當(dāng)你使用計算機來解決問題時(我稱之為數(shù)值計算)，它是實驗還是理論?還是其他?

這是一個很常見的問題。通常是在與來自不同領(lǐng)域的科學(xué)家一起喝啤酒的時候。我認為這是一個值得討論的重要話題，可以幫助大家理解科學(xué)的本質(zhì)。

一、科學(xué)的本質(zhì)

如果我們對科學(xué)的基本理念達成一致，那么我們就可以討論計算科學(xué)的作用了。請允許我對科學(xué)作如下(非常簡短的)概述：

科學(xué)的本質(zhì)：科學(xué)的本質(zhì)是模型。我們觀察現(xiàn)實生活中的事物，并試圖為其建立模型。我們可以用這個模型來預(yù)測現(xiàn)實生活中未來(或新)發(fā)生的事件。如果模型與真實數(shù)據(jù)不符，我們就改變模型。不斷重復(fù)。

關(guān)于科學(xué)本質(zhì)的最后一點說明。制作模型的過程屬于理論物理學(xué)。將模型與現(xiàn)實世界的東西進行比較則屬于實驗物理學(xué)?？茖W(xué)家可以既做理論物理又做實驗物理--但對于大型項目(如高能物理)，人類傾向于把重點放在建立模型或模型試驗上。

二、計算物理學(xué)家

現(xiàn)在，讓我們來開一個假會議。我們要去見一位物理教授，他專門負責(zé)創(chuàng)建不同事物的計算模型(其實什么都可以)。這位教授將在一個由大量計算機組成的 "實驗室 "里。實驗室里可能會有一些非常強大的計算機集群。

現(xiàn)在，我們將與這位計算物理學(xué)家進行對話。以下是將會提到的一些關(guān)鍵點。

計算機在科學(xué)中非常重要。

我們創(chuàng)建一些代碼，然后運行它。它產(chǎn)生數(shù)據(jù)，然后進行分析。

因為計算機程序產(chǎn)生數(shù)據(jù)，所以它很像一個產(chǎn)生數(shù)據(jù)的實驗。

哦，但計算機程序也是理論性的，因為它是我們創(chuàng)建的。

計算科學(xué)是理論與實驗的橋梁。它有點像第三種科學(xué)(其他兩種是理論科學(xué)和實驗科學(xué))。

幾乎每位計算科學(xué)家都說過同樣的話(但并非所有人)。

三、計算機程序就是一個模型

當(dāng)你編寫一個計算機程序時，它最終確實會給你一些數(shù)字。而且，在實際運行程序之前，你并不一定知道這些數(shù)值會是什么樣子。這并不意味著它就像一個真正的實驗。說到底，程序是人編出來的，而不是真實生活。哦，當(dāng)你求解微分方程時(每個人都會同意這屬于 "理論科學(xué) "范疇)，你也不知道在求解之前會得到什么解。沒人把這叫做實驗。

好了，現(xiàn)在來看看我最喜歡的模型。當(dāng)你把一個質(zhì)量放在彈簧的末端并使其稍有位移時，會發(fā)生什么?是的，它會來回擺動。下面是關(guān)于彈簧上質(zhì)量的數(shù)值模型開發(fā)的更多細節(jié)，但讓我直接跳到最后。這是彈簧上質(zhì)量的兩種解法圖--一種是微分方程解法，另一種是數(shù)值模型解法(只有幾個點)。

是的，這看起來像數(shù)據(jù)--但它不是數(shù)據(jù)。如果我把數(shù)值計算的步長縮小，你甚至看不出這兩個理論解之間有什么區(qū)別。下面是采用更好的數(shù)值模型繪制的另一幅圖。我移動了其中一張圖的位置，這樣它們就不在一起了。

四、我們該把計算物理學(xué)置于何地?

捫心自問，計算機程序是實驗性的還是理論性的?是介于兩者之間的東西，還是完全不同的東西?如果你同意我對科學(xué)本質(zhì)的定義，那么我們就有了：

理論：建立模型。

實驗：測試模型。

計算機程序是在建立模型還是在測試模型?是的，正確答案是計算機程序是科學(xué)的 "建立模型 "部分。你仍然需要通過與實驗進行比較來檢驗這個模型。如果不使用真實世界的數(shù)據(jù)進行測試，它還不如只是一個電子游戲。

請不要以為我在建議我們停止稱呼計算物理學(xué)家。創(chuàng)建數(shù)值模型相當(dāng)困難，需要一套獨特的技能。讓一群人專門從事數(shù)值模型的建立過程是可以的。我們也有專門從事高能物理實驗和固體物理理論研究的人員。但科學(xué)仍然是建立和測試模型。

事實上，我認為在過去，專注于計算技術(shù)的科學(xué)家們曾經(jīng)歷過一場艱難的戰(zhàn)斗。其他科學(xué)家聲稱，他們不是真正在做 "科學(xué)"，他們只是計算機程序員。我們花了一些時間才使這些計算技術(shù)合法化。但現(xiàn)在，我們在每個領(lǐng)域都以某種方式使用數(shù)值計算。沒有人認為它們是愚蠢的。與此同時，我認為我們都應(yīng)該在入門課程中加入數(shù)值計算的內(nèi)容--現(xiàn)在的工具非常容易獲得，再也沒有借口將其排除在課程之外了。在物理課上不講編碼，就好比說 "我們不做任何涉及分?jǐn)?shù)的問題"。是的，我真的這么認為。

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