Как это работаетКак учёные воссоздают Вселенную, мозг
и зарождение жизни
Зачем науке нужна компьютерная симуляция
Текст
Гриша Пророков
Естественные науки становятся всё сложнее, и для проведения вычислений уже недостаточно одной только ручки и бумаги. Ещё с середины XX века учёные обращаются к компьютерному моделированию для проведения симуляций в астрофизике, биологии, химии и так далее — и с каждым годом эти симуляции становятся всё сложнее и подробнее. Look At Me объясняет, какую именно роль компьютерное моделирование играет в науке.
Компьютерная симуляция — это инструмент, который помогает моделировать и высчитывать поведение сложных систем. Учёные задают все необходимые данные, а компьютер высчитывает, как ведёт себя система. Симулировать можно что угодно, от мельчайших квантовых частиц до галактик. Результат даже необязательно визуализировать, хотя считается, что, глядя на изображение, человек может заметить важные детали. Например, метеоролог по изображению модели погоды может предсказать приближение урагана.
Осенью 1945 года военные США построили ЭНИАК — первый цифровой компьютер общего назначения. Он состоял из 17 000 вакуумных ламп и был размером с большую комнату. Впервые ЭНИАК использовали в 1946-м для создания водородной бомбы. Математики Станислав Улам и Джон вон Ньюманн пытались рассчитать поведение частиц при термоядерной реакции. Им нужно было провести статистическую симуляцию такого масштаба, что Улам
и Ньюманн не могли вбивать все числа вручную (компьютеры тогда работали на перфокартах). Математики воспользовались методом Монте-Карло: компьютер использует случайные числа, вероятностные характеристики которых совпадают с данными задачи. Компьютер выполняет симуляцию несколько раз, а потом статистически анализирует результаты. Программа, выполненная ЭНИАК, привела к нескольким последствиям в науке: в том числе стали популярны удивительные книги со случайными числами (они устарели, как только компьютеры научились генерировать их самостоятельно), а компьютерное моделирование стало использоваться в науке постоянно.
С распространением компьютерного моделирования науку можно разделить на три ветви:
НАБЛЮДЕНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ. То, с чего началась наука: учёные наблюдали за миром вокруг и делали выводы из того, что они видели. Это называется методом индукции, когда в эмпирических данных находят структуры и свойства и делают из них выводы.
ТЕОРИИ И ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ. Мыслительная часть науки, когда из наблюдений строятся теории и дальнейшая работа идёт с ними. Это метод дедукции: выводы делаются из аксиом и предположений.
КОМПЬЮТЕРНАЯ СИМУЛЯЦИЯ. На самом деле симуляция — третья, новая ветвь науки. Она совмещает дедукцию и индукцию: как и дедукция, симуляция начинается с чистых данных, с предположений, но при этом в симуляции не доказываются гипотезы, а создаются данные, которые как раз могут быть рассмотрены с помощью индукции.
Компьютерные симуляции используются во многих разделах науки, от астрофизики до химии. Скажем, современные метеорологи в первую очередь работают с симуляциями: с помощью них они могут обнаружить торнадо или ураган за 20 минут до того, как он появляется, или спрогнозировать погоду на несколько дней вперёд. Метеорологи собирают информацию с радаров, спутников и наземных метеорологических станций и проводят симуляции, использующие всю информацию. Компьютер, впрочем, не отменяет участия человека: важно, чтобы симуляцию проанализировал эксперт — и сделал выводы.
Компьютерное моделирование может занимать
от нескольких минут до нескольких дней, а то и лет.
В XXI веке учёные начали проводить по-настоящему сложные и амбициозные симуляции, генерируя миллионы атомов и объектов.
Три амбициозных компьютерных симуляции
СОТРУДНИКИ THE ILLUSTRIS PROJECT ПЫТАЮТСЯ СИМУЛИРОВАТЬ ЭВОЛЮЦИЮ ВСЕЛЕННОЙ — от Большого взрыва до наших дней — за 13,8 млрд лет. Их модель использует все самые точные данные и вычисления из астрономии, доступные на данный момент, чтобы лучше понять природу Вселенной, формирование галактик и тёмную материю (это теоретические частицы, из которых состоит большая часть Вселенной, но которые не отражают свет). У The Illustris Project уже есть первые результаты и даже красивое видео, но полные результаты симуляции должны стать доступны позднее в этом году.
В 2005 ГОДУ СОТРУДНИКИ ЛОС-АЛАМОССКОЙ НАЦИОНАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИИ СОЗДАЛИ МОДЕЛЬ РИБОСОМЫ в движении. Симуляция генерировалась 260 дней, и в ней было смоделировано 2,64 миллиона атомов. Рибосома — это органелла в клетках живых организмов, ответственная за создание белка. Это один из важнейших элементов в организме человека, и с помощью этой симуляции биологи в том числе попытались понять, откуда вообще появилась жизнь.
ГЕНРИ МАРКРАМ И СОТРУДНИКИ ЗАПУСТИВШЕГОСЯ В 2005 ГОДУ BLUE BRAIN PROJECT ХОТЯТ СОЗДАТЬ МОДЕЛЬ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО МОЗГА. К сожалению, это невероятно сложно: нужно смоделировать 100 триллионов синапсов, связей между нейронами в человеческом мозге. Поэтому Blue Brain Project пытаются для начала хотя бы разобраться в базовых законах, на которых работает мозг. Для этого они моделируют нейронные колонки — группы нейронов, в каждой из которой находится 10 тысяч нейронов. Пока что Blue Brain Project смогли смоделировать одну колонку из мозга крысы.
Как и любые программы, симуляции подвержены ошибкам. Чаще всего ошибки появляются в первоначальных данных. Тем не менее, модель системы может быть неправильно построена. Как правило, чтобы с этим справиться, учёные создают упрощённую модель нужной системы (скажем, экосистемы) в качестве образца. Они отлаживают её и сравнивают результаты с известными и правильными. А потом уже сравнивают работу большой полноценной модели с образцом, чтобы избежать ошибок.
Есть вещи, которые обычный компьютер подсчитать
не может. Существуют симуляции, которые невозможно провести, — для этого нужно дождаться квантового компьютера. Например, учёные из американского Национального института стандартов и технологий предлагают использовать квантовые компьютеры для симуляции поведения частиц, в том числе их столкновений. В таких вычислениях задействованы квантовые свойства, поэтому, чтобы их понять, нужен квантовый компьютер.
Наконец, есть важная (хотя несколько спекулятивная) идея, связанная с компьютерными симуляциями. Если довести идею компьютерной симуляции до логического конца, то при достаточно мощном компьютере и достаточном количестве данных человечество когда-нибудь сможет симулировать всю Вселенную целиком. До мельчайших деталей, включая живых существ внутри неё. Предполагается, что такие существа не будут понимать, что находятся внутри симуляции. Здесь философы, а также некоторые математики и физики совершают следующий мыслительный шаг: как доказать, что мы сами не находимся внутри такой симуляции? Об этом много пишут журналисты; главным аргументом в пользу того, что мы находимся в симуляции, обычно называют чисто математический: вероятность того, что наша реальность — симуляция, выше того, что это не так. Так или иначе, это действительно предел для компьютерной симуляции в науке — смоделировать весь мир целиком.
фотографии via Charles Pergiel, Brendan Harmon, NASA Goddard Space Flight Center
Комментарии
Подписаться