数学与计算

科学的第三支柱

字号+ 作者:admin 来源:小丑鱼-分享科普知识 2019-12-04 13:30

计算已迅速发展成为科学的第三大支柱。但是要获得其真正的​​回报,研究人员需要本杰明斯库兹(Benjamin Skuse)发现的,灵活且可以轻松适应新需求的软件代码。 理论与实验。它们是科学的两个支柱,几个世纪以来一直巩固了我们对周围世界的理解。我们进行测量和观察,然后将其链接到描述,解释和预

  计算已迅速发展成为科学的第三大支柱。但是要获得其真正的​​回报,研究人员需要本杰明·斯库兹(Benjamin Skuse)发现的,灵活且可以轻松适应新需求的软件代码。

  理论与实验。它们是科学的两个支柱,几个世纪以来一直巩固了我们对周围世界的理解。我们进行测量和观察,然后将其链接到描述,解释和预测自然现象的理论。理论与实验的不断相互作用,使理论得以确认,完善甚至被推翻,这是传统科学方法的核心。

科学的第三支柱

  采取重力。在20世纪初,牛顿的万有引力定律经受了200多年的时间考验,但无法解释水星轨道的近日点进动,这与牛顿的重力预测略有不同。在牛顿本来一尘不染的抄写本上,提出了不同的想法来解释这一污点,但是基于其他观察结果,它们全部被拒绝。爱因斯坦的相对论一般理论(彻底改变了我们对时间,空间,物质和引力的认识)彻底解释了牛顿理论与观测之间的微小分歧。

  即使到了一个世纪之后的今天,爱因斯坦的理论仍在不断受到抨击,并被认为是软弱的迹象。今天的区别是这些测试不一定完全基于实验或观察。相反,他们经常依靠计算机模拟。

  世界的新观点

  半个多世纪以来,计算科学已将科学家的工具包扩展到远远超出我们希望以有限的视野和较短的寿命观察到的范围。在相对论的情况下,天文学家现在可以根据对相对论的不同修改来构建整个模拟的宇宙。强大的计算机和巧妙的代码使研究人员可以更改模型的初始物理条件,这些条件可以自大爆炸后不久一直持续到今天及以后自动运行。

  “计算填补了理论与实验之间的空白,” 英国伦敦帝国理工学院的计算科学家戴维·汉姆(David Ham)说。“计算可以告诉您理论的后果是什么,这有助于进行实验和观察工作,因为您可以告诉您应该判断理论以判断理论是否正确。”

  计算不仅是一种额外的工具。这是进行科学的一种新方式,不可改变地改变了科学家的学习,实验和理论化方式

  但是计算不仅仅是一种额外的工具。这是一种新的科学方法,不可改变地改变了科学家的学习,实验和理论化方式。美国麻省理工学院的科学社会学家Sherry Turkle在她的2009年《模拟及其不满》一书中,概述了1980年代至2000年代科学家对计算普及性的焦虑以及它如何发展。改变科学探究的性质。她将其归纳为“做与怀疑之间的持久张力”,指出担心年轻的研究人员已“沉迷于代码”。他们沉浸在屏幕上创建的内容中,便不再怀疑他们的模拟是否真正反映了现实。

  但是,英国沃里克大学的人类学家马特·斯宾塞(Matt Spencer)认为,自Turkle的书出版以来的十年中,科学和科学家已经发展起来。研究物理科学的斯宾塞说:“如今,我不认为您会在物理学中听到如此多的意见。” 实际上,他指出了许多自然现象,例如整个海洋的行为,这些现象根本无法在实验规模上加以操纵。他说:“通过使用模拟探索更大范围的可能状态和过程,可能会有更好的方法来真正地理解模拟的基础物理。”

  汉姆同意这一观点,并指出物理学家必须接受他们将永远无法理解有关模拟的所有知识。他说:“这是我们研究的系统以及我们使用的技术变得越来越大和复杂的必然结果。” “例如,实际上了解编译器功能的物理学家所占的比例越来越小,但这很好,因为我们有一种使之确定的机制,那就是数学。”

  颠覆性技术

  尽管现在大多数物理学家都将计算和仿真视为他们工作的重要组成部分,但许多人仍在接受由科学的第三支柱引起的破坏,其中最大的挑战之一是如何验证其产生的日益复杂的代码。换句话说,当研究人员不知道自己的代码是否按照他们的预期去做时,如何才能确信结果正确?问题是,尽管在本科和研究生物理课程中广泛教授编程,但代码验证却没有。

