Question

如何理解“计算是第三种科学研究方法”

Answer 1

计算是第三种科学研究手段 作者：余德浩 大规模科学计算，环境污染，水土流失，大气、海洋监测，石油勘探开采……如果不是专业人员，恐怕很难看出这其中的联系。可以说，我国目前亟待解决许多大规模科学计算问题。例如加强大气、海洋和环境的数值模拟和预测，将可找到更多有效的措施减灾防灾；在高技术与基础工业中也有许多亟待解决的复杂流动和控制的计算问题……科学计算已经成为更好地认识世界的重要工具。

科学计算是伴随着电子计算机的出现而迅速发展并获得广泛应用的新兴交叉学科，是数学及计算机实现其在高科技领域应用的必不可少的纽带和工具。计算与理论及实验一起已成为当今世界科学活动的主要方式。许多重大的科学技术问题无法求得理论解，也难以应用实验手段，但却可以进行计算。计算大大增强了人们从事科学研究的能力，加速了把科技转化为生产力的进程，深刻地改变着人类认识世界和改造世界的方法和途径。在科学和工程的许多领域，计算可被用来获得重大的研究成果或完成高度复杂的工程设计。科学计算为科学研究与技术创新提供了新的重要手段和理论基础，正在并将继续推动当代科学和高新技术的发展。
“大规模科学计算研究”是国家973项目，它瞄准国际科研前沿和国民经济重大目标，发展和创新高性能科学计算方法和软件系统及大规模并行实现技术，培养青年科学计算人才，并充分利用国家高性能科学计算环境，有效地在环境、材料、能源等领域解决一些挑战性的大规模计算问题。

基于两个原因设立该项目，第一，由于这一项目的重要性。科学计算的兴起是20世纪后半叶最重要的科技进步之一，它已成为更好地认识世界的重要工具，是理论研究和实验之外的第三种科学手段，大大丰富了当今世界的科学活动。科学计算在我国的发展正处在关键时期，它对探索科学未知、促进技术创新、保障国家安全都有深远的影响，这是其立项的必要性。

第二，科学计算在我国已有很好的研究基础。我的老师冯康先生早在上世纪50年代就在中科院组织计算数学研究队伍，到60年代已在有限元研究中取得国际领先的研究成果。80年代中他大力呼吁国家重视科学计算，曾向国家领导人面呈“紧急建议书”。他和石钟慈院士先后担任了两期国家“攀登”计划的首席科学家，使科学计算在我国一步一步不断发展。由于有深厚的研究基础，特别是有一支跨学科、跨部门、老中青相结合的科学计算研究队伍，又使这一项目的顺利实施有了可能性。

在立项之初我们就考虑到了该项目既要解决科学中的基础理论研究问题，又要面向实际应用。本项目以解决若干大规模科学计算问题为支柱,以发展新的科学计算方法为核心，以国家高性能计算环境为依托，既面向国家在重大科学领域对科学计算的迫切需求，又瞄准国际上科学计算发展的学科前沿。

5年来该项目在两个重要方面齐头并进：一是若干有明确应用目标的大规模科学计算问题。我们有3个课题就是直接面向应用的，它们是：“复杂流动的高精度计算研究”，这是结合大气动力学与气候系统研究的；“物质性质机理的多尺度计算研究”，这主要是面向材料科学的；“油藏模拟与波动问题及其反问题计算”，这是为我国石油工业做应用基础研究的。另一方面是大规模科学计算中必须解决的共性问题。另外两个课题—————“基础计算方法的创新与发展”和“大规模计算工程软件系统的基础理论和实施”就更注重基础研究和推动与高性能计算环境发展的联系。

数学本身当然是一门自然科学，但同时，数学又确实是进行其它科学研究重要的、甚至不可替代的工具，当代数学的发展已离不开科学计算和应用。本项目既面向国家需求，有针对性地解决若干重要的实际计算问题，又瞄准学科前沿，创造和发展能广泛应用于不同领域的新的计算方法，克服带共性的计算困难，探索科学计算的普遍规律。交叉性是我们这个项目的一个重要特点。在这个项目中，有很多研究人员都不是学数学的，他们来自环境、材料、能源等不同的研究领域，他们进行科学计算都有明确的应用目标。

“大规模科学计算研究”项目实施5年来，共发表1274篇学术论文，其中SCI收录649篇，出版专著13部。其中，钟万勰、余德浩、郭本瑜先后出版的英文专著获得了国际同行很高的评价。项目成员在国际顶尖的数值计算刊物《SIAMJ.Numer.Math.》上发表了近40篇论文，约占该刊5年论文的十分之一。这些表明了中国科学计算的理论水平与国际地位在提高。

在应用成果方面，王斌课题组建成了新一代高分辨率大气环流模式GAMIL1.0，获国际IT界的奖励，同时被国家海洋环境预报中心采纳，将作为“厄尔尼诺数值预测模式”中的大气模式予以应用；龚新高小组开展了纳米团簇的大规模计算研究，得到了金32笼子结构等系列成果，改变了对金属团簇密堆结构的传统认识，为纳米研究提供了新体系；孙家昶课题组开展了分布式并行算法及软件实现的研究，提升油藏数值模拟效率两个量级以上，为大规模计算模拟用于油田实际生产作出了直接示范。

科学计算是从上世纪中叶开始伴随着计算机的出现而发展的，到80年代后期被认为是科学研究的第三种手段，发展迅猛。然而在人类历史的长河中，半个世纪只是非常短暂的一瞬间，科学计算才刚刚起步，所以在新世纪它有非常好的发展前途，大有可为。它在科学发展中所起的作用会越来越大，所占的分量也会越来越重。我相信国家一定会继续加大对科学计算研究的支持。

Answer 2

“计算是第三种科学研究方法”这个说法是指，计算方法与实验和理论一样，是科学研究领域中的一种重要方法。在实验和理论方法无法解决问题或难以获得足够的数据时，计算方法可以提供一种有效的科学研究手段。计算方法通过数字模拟、数值计算等手段来解决科学问题，对许多领域的突破性进展都起到了关键作用，比如气象学、天文学、生物学等领域。因此，我们可以将计算视为科学研究的第三个重要方法。