计算科学的乐趣

    准备念研究生时，面临选专业方向，要么实验，要么理论，当时我的成见是：实验太可怖，满是复杂的仪器和枯燥重复的过程；而理论，虽然我并不讨厌漫长的推导，但似乎见不到它用途。询问一位老师，他的建议是计算。这位老师的专业就是计算物理，他经常在上课时给我们介绍各种各样的科幻小说，他精通各类游戏，据说秒杀了我们上届，上上届所有人。他说，计算就是，把理论当作科幻小说看，把计算软件当作游戏来玩。我才知还有计算科学的存在，且听起来很有意思。

    有个有趣的说法，人类的科学起源于计算。相较于观察，计算更容易界定，最早的计算就是算数，它是“人类把自己从对大自然的恐惧中解救出来的第一个方法”。随着人类的进步，面临的计算问题也越来越复杂，我想手动计算的极至应该是上世纪60年代我国科学家成功把火箭和导弹“算”上天，后来我们就变“懒”了，因为计算机出现和迅速普及。这也催生了计算科学——有别于传统的分类：实验和理论，形成了科学界“三足鼎立”的局面。

    计算科学的严格定义是一个与数学模型构建、定量分析方法以及利用计算机来分析和解决科学问题相关的研究领域。计算材料学作为计算科学的一大分支，是个更古怪的东西，它是一个严重交叉的学科——数学，物理，化学，生物，计算机……有趣的是，DFT（密度泛函）理论的创立者Walter Kohn研究了一辈子理论物理，最后却得了个诺贝尔化学奖；不少数学家在计算材料领域“玩”得不亦乐乎，弄出许多算法，却苦了我们这些刚入迷者；许多拿了计算材料学博士学位的人轻松转行去了IT行业。此领域的研究者需游走于各领域，汲取相关知识并融汇到一起。好比古时的武林高手，将各门派的武功集于一身。

    理论上来说，计算机几乎可以模拟任何东西，小到原子分子，大到飞机火箭，即任何体系的任何性质！当然这有点言过其实，对于复杂体系，计算机的能力或我们的方法都有待进一步改进。计算各种体系的方法理论和使用软件各不相同，计算桥梁或建筑等宏观事物的力学性质，一般用有限元分析的方法；模拟生物大分子，将用到分子动力学的方法，而对固体材料常用第一性原理方法。相较于实验科学，计算的一个重要优势是，成本很低。只需支付服务器和计算软件的费用即可。那么即使你是个没有什么经费的“菜鸟”研究人员，也能顺利进行科研工作，凭自己的能力风生水起。

    现今十分流行的概念“云计算”，就类似我们的工作方式：将计算任务在自己的PC上编辑好，投放到云端（即服务器，或称超级计算机）进行高速计算，之后将计算结果返回到我们的PC中。就是说无论你在地球的哪个角落，只要能连接互联网，就能进行科研工作，可以整天宅在家里科研，也可以一边旅行一边科研。

    这听起来是不是很酷？！