看 这群科学家一直“懒”自己做实验.
看到这个标题不要惊讶！
我们说科学家懒得自己做实验
那是因为他们有一个“好帮手”
——计算机数值模拟研究
什么是数值模拟研究？
简单来说就是让电脑给你做物理实验。
步骤是首先建立数学或数值模型，然后利用程序、软件和硬件计算得到数值结果。
数学这里主要指偏微分方程、张量分析、泛函分析等等；这些数学内容提供了一种语言来描述数值模拟分析和解决的各种问题：它们可以方便、准确地描述一个问题，甚至为解决这些问题提供便利。
“简单问题的数值模拟并不难，”一位医生抚摸着自己的发际线说。"难点在于数值模拟中涉及的复杂的线性或非线性力学问题."。
为什么要做数值模拟？
代替物理实验是数值模拟发展的核心推动力。我们想确切地知道机械零件在外力作用下是如何变形的，我们需要预测台风的路径，我们需要了解地震波是如何传播的。但是昂贵的测试成本或者根本无法测试，限制了我们对物理现象的理解。
图：昂贵的风洞实验和风洞数值模拟
另一方面，突破性的计算机技术使更复杂的计算方法成为可能。在54强超级计算排名中，中国的神威太湖之光排名第三，中国以227台超级计算单元独占鳌头，远远超过美国的118台。
照片：神威太湖之光
(峰值性能12.5亿次/秒，持续性能9.3亿次/秒)
数值模拟能做什么？
中国科学院、工程院院士、中国两弹一星功勋奖章获得者钱学森在20世纪指出，“在21世纪，力学加计算机将成为工程设计的主要手段”。
进入21世纪后，力学的研究对象越来越广泛，问题越来越复杂，规模越来越大。随着计算机科学技术的发展，用计算机进行数值模拟逐渐成为解决这些涉及国防、交通、能源、机械等领域的力学问题的有力工具。
在实际工程或科学应用中，我们常常依靠计算机，结合有限元或有限容积,的概念，通过数值计算和图像显示的方法，来达到研究工程问题、物理问题甚至自然界中各种问题的目的。
图：用数值模拟软件模拟隧道开挖
此外，随着跨学科和产业合作的趋势，物理在数值分析中的作用得到加强，我们开始关注不同领域下的物理行为，这就是为什么多物理场成为数值模拟的热门方向和趋势。
s="content-picture" src="https://inews.gtimg.com/newsapp_bt/0/13088968235/1000">图：典型的多物理场耦合
（心脏瓣膜张合的数值模拟）
数值模拟能为灾害预报做什么？
气象科学对于数值方法的应用，有非常长的历史，1961年，曾庆存在深入分析天气演变过程的理论基础上，首创半隐式差分法，在国际上首次成功求解大气斜压原始方程组，得到了世界上第一张用原始方程组画出的天气预报图。而今天，我国的气象预测早已进入数值天气预报阶段。
中国科学家甚至走得更远，希望预测未来一个月、一年，甚至几十年的气候，于是便有了“地球系统数值模拟装置”。该装置于2018年在北京市怀柔科学城破土动工，并将于2022年完工。该装置将为国家防灾减灾、应对气候变化、大气环境治理等重大问题提供科学支撑。
图：根据广东台风数值模式
利用天河二号超级计算机模拟计算
另外，在工程地质灾害方面，数值模拟可对滑坡、溜砂、滚石、垮塌等地质灾害的演化机理进行数值分析，对发生条件、渐近破坏过程以及成灾规模进行三维动态显示。
图：滑坡过程的数值模拟
在地震科学中，也有科学家试图利用数值模拟的方法研究地震的短临预报这一世界公认的难题。
例如加州地震概率工作组（WGCEP）多年来一直试图利用数值模拟的手段预测圣安得利斯断裂各段的地震危险性。
他们提出了UCERF3-ETAS用于可操作地震预报的时空丛集模型（Spatiotemporal Clustering Model for OEF），目的是将UCERF3模型用于短临预报。
基于数值模拟的Hayward断层M 7.1地震后的平均风险概率分布图。左侧显示UCERF3-ETAS结果，右侧显示纯粹（无断层）ETAS模型的结果。
针对这一难题，国家自然科学基金委员会—中国地震局地震科学联合基金2018年度项目指南中首次列入了“地震数值预测探索”，相信地震数值预报的研究将在高性能计算和大数据分析的助力下，带动地震科学和地震预报研究的发展。
文图/邵博（北京大学 构造地质学博士）
编辑：DYR