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1、仿真是信息时代 认识世界的第三种方法 兼谈仿真学科清华大学肖田元 2008一、仿真已经成为认识世界的第三种方 法一、仿真已经成为认识世界的 第三种方法1、背 景 2、认识论 3、挑战复杂系统 4、第三种方法 5、几点看法1、背 景 美国前国家科学基金会主任Rita Colwell：“过去认为科学通常包含理论和实验两方面的努 力；现在，科学还包含第3个方面的内容，即计算机 仿真，并由计算机仿真将理论和实验两方面连接起来 。” 美国能源部科学办公室主任Dr. Raymond L. Orbach： “在21世纪的科学中，仿真和高端计算是理论和 实验科学的平等伙伴”。“仿真是一种与实验和理论对 等的方
2、法论”。 Fumiko Yonezawa (Department of Physics, Keio University) Computer-assisted physics (Numerical simulation) can be considered the third approach besides experimental and theoretical physics. 实验研究科学研究仿真理论研究1 仿真研究理论研究实验研究科学研究21理论研究仿真研究实验研究科学研究31、被包含2、支持但非独立3、独立、对等问 题 从科学的角度，认识论的内涵是什么？什么是理论及理论研究？ 什么
3、是实验及实验研究？ 什么是仿真及仿真研究？ 在自然、社会、思维三大活动中，从什么意义 上讲，仿真可以称为第三种认识世界方法？仿真对三大活动规律的认识进展已经取得哪些里 程碑性的成果？ 仿真在未来自然、社会、思维三大活动中作用和 地位？2、认识论 认识论研究的对象是事实客体性事实，即 关于对象、客体的存在、性质、功能及其发展 变化的状态 认识论追求的目标是“正确”反映事物的本质属 性和规律，获得客观真理，获得关于自然、社 会和思维的普遍知识。 认识的中介是以各种形式的认识工具、手段为 要素，包括运用和操作这些工具的程序和方法 在内的系统，它是人的认识能力、认识水平发 展程度的客观标志，它决定着不
4、同时代人们认 识活动的基本方式 。理论及理论研究 理论是从对事实的推测、演绎、抽象或综合而 得出的(对某一个或某几个现象的性质、作用、 原因或起源的)评价、看法、提法或程式。 理论研究是抽象推理、思辩（Abstract reasoning; speculation.）而形成“一系列假设 ，已被接受的定理以及用于分析、预测或解释 自然或专门现象行为的程序规则”（a system of assumptions, accepted principles, and rules of procedure devised to analyze, predict, or otherwise explain
5、the nature or behavior of a specified set of phenomena） （美国传统词典双解）。实验与实验研究 实验是人们对认识的现实条件进行主动控制的 认识活动。在实验中，内在性找到了表现其自 身的最适合的现象和联系，让人们一看到这一 现象和联系便会发现这种内在性。 实验是在受控条件下为演示一项真理、检验假 设的正确性或确定以前未试用过的某物的效能 而做的试验（A test under controlled conditions that is made to demonstrate a known truth, examine the validity
6、 of a hypothesis, or determine the efficacy of something previously untried），（美国传 统词典双解） 仿真与仿真研究 牛津英语词典:用相似的模型、环境，和设备模仿某个环境或系统（经济 的、机械的等等）的行为的技术，或者是为更方便地获取信息 ，或者是为培训人。 “The technique of imitating the behavior of some situation or system (Economic, Mechanical etc.) by means of an analogous model, sit
7、uation, or apparatus, either to gain information more conveniently or to train personnel.“ 一组广泛的方法，用于研究和分析实际的或理论的系统的 行为和性能。 A broad collection of methods，used to study and analyze the behavior and performance of actual or theoretical systems. 仿真与仿真研究 Computer simulation是一门学科，包括设计一个实际的或理论的物理 系统的模型、在数
8、字计算机上执行该模型，以及分析 其执行输出。 is the discipline of designing a model of an actual or theoretical physical system, executing the model on a digital computer, and analyzing the execution output. 模型论 模型是系统的简化表示（A model is a simplified representation of a system） 在某些特定的时间或空间点，为推进对实际系统的理解（ at some particular po
