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十项备受赞誉的科学仿真视频 发表评论(0) 编辑词条

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十项备受赞誉的科学仿真视频 编辑本段回目录

由于日渐廉价、快速而高效的信息处理能力,如今科学仿真成了研究者们至关重要的工具,他们试图询问过去不可解的科学问题,或设法生成室内实验无法生成的数据


    由于日渐廉价、快速而高效的信息处理能力,如今科学仿真成了研究者们至关重要的工具,来试图询问过去不可解的科学问题,或设法生成室内实验无法生成的数据。

    但比起检验一种假说或对实际观测进行推断,驾驭一大批计算机需要更多的东西。仿真将成堆的数据融入引人注目,迎合人类优势的图片中,并在其中阐明它们。

    “人类肉眼能够从仿真中辨认出用其他方式难以描述的模式,并且它们可以比任何计算机做得更好。”阿贡国家实验室的可视化科学家约瑟夫·殷瑟利说,“另外,由于目前收集到的数量大到不可思议的数据,用任何其他方式来进行分析都是很困难的。”

    做一项有用的科学仿真并不是轻松的工作。如果领域内的科学家想要亲自实现它,他们必须学着为计算机处理和事前控制的三维动画软件编写指令代码。由于这些障碍以及建模方法上日益增加的复杂性,他们大多数与计算机和可视化科学家合作来完成这项工作。

    就绪的仿真指令可能会需求令人难以置信的计算资源。要大量炮制出及时而有用的数据,耗费成千上万小时的处理器时间并不是件不寻常的事情。(举个例子,在个人计算机的双核处理器上不停不休地捣弄三十分钟的数字,可等同视为一个小时的处理器时间。)

    为了拿夸耀的资本——和一个亮闪闪的类似奥斯卡的雕像——来奖赏过去一年里最令人印象深刻的科学仿真努力,殷瑟利和其他人协调举办了第四届“可视化之夜”竞赛。美国能源部2011年七月在其称作SciDAC或者高级计算机科学发现的年度项目期间主办了这次活动。

    有二十三位种子选手参选,但仅有10名从他们的科学同行那里获得了“大众选择”奖。两名从一个三人专家小组那里获奖。

    我们在这里展示回顾一下研究者们最喜欢的参赛作品吧。

    以上作品:

    血流
    为了探索健康血细胞(红色)和病弱血细胞(蓝色)之间,在显微镜下可见的相互作用,研究者们使用了从流体物理学到质点动力学的一切可能方法,制作出了上面的仿真。

    在动画的第一段,血细胞和等离子微粒(小球体)通过模拟动脉喷涌出来。穿过动脉的多彩小片表示的是血液成分的速度。

    第二段仿真捕获了凝血血小板细胞是如何填满有致命危险的动脉瘤,或被削弱而向外突起的细胞壁的。

    仿真制作者:L.格林伯格,G.卡尼亚达克斯,D.菲多索夫,B.卡斯韦尔,J.A.殷瑟利,M.E.帕普卡/布朗大学/阿贡国家实验室

     

    8级地震
    地震学家们用大量的传感器阵列,密切留意着地壳中的缺点,然而,大规模的断裂太过罕见,无缘深入了解。

    为了探测沿着圣安地列斯断裂层发生的大地震的行为,圣地亚哥超级计算中心的可视化科学家阿米特·克拉西亚和他的同事们制作了“最糟情况场景”的八级地震模型。

    花费了530万小时的处理器时间来计算的这项仿真,浓缩了在孟买海滩附近一处断层开裂之后四分钟的实况演示。大部分能量往南波动而去,但与过去的地震仿真不同,这个小组以放大了的高度演示模拟地块的零星移动。

    “其中一些仿真帮助科学家们看到在一些地区的持续运动,比如洛杉矶。它就明白地在那里摆着呢。”克拉西亚说道。

    这一仿真还显示出一个锥形的能量锋面,让人联想到喷气式战斗机迅速加速至超音速的时候产生的马赫锥。

    “在过去的仿真里,我们没见过任何马赫锥。”克拉西亚说,“我们并不知道,在现实中,这些是否真的会出现,因为这只是一个仿真。但对于他们若出现会是什么样子,我们了解得很清楚了。”

    仿真制作者:A. 克拉西亚,Y. 崔,K. 奥尔森,T. 乔丹,K. 李,J. 周,P. 斯贸尔,D. 罗腾,G. 伊利,D. 潘达,J. 列夫斯科,S. 戴,P. 迈克林/圣地亚哥超级计算机中心/圣地亚哥州立大学/南加州大学/俄亥俄州立大学/克雷公司/橡树岭国家实验室/美国国家科学基金会

     

     

    恒星磁性
    天体物理学家了解到,太阳磁驱动了太阳黑子(能够向太空发射危险粒子云的表面扰动)的形成,但我们尚未弄清,这些表层斑块是如何构建和组成的。

    “我们近来的分析,未能预测到在这一太阳活动周期中的活动。”麦迪逊威斯康辛大学的天体物理学家本杰明·布朗说道。比方所最近的长达11年的太阳活动周期,就非但没有大量的活跃迹象,反是出奇地安静。

