出現，但終究沒有市場。隨著全民科學素養的不斷提高，科學精神與民主自由精神融為一體，全社會尊重科學和科學家蔚然成風，充分認識科學的作用，正確識別科學成果的價值，也將成水到渠成之勢。
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