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计算机在科学研究中能做什么?

发布时间:2019-06-11 06:08 来源:未知 编辑:admin

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  计算机模拟在科学研究中的作用 齐磊磊 (华南师范大学公共管理学院,广州,510006) 摘要:机算机模拟在科学研究中具有重要作州:它辅助或替代了传统分析式的数学模 型,提高了对复杂系统的认知程度;作为一种灵活有效的模拟工具,它积极参与建立知识框 架,处理了用传统的实验方法不能进行研究的问题,是一种特殊的科学实验。 关键词:计算机模拟;复杂系统;科学实验:有效性确认 科学研究的目的是为了更好地认识世界,这个认识的过程主要是通过对世界上各种事物、 现象进行阐释分析来实现的:但实际上,世界上大部分的事物纷繁复杂,并不可能都简单地 只用传统的数学分析或统计力学这样的科学方法就可以理解掌握。随着认识对象复杂度的增 加,要想分析随处可见的复杂系统,计算机模拟不失为一个极好的选择。 一、计算机模拟及其可行性 计算机模拟,也称为计算机仿真,是一种以计算机为基础的模拟技术。由于计算机所具 有的独特的计算速度快、存储量大、精确度高等特点,使它适于解决那些规模大、难以解析 化以及不确定性问题。计算机模拟正是随着计算机的快速发展而发展起来的,它的第一次大 规模的发展发生在二战时期的曼哈顿计划中对核爆炸过程的模拟,当时对核爆炸过程的模拟 使用的是蒙特卡罗(Monte Carlo)算法四对12个硬球的模拟。因为一方面,核爆炸的威力和 对生态环境造成的严重危害以及核试验的经费成本等问题决定了直接对核爆炸的链式反应过 程进行频繁的实验是不切合实际的;另一方面,核武器中的原子核数量极其巨大,简单的数 学解析式不可能对如此复杂而庞大的系统进行建模。同时,原子核之间发生反应的短暂性、 核材料的纯度、种类以及核弹头的储存时间和周围环境等因素的影响促使实验人员把目光转 向了一种新的领域——计算机模拟核试验。这种模拟试验除了计算机以外,几乎不需要任何 实验设备,但却能得出大量相当有价值的数据,是一种既经济又实用的实验方法。随后这种 极具潜力的模拟方法被广泛应用到诸多领域中,为人类探索其他学科的发展开辟了新的道路。 一般情况下,计算机模拟始于一个计算机模型的建立,然后是设计一个实现这个模型的 程序。也就是说,它是一个对特定系统的抽象模型进行建模的可运算的计算机程序,是一种 将模型和计算很好地结合起来的方法。传统上,系统的形式模型由数学模型发展而来,这种 数学模型试图从一系列参量和初始条件中预测出系统行为这样一类问题中得到解析解,所阻 计算机模拟主要用来辅助或替代数学模型。在实际应用中,计算机模拟的对象通常是复杂系 统,即那种子系统间具有非线性相互作用的复杂系统或复杂适应系统,如地球生命出现以前 的导致生命的前生命化学反应、生物进化本身、个体生命有机体以及生命系统等等。计算机 模拟方法的涉及领域极其广泛,在物理、化学和生物学等自然科学中,在管理学和语言学等 社会科学中以及经济学、心理学等处于自然科学和人文科学的边缘学科中,计算机模拟已经 成为建模的一个有用的部分,它提高了我们辨明系统真正性质的能力,使我们对这些系统内 ①蒙特卡罗方法是计算机模拟的基础,它基于对大量事件的统计结果来实现一些确定性问题的计算 99 16699 部的活动有更深入的了解。目前看来,计算机模拟在科学领域内的应用实例已经是数见不鲜, 但作为一种科学研究的方法,从方法论的角度对它进行分析却比较少见,所以本文的主要目 的并不是介绍计算机模拟的具体方法,而是分析它在帮助我们认知世界尤其是世界中的复杂 系统时的积极作用及其局限性。首先对计算机模拟的可行性进行简要的说明: 作为计算机模拟方法的运行平台,计算机本身就是人类思维和创造中模拟的产物:计算 机硬件系统是对认知系统的一种形式模拟;而计算机软件系统则是对人在认知过程中思维和 创造方式的一种模拟。