    布朗和其他人正为类太阳恒星的复杂磁场建立模型,以弄清原因。他们尤其想知道恒星磁性是如何同时地驱动恒星表面附近的热气体流,又对其作出反应的。

    一个惊喜是,他们发现了可能预示着太阳黑子出现的花冠状结构。

    “这些花冠是新出现的,但不走运的是,任何太阳黑子都只刚好达到或者低于我们这个仿真的分辨率。”布朗说,“可以想到,需要做一个大得多的仿真,来看这些结构是否会弹出到表面。”

    上面的动画粗略估计了五年的磁场波动追踪。它是花费400到800万小时处理器时间来计算的,长达75年的仿真的一个子集。

    仿真制作者:C. 布朗尼,B. 布朗,J. 克里恩,C. 图阿蒂/美国国家科学基金会/国家大气研究中心/犹他州立大学科学研究所

     

     

    活跃星系核磁性
    大约每几千个星系当中,会有一个中央翻腾着超大质量的黑洞,从盘状旋转的气体和尘埃当中吞噬物质。天文学家们将这些观测物中最活跃的那些,依据它们喷吐出的强力迸发的辐射称作活动星系核,英文缩写为AGN。

    除了辐射外,AGN还会将带电粒子加速,并因而产生一个磁场。尽管这磁性极其微弱, 但上面的仿真显示出,他们对于塑造整个可见的宇宙非常重要。

    “有点让人困惑的是,磁场曲线何以这么稀疏”,它们又从何而来,伊利诺伊大学的天体物理学家,与计算机和可视化科学家一同制作仿真的保罗·萨特说道,“但它们可能在对星系团物理现象的影响中扮演着重要的角色。”

    这一仿真模型显示了大爆炸大约60亿年之后一处活跃星系核的磁场线,它发生在大约一个星系团那么大的立方体内。这一竞赛的评判委员会在“视觉美学”分类里将它评为最佳作品。

    仿真制作者:P.M.萨特,P.M.雷克,H.-Y.杨,G.福曼,D.帕格迈尔/国立橡树岭实验所

     

     

    超新星震荡波磁性
    恒星和活动星系核并不是仅有的产生难以观测的磁场的天体。

    一些大质量恒星成为炽热的超新星而死去,天体物理学家认为这一爆炸向外急速行进的粒子波波前,能够造成磁场——一股在恒星爆炸的丧钟之后,可能会强有力地操纵残留物永存外观的力量。

    为了判断这一磁场的外观,以及它将如何影响激波波前后面物质的急流,橡树岭国家实验室的计算机科学家戴维·帕格迈尔和一群天体物理学家创造了这一仿真。

    尽管不如其他可视化之夜胜出者那般复杂,它的简单却是参透真相的。这一仿真及时地在超新星刚出现之时冻结了它,并显示出磁场线是如何向着中央25英里宽的中子星逐渐减少的(那是大多数超新星的全部残存)。

    仿真制作者:E.安迪夫,C.卡德尔,R.布迪阿德加,A.梅扎卡帕,D.帕格迈尔/国立橡树岭实验所

     

     

    激光-等离子体加速器
    粒子加速器以近乎光速粉碎小块的物质,这些全是为了再现大爆炸不久之后存在的物质。问题是,建造这样的机器需要很多空间和现金。

    比方说,欧洲约17英里宽的大型强子对撞机,预算经费约为九十亿美元。

    “它们的方式太大太昂贵了,所以我们正试着发展新的技术,来减少它们的大小和费用。”Tech-X公司的计算机科学家爱斯特尔·科米尔-米歇尔说道。“其中一个主意是,用大束的激光射击等离子体。”

    这一被称作激光等离子体加速的稚嫩技术,用一束激光射击已电离的等离子体,来产生带电的“尾波”。第二束激光波与第一束相撞,使得电子从等离子体中被抛出。然后这些电子就随着尾波,在仅仅大约一米的距离内加速至接近光速(这些电子将最终与指向反方向的同一设备发出的电子相撞)。

    从事制作像上面那样的仿真的科米尔-米歇尔说,计算机模型帮助实验物理学家们弄清,调整昂贵的模型,将会如何帮助或阻碍电子加速。要用仿真替代巨大的加速器,这一模拟的加速必须极其地稳定和可复制。

    “如果我是一个物理学家,我希望电波有这样的能量和电负荷,并且每一束都是一样的。眼下这项技术显然不是这样的情况。”她说,“我们还有很长的路要走,但这仿真当然是有帮助的。”

    仿真制作者:E.科米尔-米歇尔,D.L.布鲁惠勒,M.杜兰特,D.肯迪,V.H.兰奇帕,B.M.科万,J.R.凯瑞,C.G.R.戈德斯,M.陈,O.鲁贝尔/劳伦斯伯克利国家实验室/Tech-X公司。

     


