观测与模拟是系统研究的两种重要手段

对自然与社会的历史的研究是人类孜孜以求的,涉及到形成与演化,起源、发展与消亡,宇宙的形成与演化、太阳系的形成与演化、地球的形成与演化、海洋的形成与演化、生命的起源与演化、人类的起源与演化,这些故事无不都是社会不同阶层、不同历史阶段人们所非常感兴趣的。而分析其自然环境与社会环境对主体演化的影响以及主体演化对环境的效应,则是非常重要的。事物的发生、发展受其内因、外因控制,这就是动力学问题。对一个系统的研究可分为不同层次的阶段,首先需研究其特征,从定性描述、对比分类到定量描述,从空间角度出发,关注的是其空间的分布不均一性,涉及的是状态学的问题(内部结构、物理-化学性质等等);其次要研究系统形成演化的过程,从时间角度出发,关注的是时间分布的不均一性,因果性,涉及的是其运动学问题;最后需探索控制其形成演化的因素,分析其机制,涉及的是动力学问题。通常我们采取以空间换时间的方式,研究系统的运动学过程,我们认为不同空间看到的事物是某一理想系统不同阶段的表现,我们把它们排列起来,提出系统演化的假说。如从东非裂谷-红海-大西洋-太平洋-地中海-喜马拉雅,来描述板块形成演化的过程。东非裂谷是在大陆岩石圈范畴内发生张裂作用的产物,陆壳拉张减薄;红海是裂谷进一步张裂的产物,洋脊形成,新生洋壳出现、一个板块拆分成了两个板块,完成0-1(洋壳从无到有)、1-2(板块从1到2个)的变化;大西洋被认为是红海发展的未来,这里两侧发育大西洋型大陆边缘(被动、张裂大陆边缘),洋中脊、深海盆地发育成熟;大洋两侧的被动大陆边缘发展的结果是转换成俯冲大陆边缘,这是由于新生的洋壳随着时间的推移,离洋脊越来越远,冷却变重并下沉,最后形成海沟,在海沟下洋壳俯冲到相连的大陆岩石圈下,形成增生楔、Benioff地震带和安山型岩浆活动-形成火山琏和岛弧,山脉形成;随着洋壳的不断俯冲,大洋面积缩小,太平洋的未来被认为是欧亚大陆与非洲中间的地中海;地中海的未来则被认为是欧亚大陆板块与印度板块形成的喜马拉雅山脉(造山带);喜马拉雅的结局是什么呢,乌拉尔山脉。这样一个旋回被称为Wilson旋回,虽然其中的很多细节并不清楚,但Wilson旋回给出了板块形成发展演化的概貌,描述了洋壳-地壳的发生、发展、消亡的过程。这是由于人类文明只有6000年,人类无法做长时间的观测记录,研究这些漫长的演化过程。在大自然面前,人类真的很渺小。这是空间换时间的思路,另一种方法则是模拟,包括物理-化学模拟与数值模拟,以缩小的比例或用计算的方法再现事物演化的进程。这也就涉及到基本物理原理的运用,通常用时间-空间离散化的方法计算事物发生演变的不同状态,调节参数,计算多种可能,分析其主控因素,并把相关结果与实际资料去对比。如果能符合实际资料,则认为模拟的过程可能就是实际事物的演变过程。但答案通常不是唯一的。我们掌握的实际观测数据是有限的,反问题的解通常不是适定的。模拟则使人们对事物发展的动力学机制给出判断,因此所谓的动力学研究通常是通过模拟实现的。由于很多物理模拟实现非常困难,不现实,因此数学模拟方法在多个学科中已起到越来越重要的作用。

观测与模拟是研究的两种重要手段,需相互配合,才能对系统的形成演化有一个合理、正确的认识。这正如科学技术的理论与应用两个方面,不能偏废一般。

20120305

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