9、int in time or space intended to promote understanding of the real system.） 模型是一种替代，用于为某种更好定义的目的以表示某 个其它实体a model is a proxy，one entity used to represent some other entity for some well-defined purpose. 模型论（Model Theory）模型的知识体 that concerns the fundamental nature, function, development, and use of f
10、ormal models in science and technology. 比 较内 容 分类对 象中介 （工具）基 础结果形式理论研究现存的或 理论的人脑推理 、抽象以前的理 论、知 识、模型假设、定 理、程序 、规则实验研 究现存的可控条件 下试验 实际对 象理论指 导下对 实际对 象试验演示、检 验或确定 、信息仿真研究现存的或 假想的计算机、 设备基于模型 （理论、 实验、 实物）信息，培 训人3、挑战复杂系统 美国科学杂志创刊125周年 之际，科学家们总结出了125个 未解之谜，重中之重有25个。1、宇宙是由什么组成的? 2、我们在宇宙中是唯一的吗? 3、地球内部如何运作? 4、
11、地球温室将变得多热? 5、物理学定律可以被统一起来吗? 6、在量子不确定性和非定域性之下，还有更深层次的原理 吗? 7、我们能把化学自我装配推进多远? 8、传统计算的极限是什么? 9、意识的生物学基础是什么? 10、什么控制着器官再生? 宇宙篇数理化篇3、挑战11、一个皮肤细胞如何能变成神经细胞? 12、一个体细胞是如何变成整株植物的? 13、生命是如何以及在哪里起源的? 14、什么决定了物种多样性? 15、合作的行为如何进化? 16、如何从大量的生物学数据中得到全景? 17、为什么人类的基因这么少? 18、遗传差异和个体健康在多大程度上是相关联的? 19、人类寿命可以延长多少? 20、什么遗
12、传差异导致我们成为独特的人类? 21、记忆是如何存取的? 22、我们可以选择性地关闭一些免疫应答吗? 23、是否存在行之有效的艾滋病疫苗? 24、什么能替代廉价的石油以及什么时候? 25、马尔萨斯仍然错了吗?生物篇人类篇4、第三种方法 仿真对科学与技术的进步做出了里程碑性贡献。 天气预报短期预报到中长期预报 温室效应二氧化碳排放 如果温室气体排放仍以目前的速度继续下去，北极的冰 层将在2040年夏季来临时不复存在（英国） 飓风的力量主要取决于海洋的表面温度升高约2。如果 二氧化碳的含量增加一倍的话，季节性的袭击世界各地海岸线的飓 风的力量可能增加50%。（美国） 厄尔尼诺现象1986年科学家成
13、功地提前一年预报 气候模拟的成功应用在东赤道太平洋的厄尔尼诺现象的 预测、大气对厄尔尼诺现象的响应预测以及海洋中的其他持续温度 异常预测上 。 全面禁止地下核实验核爆炸仿真 分布交互仿真SIMUNETHLA虚拟战场 制造波音777研制虚拟样机 Gilbert Weigand，US Department of Energy，1999 环境到2004年 美国已经停止核试验12 年. 2004年50%的核武器专 家离任. 50%核武器年龄已经超 过设计寿命. 实验室/工厂对超期服役 核武器的经验甚少. 怎么办？恢复核试验吗 ？Weapon Experts/Nuclear WeaponNuclear
14、weapons whthin design life2004100%50%100%50%4、第三种方法4、第三种方法 通过SSP计划不进行核实验，我们在全面禁止实验下能 应对保持美国核威胁的挑战吗？ We can meet the challenge of maintaining our nuclear deterrent under a comprehensive test ban through a Stockpile Stewardship Program without nuclear testing? 要建立领先的计算建模与仿真能力 迅速推进从基于核实验的方法到基于计算的方法的转变
15、to promptly shift from nuclear test-based methods to computationally based methods, 将储存维护单元集成起来，从而减少核危险 to integrate stockpile stewardship elements and thus reduce the nuclear danger. Simulation - A 21st Century Discipline Gilbert Weigand， US Department of Energy，1999SSP（The Stockpile Stewardship Program ）必须 保证核武器继续安全而可靠潜在的保存问题利用AGEX 数据验证高级计算仿真利用验证过的仿真数据重复地下核试验计算弹头目前的安全系数4、第三种方法Shifting promptly from test-based methods to science-based methods(3) 世界领先级的 学术机构与实验 室的科学研究与 实验(1) 全规模或 全能量密度 研究与实验(2)仿真和 理论 存档的武 器数据Adv. Hydro Capability评价与确认National Ignition FacilityFission BurnBurn/ExplosionEff
