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挖得更深,看得更远:超级计算机改变科学

时间:2011-05-02 09:58:19  来源:  作者:

挖得更深,看得更远:超级计算机改变科学(作者约翰·马尔科夫)

计算机展示强大性能

在一片漆黑的影院里,头顶上方的一块大屏幕展现出一片清晰度类似Imax屏幕的红杉树林,观众仿佛在树林里游荡。

观众激动不已,随后禁不住感到一阵头晕目眩。摄像机潜入树林深处,靠近巨型红杉树的一根枝条,接着进入一片树叶,而后钻进了一个细胞。加利福尼亚科学院莫里森天文馆新馆上周进行的名为“生命:一次宇宙之旅”的多媒体展示所仰仗的不仅是计算机动画制作技术,还有大量数字化科学数据。

莫里森天文馆的这场展示可谓一次视觉盛宴。它向人们表明,计算机强大的性能而今正在彻底改变科学,并给科学家们提供各种科学仪器,其对当前科研工作的重要意义相当于显微镜和望远镜之于较早期科学家的意义。在应用计算机各种强大性能的同时,科学家研究的物质也发生了彻底改变。单体标本——不论是化石、有机活体还是细胞——曾是科研的基本要素。而今,从更大程度上讲,科研人员开展工作要与大量收集来的数字数据打交道,而要掌控堆积如山的信息就要仰仗计算机的计算能力了。

科学家眼中的“放大镜”

当前进行科研工作仍要用到物理技术——新式电子显微镜、望远镜和粒子对撞机。但这些技术而今已与计算机性能密不可分了。计算机性能不仅可以辅助科研工作,还可为科研项目定性:研究对象是什么、有什么新问题及有何答案。

在莫里森天文馆新馆放映的首部作品《脆弱的星球》中,观众从视觉上穿过天文馆屋顶,先绕着伦佐·皮亚诺设计的这座博物馆飞出一个优美的弧形,而后很快飞入太阳系,开始宇宙探索之旅。过去,莫里森天文馆老馆用家庭星象投影仪将视觉图像投映到屋顶上。而今,支持新放映系统的是三个计算机处理系统。这三个计算机处理系统可存储大量数据,放映系统由此既可充当望远镜,也可充当显微镜。从小得不可思议到大得不可想象,这座计算机化的天文馆可准确无误地对展示物变化12个数量级。莫里森天文馆馆长、天文学家瑞安·怀亚特说,它可从亚原子变为大型宇宙结构。

印第安纳大学计算机科学家、科学显像专家凯蒂·博尔纳说,它就是一个“放大镜”。博尔纳用“放大镜”这个词来形容以计算机为基础的新型科学仪器。莫里森天文馆新馆的视觉物理仪器就属于新型科学仪器。他们都是综合仪器,配有不同的物理仪器。这些物理仪器安装了强大、灵活的软件程序,由此就完全变成了一个科研工作台。为解决特定科研问题,还可通过软件混搭改装工作台。

以多种方式重塑科研

莫里森天文馆设计的这个放大镜是为了进行教学,但也可用于科研。其本质就是用不同方法处理巨型数据库。博尔纳博士在《电子计算机学会通讯》(3月号)上撰文写道,放大镜提供了各种不同的视野,由此帮助我们综合处理相关因素,并测出模型、趋势和异常数据,同时还可让我们获得无数的具体信息。她说,过去,一些现象和过程对于人眼和人脑而言过大、过慢或过于复杂,人们因此无法注意到或理解这些现象和过程,而今,以软件为主的科研仪器使得发现这些现象和过程成为可能。

博尔纳博士说,计算机处理能力正在从多个方面为科研工作打开新局面。比如说,过去的科学家们各自为战,而今的科研工作则讲究团队合作。高能物理领域的科研论文一般有数百名甚至数千名作者。从某种程度上讲,这并不令人吃惊,因为在上世纪90年代初发明了互联网,欧洲核研究实验室的高能物理科研人员以此作为进行共同研究的工具。而今的结果是,各学科科研组的学科间合作水平不断提高,科研组的地理分布范围也越来越广。

 

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