科学研究的第三种途径

人们通常把科学研究比喻为理论与试验的对话，然而，如今却插入了第三者——电脑模拟。

随着计算机运算速度的不断提高，电脑模拟已深入到大部分的研究领

域。

从“电子植物”的生长，我们初步了解了电脑模拟的大致过程。现在，让我们再看看作为科学研究的第三种途径，电脑模拟是怎样大显身手的吧。大概本世纪中叶或更早的时候，天文学家开始了对超新星的研究。有人

提出，当大星球用尽自己的燃料，就会因本身的重量而崩溃。以后，又有人进一步阐明：崩溃有时激发爆炸，出现超新星，迸散星球的大部分质量，留下致密的中子星甚至黑洞。

当时的科学家凭着卓越的智慧，运用物理学方法，靠纸和笔表述着他们的见解。但面对星球爆炸前后极短关键时刻发生的事件，纸和笔的表述常常有点含糊不清，到实验室进行试验更是难以想象。

于是，80 年代初，天文学家开始运用电脑模拟来探索星球的死亡过程。这种模拟从一个星球数学模型开始，描述一个用物理学定律构造成的模型星球的质量、化学组成和球体结构；然后就是激发核子反应、对流开始、重力压缩球心、中微子及其他粒子流穿入大气层⋯⋯当然，即使用计算速度很快的电脑，模拟这 0.001 秒之内发生的情况，也要用上几分钟。然而，这几分钟等待是值得的。电脑模拟最终展现出星球爆炸的全过程，而这扣人心弦的一幕往往是天文学家永远无法进行实验的领域。

在现代化的航天事业中，电脑模拟也屡建奇功。例如，航天飞机上有一只用来取回故障卫星的机械臂，为减轻重量又便于捕捉卫星，这种机械臂设计得很轻又很长，以致于当它制造好后根本无法在地面上进行实验，因为当它伸憎爱分明开时，仅自身的重量就会使它“骨折”，但在太空失重状态下，就不存在这个问题。那么，我们怎样才能知道这种机械臂在太空中能否胜任自己的工作呢？电脑模拟可以帮助我们解决这个难题。只要建立合适的数学模型，放在计算机上运行（实验），就可以使机械臂的运动及回收卫星的整个过程清晰地呈现在眼前，从而预先检验它的可靠性。

可以想象，电脑模拟的费用通常要比实物试验，尤其是样机的破坏性试验所需费用低得多，比如远程战略导弹，其试验费相当惊人，而且它的发射会受到世界各方的注意，特别是全程发射试验，还得向公海发射，这更会涉及政治和外交问题。为此，各国广泛应用电脑模拟来研究导弹的性能及发射，一次充分的电脑模拟试验能获取的导弹信息量要比实弹试验能得到的多 10 倍，费用却大大降低。

在生物学领域，科学家最早将其用于群体动态研究。对于一个捕食者物种群体与一个被食者物种群体互相接触后会产生怎样的波动这样的问题，靠对野兔和山猫进行地野外观察往往要用上好几年，然而，电脑模拟只需几分钟就解决了。类似的方法也用于对流行病的研究，包括在人类群体里传播、引起人们极大恐慌的艾滋病。

美国洛斯阿拉莫斯的国立实验室里创造出了一个数学模式，可以预测艾滋病在美国的传播情况。只要在超级计算机里输入全部已经染有艾滋病患者的有关资料。即年龄、性别、住址、性生活情况以及感染时间等，给计算机指令，按上述资料进行分析比较，就能获得在一段时间里面临受感染的总人数图，也将发现在不久的将来受威胁较大区域的位置。对于艾滋病将在什么范围内被传染，受感染的带菌者对周围人具有多大的危险这类人们普遍关心的问题，通过电脑模拟也能寻找答案。

威胁成千上万人生命的另一个世界性难题——癌症，也是科学家要攻克

的“堡垒”。

加拿大的医学研究人员借助电脑模拟，发现在癌症的某一阶段，癌细胞的变异会同时衍生出多个新的细胞，这种变异常常导致抗药性的产生，使有成效的治疗前功尽弃。因此，必须争取在癌症早期就同时使用数种药物，把由于癌的变异衍生可能产生的新癌细胞消灭在萌芽之中。

科研人员将所有影响癌细胞生长和繁殖的因素，如肿瘤的大小及类型、抗癌药物的疗效和治疗周期，癌细胞的变异和产生抗药性的理论系数（由大量临床数据总结得到）等，统统输入到计算机中。然后，根据科研人员的控制指令，计算机就模拟使用不同抗癌药物治疗癌症的效果，并打印出在癌症的某一阶段，采用不同药物组合，癌细胞变异衍生的各种可能性。根据这些信息，医生就可以在癌症病人出现多细胞变异之前，选用某几种抗癌药物杀死即将产生抗药胜的癌细胞。

利用这种模型，还可以得到不同药物搭配所产生的效果，向医生提供最佳治疗方案。

现在的电脑不仅能模拟细胞的分子结构和蛋白质的组成，还能模拟至今尚未确定的成分。美国有家医院的实验室每天都在模拟肿瘤细胞的组成，然后用各种不同的假设药物乾地模拟治疗，以期有所突破。还有实验室正在模拟干扰素结构，试图造出大量高纯度的干扰素满足临床。

虽然，利用电脑模拟细胞的分子结构或其他成分尚有一定不足之处，但是，这对于科研人员开阔实验思路以及分析和鉴定实验物有相当帮助。

电脑模拟已成为科学研究不可缺少的第三种途径。