  汉姆表达了另一个担忧。他说:“绝对是进步的敌人的是'这里没有发明'综合症,”他指的是信念,尤其是在较小的研究小组中,认为内部开发代码比带走更便宜,更好,更快。它来自其他地方。汉姆警告说:“这是博士后花费大量科学时间严重改造齿轮的秘诀。”

  汉姆说,由​​于预算有限,无法探索更好的方法,研究人员经常发现自己使用的代码“对他们来说甚至都不是很好”。因此,为帮助这些团队,Firedrake项目中Imperial的Ham和同事正在构建编译器,这些编译器从科学家那里获取给定问题的数学运算,然后自动生成用于解决该问题的代码。他说:“我们正在有效地将他们希望发生的事情与发生的事情区分开来。”

  对于确实开发了适合其目的的代码的物理学家来说,使用它来解决其他科学问题是很诱人的。但这可能导致更多问题。2015年,Spencer发表了一份为期18个月的报告,他花了观察帝国理工学院的一组研究人员,在其中探索了他们与名为Fluidity的软件工具包之间的关系。“流动性”于1990年左右在英国开发,最初是一个小规模的流体动力学计划,旨在解决与安全运输核反应堆放射性物质有关的问题。但是其优雅和实用性很快也被认为在其他领域也具有潜力。

  因此,帝国集团开始在流动性的基础上建立新功能,以服务于更多的研究人员并解决地球物理领域的其他问题,涉及海洋,沿海和河流,地球大气层和地幔的各种问题。斯宾塞说:“科学发现通常采取机会主义的调查途径。” “由于流动性以这种有机的方式变得越来越复杂,而没有预见到流动性最终会变得多么广泛,随着时间的流逝,问题确实累积了起来,使它变得更难使用。”

  保持代码的灵活性,可读性和易调试性最终成为研究人员的一个严峻挑战,以至于流动性团队的一位成员抱怨说:“代码中存在很多隐藏的假设,因此一旦更改一个细节,整个事情都崩溃了”。

  该团队通过投资改写Fluidity,使用最佳实践软件体系结构重新实现算法来做出回应。然而,不断发展的软件不仅仅是技术挑战;这也是一种社交。斯宾塞说:“我们可以考虑向新的流动性过渡,过渡到更类似于'大科学'的事物。” “大型协作通常必须通过官僚机构进行管理,这对于研究人员而言当然是紧张和谈判的新来源。”

  可以增长的代码

  从一开始就考虑到扩展代码和协作所固有的问题的大型软件项目就是AMUSE。它是天体软件环境的缩写,是一个十多年来开发的免费开放源代码软件框架,其中可以同时使用现有的天体物理学代码(对恒星动力学,恒星演化,流体动力学和辐射传递建模)来探讨更深层次的问题。

  就像乐高积木一样,AMUSE由单独的代码组成,可以根据需要添加或删除每个代码,以创建新的模拟。该设计由荷兰莱顿天文台的西蒙·波特吉斯·兹沃特(Simon Portegies Zwart)领导的核心团队管理,使研究人员可以在不影响全球框架的情况下改变物理原理和算法。因此,在保持基础结构牢固的同时,可以改进AMUSE。

  甚至AMUSE也面临挑战。Portegies Zwart将基本软件维护和开发的资金视为对AMUSE和下一代大规模仿真的最大威胁。他说:“编译器发生变化,操作系统发生变化,底层代码最终需要更新。” “获得资金来启动一个新项目或编写新代码相对容易,但是如果您想更新或改进现有工具,无论有多少人使用它,这几乎是不可能的。”

  获得资金来启动新项目或编写新代码相对容易,但是如果您想更新或改进现有工具,几乎是不可能的

  专家支持

  那么这一切在哪里呢?我们正处于理论计算与实验室实验相结合通常不足以解决研究人员试图解决的复杂物理问题的时刻。即使到那时,模拟这种物理学通常也超出了单人科学家甚至一组科学家的编码技能。结果,与具有非常不同和互补技能的专家编码员合作,越来越多地开发计算和模拟。

  为了跟上科学进步的步伐,许多计算科学家认为,资助者需要充分认识到我们的第三科学支柱必须支持所有这些专家。如果他们不这样做,那么维护和开发协作性大型物理学代码库的人可能会开始寻求将自己的职业带到其他地方。毕竟,他们具有许多有价值的和适销对路的技能。汉姆警告说:“那里有很多非科学工作。”

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