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