显然,计算机身兼二职,它既是模拟的产物,反过来又是对人类思维 进行模拟的工具。由于人们对事物的认识过程实际上是一种大脑对事物的建模过程,而计算 机本身所具有的这种双重特性,使计算机建模成为可能,即它的模拟过程就是一种把人类的 先验知识转化给计算机的过程。计算机对思维的模拟特性使得它从理论上可以表征所有的人 类知识,包括外部环境和对人类自身的知识。…所以借助计算机模拟方法,可以对真实世界进 行模拟。随着科学研究的深入,计算机模拟成为一种重要的研究方法,它的积极作用也日益 彰显。 二、计算机模拟的积极作用 (1)计算机模拟解决了传统数学分析方法所不能解决的问题 传统的数学分析只是孤立地研究某个组成部分,并不考虑相互作用的整体行为,它只适 用于各个部分相加之和等于整体行为的系统,也就是系统的组成部分之间存在线性关系时, 它才是有效的。但是,在我们生活的每一个地方都面临着复杂的非线性系统,特别是在生命、 行为、社会和环境科学以及现代技术或医学的应用领域中(例如癌症的研究、衰老研究),涉 及非常重要的复杂性的问题领域。由于这些领域内的非线性系统并不遵循叠加原理,即使我 们把非线性的复杂系统分解成我们能够认知的简单子系统,但由于众多的子系统之间存在着 相互作用,这使得系统的整体行为要比各个子系统的行为复杂得多。所以我们要想揭开这些 复杂系统其中的奥秘,解决与人类生存状况密切相关的问题,并从中得出更深层次的解释, 牛顿的经典数学和统计方法已不能独自完成。复杂性科学的先驱者之一霍兰(Holland)在研 究复杂系统变量之间的这种“相互作用”时指出,即使各部分间只存在极少量的简单的相互 作用,我们也不能再用分析的方法给出复杂性研究的结论。 面对无法用传统方法进行分析的复杂的系统,从20.世纪80年代末开始,美国圣菲研究 所(Santa Fe Institute)从事复杂性研究的科学家们试图找到控制复杂系统作用的基本原理, 他们以计算机为工具,发起了计算机模拟实验的方法论革命。同是圣菲研究所和洛斯亚拉莫 斯国家实验室成员的拉斯穆森和巴里特指出:由于与生俱来的系统复杂性(如复杂的生命现 象),在科学和工程这两个研究领域中,如果只使用分析性的方法并不能为自己感兴趣的性 质或引起一种现象的详细情况建立一个适当的、明确的模型,即使是在其他的并不是很复杂 的情况下,这个现象的模型仍然没有被推导出来。【2】由于计算机模拟能把分析上难以处理的问 题(如三体问题)变成计算上易于处理的问题,所以在分析性方法不易处理的情况下,人们 开始越来越多地使用计算机模拟的综合方法。 (2)计算机模拟是一种灵活有效的模拟工具,为建构理论知识提供一个主要方法 作为一种模拟工具,计算机模拟是灵活的。根据计算机模拟的定义,计算机模拟指的是 对一个系统演化过程进行动态模拟的可运算的计算机程序。也就是说,计算机模拟之所以能 模拟诸多现象,主要借助的是它的程序。计算机的程序设计语言被证明是便于进行模拟的, 而计算机的程序设计语言又是极其丰富的(自20世纪50年代出现FORTRAN语言以来,已 有数百种计算机高级程序设计语言,最常见的也有几十种),这些丰富的编程语言可以方便、 灵活地描述系统的状态以及复杂的进程。同时计算机程序中涉及的基本语句少,但却具有强 大的功能,如可以静态地表示逻辑关系、表示模糊数值或随机数值:也可以动态地进行数值 计算、表示时间进程和活动的过程。所以有人说,当一切方法都用尽,再也没办法解决问题 时,不妨试试计算机模拟。【j1 在众多科学学科中,有些学科(如物理学)的理论发展较为成熟,但有些新兴学科或者 是综合学科(如生命科学、心理学、系统科学等)中却缺少那些对现象进行解释的简洁优美 的理论,在这些学科中,对现象的解释典型地是用自然语言叙述表达出来,而且并不总是建 立在明确完整的范式基础之上的。而计算机模拟是一个从代表了系统行为的计算模型的执行 过程中获得结果的动态过程,它可以通过复制系统的行为提供获取计算模型的途径。按照这 个观点,计算机在模拟过程中并不需要一种用于分析的结论性的理论,就能动态地模拟出较 为直观、较为清晰的结果,如可以打印的数据、动态变化的图形等等。