    早期星系辐射
    研究者们猜想,宇宙是由一个炙热稠密的点,经历了137.5亿年的时间,膨胀而成现在的样子的。很难确切地讲,我们知道两者之间发生了什么,但计算机仿真可以作出有用的预测。

    宇宙学家正试图用仿真解开的一个谜,是重力、诸如流体之类的动力学和初生的恒星发出的光,在何种程度上塑造了现在的宇宙。

    上面那些像立方体一样的仿真,是同样在宇宙19亿年前的时间点,可能面貌的快照。这些立方体的每个边都大约有3600万光年那么宽,都包含有丝状星系团。

    左上方的仿真模拟了可见物质的密度和重力交互作用,右上方的模拟了暗物质的流体动力学(构成了宇宙全部物质83%的不可见物质)。左下方的立方体模拟了原始的非金属恒星的光输出,而右下方的立方体显示了这些光是如何被周围的气体和尘埃吸收并重新发出的。

    所有这些仿真花费了大约两百万小时的处理器时间生成。它们如此错综复杂,以至于在被创作出来之后好几个月里,物理学家们仍然在数据堆里挖掘着他们的收获。

    “一旦有天我们做好准备,我们将会向仿真里添加第四个角色——磁性。”圣地亚哥超级计算中心的天体物理学家理查德·瓦格纳说。

    仿真制作者:R.哈克尼斯,D.R.雷诺兹,M.L.挪莫尔,R.瓦格纳,M.赫里尔德,J.A.殷斯里,E.C.奥尔森,M.E.帕普卡,V.维斯瓦纳斯/圣地亚哥超级计算中心/南方卫理公会大学/芝加哥大学/阿贡国立实验室

     

     

    碳捕捉涡轮机
    计算机模型可以帮助研究者们模拟他们的实验结果,量化在起作用的力——然后利用其推导极端的情形。

    一个活生生的例子,就是这个模拟涡轮机驱动技术的仿真,该技术被设计用来捕捉由消耗矿物燃料的工业产生的碳酸气。

    这一进程由Ramgen电力系统设计,依靠超音速来提供冲击压缩,将碳酸气转化为一种更易储藏的液体。上面的仿真严密地贴合了Ramgen在现实世界的风洞实验,使得他们的工程师能够更快地改进其技术原型。

    “它提供了不通过可视化就无法获得的洞见。”橡树岭国家实验室曾帮助Ramgen设计其仿真的可视化科学家迈克尔·马西森在给《连线》的一封邮件里写道。

    这一可视化作品是更大的,耗费了大约两百万小时处理器时间来计算的一个系列的一部分,它在“信息呈现”分类中获得了最佳奖。

    仿真制作者:M.马西森,A.格罗夫纳,A.A.扎尔特约多/Ramgen电力系统/克里斯提亚诺维克研究所/国立橡树岭实验室

     

     

    顶板威胁保护系统
    当军队在冲突地区扎营的时候,他们面临着入射的迫击炮弹的威胁。这是一种爆炸性的攻击,一个简单的顶板是无法抵御的。

    来看看美国军方在几小时内可以建立起来的“顶板威胁保护系统”吧。别让那个无聊的名称把你给欺骗了。一个仿真模型(上面那个)将显示出,一种双层设计是如何引导爆炸能量离开军队的。

    “陆军工程兵需要一种可以快速装置的顶板结构,来保护前线战地上类似一个食堂那样的东西。这些都是没有武装容易攻击的目标。”国防部协助制作了仿真的计算机科学家兰德尔·汉德说。

    一层由波状金属构成的外层引爆炸药,同时一层内层保护下面的结构,并将爆炸能量导出至屋顶的开放侧。仿真表明,这一设计足够坚固,可以承受适度的爆炸,但内层则是绝密技术。

    “我甚至不知道它是用什么做的。”汉德说。

    仿真制作者:C.普莱斯,J.A.舍本,D.尼尔森,J.麦可克里夫,M.史蒂芬斯,R.汉德K.乔治,和米.瓦伦斯亚诺/美国国防部

     

     

    风力发电中的湍流
    由于某种原因,很多风力电厂并不如工程师们设计的时候期望的那么有效率。为了找出在风力到电能的转换中,是什么在起阻挠作用,研究者们齐心协力制作了这一仿真。

    “涡轮机有尾流,而我们正试着理解,这些尾流是如何影响下游的涡轮机的。”国家可再生能源实验室的计算机科学家肯尼·古鲁查拉说。

    这些仿真同时考虑了大气和水当中,围绕于涡轮机叶片的涡流,它们可能会被用来指导未来涡轮阵列的排放布置,并最大化它们的产出。

    仿真制作者:K.古鲁查拉,M.J.彻迟菲尔德,P.J.莫里亚迪,S.李,Y.李,J.K.伦德奎斯特,J.麦卡雷克斯,A.普卡亚斯拉,M.A.斯普拉格/国家可再生能源实验室

    参考文献编辑本段回目录

    http://dongxi.net/b10hb



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