世界是五彩斑斓的。对纷繁错杂的现象的好奇心是科学研究的初衷。过去的现象学认知是世界在我们的感觉器官上的直接投影；如今随着显微镜与望远镜等技术的发展，不同尺度的世界以不同的方式呈现于我们眼前，拓宽了现象学记录的空间。但现象学并不是科学。科学是构建于现象学知识之上的抽象原理的总和。在对现象的好奇心之外，对抽象原理的求知欲，是人类推动科学发展的基础。如亚里士多德在《形而上学》里写的： 

　　“凡为求知而求知的人，自然选取最真实的也是最可知的知识；原理与原因是最可知的；明白了原理与原因，其他一切由此可得明白；凡能得知每一事物所必至的终极者，这种学术必然优于那些次级学术；这终极目的，个别而论就是一事物的‘本善’，一般而论就是全宇宙的‘至善’。” 

　　对事物‘本善’的追索，是自古到今物理学家的任务。我们都记得在大学物理课上，在讲述近代物理学之初，老师跟我们讲的20世纪初开尔文指出物理学上空的“两朵乌云”那个故事。经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学都几乎在19世纪建立完备，似乎物理学基础理论已经完整，仅剩“两朵乌云”。我们都知道20世纪发生了什么事情，在“两朵乌云”说法提出后的数十年间，相对论力学与量子力学的出现与发展大大突破了传统物理学。如今，是否在这些理论之上，仍有更基础的理论，即亚里士多德所谓全宇宙的“至善”，我们不得而知，那是理论物理学家的任务；但若视经典力学、统计力学、相对论力学与量子力学等理论为颠扑不破的基础理论，是否我们已经可以很好地解释这个世界？ 

　　在回答上面这个问题之前，我们先回顾下中学时代学的欧式平面几何。我们学过若干条平面几何定理；然而所有定理，皆是从最基础的5条公理演绎推理而来。以5条公理构建起的定理系统，可以解释一切平面上的几何现象，也即我们中学时常做的几何证明题。如果现在的物理学基础理论是完备的，那么通过演绎推理，将可解释这世界上的一切现象。 

　　物理学对世界的解释，既可是后验的，也可是先验的。伽利略因为知道了自由落体定律，可以准确地预测比萨斜塔上两个质量不同的铁球可以同时落地。我们中学时代做的大量关于质点运动的物理题，都体现了基于物理学定律的演绎推理对各种质点运动现象的阐释。然而，由于这个世界的复杂性，对现象的解释难以像对单质点运动的描述那么纯粹。譬如多粒子体系，我们知道粒子间范德华作用力包括取向力、诱导力和色散力，粒子间的作用力大小会随粒子距离发生改变，粒子还可能受到外场的作用。对于这样一个复杂体系，要描述其运动，恐怕不能像中学解单质点运动物理题那样轻松地靠纸和笔完成。我们知道有描述多粒子系统的统计热力学，如果一个体系的配分函数存在解析解，就可以准确地预测其物理性质。但由于多粒子系统里的复杂作用，配分函数的解析解往往不存在。 

　　物理理论已经告诉了我们粒子间力的作用与运动定律，只要可以演绎体系内每个粒子在时间与空间里的运动，那么就相当于构建了一个模拟的真实世界，对这个虚拟世界进行分析，就可以解释真实世界的现象。虽然我们不能以解析方程描述多粒子复杂体系的运动，但如果我们假设一个粒子在极短的时间内（称为一个时间步）受力是不变的，那么根据运动定律（如经典的牛顿运动定律），就可以预测粒子在一个时间步内的运动。对多粒子在若干个时间步里的运动进行计算演绎，就可以近似地给出粒子在时间与空间坐标系上的连续运动轨迹，给出运动坐标的数值解。这就是模拟的基本思想。模拟的关键是时间步必须足够短，以致模拟的轨迹与真实世界的连续轨迹非常接近。对模拟世界进行统计分析，就可以实现对真实世界物理性质的预测。 

　　从上面的描述可知，由于模拟是对运动进行时间步划分的离散化，这一个个时间步的运动计算，靠着纸和笔显然是不可能完成的。在今天，依赖具有高并行计算能力的计算机，模拟研究可以完成。1814年物理学家拉普拉斯曾写道：“如果将来有一个智能体可以知晓自然界的所有作用力及组成自然的所有物质所处的位置——该智能体具有巨大的容量可以分析所有数据——那么宇宙中无论是最大的物体还是最轻的原子的运动都可以用同样的公式呈现；那么，世界上没有什么是不确定的，无论未来抑或过去皆可呈现于眼前。”我们今天的大型计算机在一定程度上符合拉普拉斯对智能体的描述。当然对全宇宙的物体运动进行分析，显然是当今乃至可望的未来不可能完成的任务。但是，对于一定尺度的体系，使用大型计算机，基于基础的物理定律，对物理性质的预测与现象的阐释，已经取得了数不胜数的成功的案例。 

　　理论研究是对基础物理定律的完备，实验研究是对自然界现象的真实记录；那么模拟研究如今成为了科学的第三极，在抽象的基础物理定律与五彩斑斓的自然现象间实现定量的桥接，为人类解释这个复杂的世界与预测这个复杂的世界的演变提供了重要的手段。 

　　供稿人：陈锰