这样,在缺乏满意理 论的前提下,计算机模拟的结果,可以积极参与建立理论框架,在创立科学理论中发挥着重 要的作用。 (3)计算机模拟是一种特殊的科学实验 在科学研究中,并不是所有的科学问题都能直接付诸于实验的,随着研究的深入,越来 越多地出现了许多非实验所能解决的问题,这主要是指那些由数量大、关系复杂的子系统所 组成的非线性系统引起的问题。面对这些复杂系统,计算机模拟无论在应用方面还是在认识 论方面都表现出重要的作用,它可以帮助科学家研究那些不能用传统的实验方法进行研究的 问题。在这种意义上,可以把计算机模拟看成是一种区别于传统的实验方法的特殊的科学实 验。我们这里所说的传统的实验指的是为实现某种目的,实验人员在实验室中对实验仪器的 操作过程。以生物学为例,这种传统的实验指的是在生物体内或在生物体外(如在试管内) 完成的实验。相对于传统的实验模式,计算机模拟处理速度快且经济安全,它能起到实验的 作用且它的应用领域又不只局限于实验。 以计算机模拟形式完成的特殊实验通常被称为硅实验,这类实验是通过运行计算机程序 来完成的,它具有两种功能:第_个功能是干预(加快或减慢或中断)实验过程,如可以随 时运行、停止、接受检查,并可以在新的条件下重新开始运行,这些都是难以从实际实验中 得到的,而在大多数现实的动态系统中也是无法实现的(如生态系统和经济系统)。借助这个 功能,在需要推动事物的正常发展过程时,计算机模拟可以实现这种目标;第二个功能是模 块化。这里我们所说的模块化主要是从功能角度而言,模块类似“黑箱”,更形象地说就是将 其“打包”或者是“封装”,也就是在对系统进行模拟实验时,无需了解它的各令子系统的内 部结构,只需知道它具有什么功能就可以了。其优点是在对被模拟系统进行计算机模拟时不 用深究其变动机理,只要从实际数据或直观感觉出发,进行模拟,然后根据模拟结果进行反 馈控制,修改模拟程序,最后使模拟结果尽可能地接近真实数据。 另外,由于实际实验的局限性,常用计算机模拟来代替实际的实验来研究那些难以达到 的系统,如对微观或宏观世界中的许多系统进行探索时,计算机模拟方法扮演着重要的作用。 由于这个原因,模拟被看成是在现实中不可能完成的实验的替代物,这里的不可能性是从理 论或者是实践的角度而言:从理论的角度来说,不可能的实验指的是分析与事实相反的情况, 例如去研究与真实事物有差别的某些基本常数(如,电子的电荷)可能具有的数值;从实践 99 16899 的角度来说,不可能的实验指的是对我们不可能接近的诸如一颗恒星的内部结构这样的对象 进行的研究或操作。所以在科学研究中,计算机模拟不只是实验,它是一种特殊的科学实验, 一种理论上的模型实验,一种思想实验,它是联系理论与实验之间的桥梁。〔41 尽管计算机模拟方法还存在着诸多局限性,∞但这与它在科学研究中的推动作用比较而言 则是小巫见大巫。以系统科学的发展为例,现代系统思想在上世纪初就已经在科学和工程中 初露端倪,但直到20世纪的40年代末50年代初期全电子数字计算机出现后,它的重要性才 日趋显现并在短短几年的时间里迅速发展起来。计算机模拟方法的出现说明了为什么在计算 机技术出现之前,对具有复杂性特征的系统的研究无法获得成功的原因,也说明了为什么现 在系统科学的发展与计算机技术的发展关系如此密切。《一种新科学》(ANew Kind ofScience) 的作者沃尔夫拉姆曾经提出,科学正处在一种新型研究方法变革的重大时期,这种新型的研 究方法就是计算机模拟实验。〔5】以计算机为运行平台的模拟方法是自1 7世纪伽利略创建受控 实验的科学方法以来的又一种具有划时代意义的科学研究方法,它不仅弥补了人类思维的弱 点,也缓解了人们在研究工具上的局限性。计算机模拟方法的蓬勃发展承载着社会的发展, 促进了科学研究的进步,提高了人类认识的能力。计算机模拟方法作为一种科学的研究方法, 无论在实践上还是在理论上,都具有重要的作用,是不可或缺的。

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