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科学只有两条腿(101017)

已有 3577 次阅读 2010-10-17 15:46 |个人分类:做学问|系统分类:观点评述| 科学, 计算

科学只有两条腿(101017)
闵应骅
    本人在“计算:第四大科学领域(091021)”里,按照Peter J.Denning的说法,说计算,排在物理科学、生命科学、社会科学之后,算作第四大科学领域。本人在2006年8月吉林大学学报(理学版)上发表的“计算科学和计算机工程的基础研究”中说:“一般说来,人类研究自然科学主要有两种方法:基于数学的理论方法和基于观察的实验方法。而计算被认为是提供了第三种方法,既是对前两种方法的补充,又是前两种方法之间的桥梁。”。最近,CACM主编Moshe Y.Vardi发表一篇文章,说“科学只有两条腿”。
    事实上,美国总统信息技术顾问委员会曾提出一份报告,题目是“计算科学:确保美国的竞争力”。它说:“和理论、实验一起,计算科学现在构成科学研究的第三个支柱,使研究者们能够建立和测试复杂现象的模型。”该报告举出的例子包括多世纪以来的气象变化、飞机承受的多维飞行应力,和恒星爆炸。近来,处理和检索大型数据集的高级计算能力的使用好像又要变成第四条腿了,因为2001年人类基因译码是大型数据分析一个成功的范例。
    Moshe对科学几年就增加一条腿,感到不舒服。他觉得不要随便提科学又增加了一条腿,科学只有两条腿。
    科学理论是对自然现象一个解释性的框架。一个理论可以看作是对实际在一定抽象级别上的一个模型。一个有用的理论应该解释已有的观察,同时能够产生预言,以建议新的观察。在物理学中,理论基本上是用数学来表达的。譬如经典的电磁学理论是用麦克斯韦尔方程描述的。人们常常忽略数学理论的任何应用都需要计算。要在具体条件下运用麦克斯韦尔方程就需要符号计算或数值计算。因此,计算是科学理论的组成部分。
    计算的规模在变化。手动计算当然呼唤机械化,现在更要求高性能计算。其实,理论也在变化。麦克斯韦尔方程精美地描述了一个简单的模型,而气象科学里就没有像麦克斯韦尔方程那样简单的模型。气象科学的理论是一个高度复杂的计算模型。应用这个模型的唯一的办法是计算。过去的理论一般抽象为一个数学模型,而现在的理论常抽象为一个计算模型。譬如在系统生物学中,人们会碰到像Petri网和状态图之类的计算模型。
    计算也常常是实验的组成部分。实验一般包括测量,而测量过程和结果的分析就是计算。规模在改变。欧洲粒子物理研究所在大型强子对撞机上的CMS(紧凑型缪子螺线管探测器)实验每秒产生40万亿字节新数据,一个几乎无法存储和处理的特大数据。碰到这么大量的数据,需要高级计算。首先就是在第一级的高速数据过滤,譬如用用户定制的FPGA。进一步的过滤要求复杂的数据分析技术。
    所以,科学研究仍然需要理论与实验之间的相互作用。二者的复杂性都已经达到无计算就无法进行的程度。它并不是要增加一条腿。同时,计算思维遍及这两条腿。计算是科学的通用使能器。
    我看到,有些网友对科学很有兴趣。但是,有些是停留在对理论的一些质疑和猜想,缺乏在大胆假设的情况下小心求证或者仔细实验的基础,容易觉得空洞而得不出坚实的结论。

谈谈科学
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1 俞立

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