看到這個標題你可別驚訝哦！

我們說的科學家“懶”到不自己動手做實驗

那是因為他們有了“好幫手”

——利用計算機進行數值模擬研究

什麼是數值模擬研究？

簡單地說，就是讓計算機幫你做物理實驗。

步驟是首先建立數學或者數值模型，然後利用程式或軟體和硬體,透過計算獲得數值結果。

此處的數學主要指偏微分方程，張量分析，泛函分析等；這些數學內容提供了描述數值模擬所用來分析和解決的各種問題的語言：他們可以被用來方便而準確描述一個問題，甚至為這些問題的解決提供便利。

“簡單問題的數值模擬研究其實並不難，”某博士撫摸著他的髮際線說道，“困難之處在於數值模擬中涉及的複雜線性或非線性力學問題”。

為什麼要做數值模擬？

代替物理實驗是數值模擬發展的一個核心動力。我們想準確知道機械部件在外力下如何變形，我們需要預測颱風的路徑，我們需要理解地震波怎麼傳播，然而昂貴的試驗成本或者根本無法試驗，制約了我們對於物理現象的理解。

圖：昂貴的風洞實驗和風洞數值模擬

另一方面，不斷取得突破的計算機技術使得更復雜的計算方法成為可能，在第54屆TOP500超算排行榜中，中國的神威·太湖之光位列第三，中國以227臺超算的總數制霸，遠超美國的118臺。

圖：神威·太湖之光

（峰值效能為12.5億億次/秒，持續效能為9.3億億次/秒）

數值模擬能做什麼？

中國科學院、工程院院士、中國兩彈一星功勳獎章獲得者錢學森在20世紀就指出：“在21世紀，力學加計算機將成為工程設計的主要手段”。

在進入21世紀後，力學研究的物件日益廣泛，問題更趨複雜，規模也更趨龐大，而計算機科學和技術的發展，使應用計算機進行數值模擬逐漸成為解決這些關係國防、交通、能源、機械等領域的力學問題的強有力的工具。

在實際工程或科學應用中，往往依靠電子計算機，結合有限元或有限容積的概念，透過數值計算和影象顯示的方法，達到對工程問題和物理問題乃至自然界各類問題研究的目的。

圖：利用某數值模擬軟體進行隧道開挖的模擬

另外，隨著交叉學科和工業合作的趨勢，物理在數值分析中的作用更加被強化，我們開始關注不同場作用下的物理行為，這也是多物理場成為數值模擬的一個熱門方向和趨勢的原因。

圖：典型的多物理場耦合

（心臟瓣膜張合的數值模擬）

數值模擬能為災害預報做什麼？

氣象科學對於數值方法的應用，有非常長的歷史，1961年，曾慶存在深入分析天氣演變過程的理論基礎上，首創半隱式差分法，在國際上首次成功求解大氣斜壓原始方程組，得到了世界上第一張用原始方程組畫出的天氣預報圖。而今天，我國的氣象預測早已進入數值天氣預報階段。

中國科學家甚至走得更遠，希望預測未來一個月、一年，甚至幾十年的氣候，於是便有了“地球系統數值模擬裝置”。該裝置於2018年在北京市懷柔科學城破土動工，並將於2022年完工。該裝置將為國家防災減災、應對氣候變化、大氣環境治理等重大問題提供科學支撐。

圖：根據廣東臺風數值模式

利用天河二號超級計算機模擬計算

另外，在工程地質災害方面，數值模擬可對滑坡、溜砂、滾石、垮塌等地質災害的演化機理進行數值分析，對發生條件、漸近破壞過程以及成災規模進行三維動態顯示。

圖：滑坡過程的數值模擬

在地震科學中，也有科學家試圖利用數值模擬的方法研究地震的短臨預報這一世界公認的難題。

例如加州地震機率工作組（WGCEP）多年來一直試圖利用數值模擬的手段預測聖安得利斯斷裂各段的地震危險性。

他們提出了UCERF3-ETAS用於可操作地震預報的時空叢集模型（Spatiotemporal Clustering Model for OEF），目的是將UCERF3模型用於短臨預報。

基於數值模擬的Hayward斷層M 7.1地震後的平均風險機率分佈圖。左側顯示UCERF3-ETAS結果，右側顯示純粹（無斷層）ETAS模型的結果。

針對這一難題，國家自然科學基金委員會—中國地震局地震科學聯合基金2018年度專案指南中首次列入了“地震數值預測探索”，相信地震數值預報的研究將在高效能計算和大資料分析的助力下，帶動地震科學和地震預報研究的發展。