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依然是搭模型、推公式、解方程,和上世纪甚至上上世纪并没有多大的区别。
不过这也并不意味着理论研究是什么高大上的事情。因为方程变得越来越难解,理论研究中选取的近似也在变得越来越敷衍,天体物理中常见的近似是「1~2~π」,而等离子体物理研究中存在同样离奇的近似「3>>1」。
这种难看且略有些敷衍的近似其实也充分说明了理论研究的困难程度:如果不取这种看起来相当不靠谱的近似,那么最终很可能连一个用于估算的结果都得不出来。
研究本身的困难程度进一步决定了对有志于从事这一方向的学生的高要求。足够扎实的基础只是入门,学懂本方向上的全部专业核心课和选修课程只能提供一个接触理论课题的机会,相当于在考试中把题目读懂;而实际科研中需要的数学、物理知识是上不封顶的,你永远不知道学过的东西有没有帮助,也不知道需要读哪一本参考书才能补上知识体系中欠缺的一块拼图。
笔者个人在理论研究上只能算刚刚入门,从身边老师们给出的建议来看,若想成为一名合格的理论研究者,扎实的数理基础、优秀的物理直觉、能够沉下心去搜集资料,钻研一个问题的强大恒心,三者是缺一不可的。
若你在了解了这条路上的各种困难后依然愿意以从事理论研究为目标,那么,欢迎你在这漫长的征途中与笔者一同努力。
5.3 模拟
模拟研究实际上是与理论研究相对接近的,随着物理学需要研究的系统越来越复杂,单纯通过数学手段求解方程已经难以满足需求,因此大部分理论研究都或多或少要借助数值或者模拟方法才能完成。就算主要在做理论研究的人,也通常需要懂一些模拟方面的知识和技术。
模拟工作可以被理解为通过代码复现一套数学模型及其数值求解方法的过程。拆开来讲大概分四个部分
前期理论工作:做模拟实际上就是在特定边界条件下通过特定算法解方程。但是方程和边界条件都得自己推。如果没有做出什么本质的进展,这一块工作一般不难,很多时候甚至是现成的。
设计、优化算法:需要相当多的数学知识,很多时候会是面向具体问题而高度特化的,比如怎样把一个发散项尽可能消掉。但这种工作通常相当困难,基本上大部分人的博士课题也就是优化一个模块的算法。
写代码,维护项目,debug:这部分工作和物理完全没有关系,反倒和计算机、软件工程一类专业学生的日常工作类似。但这一部分工作往往相当复杂、繁琐,需要占用大量时间,也进一步使得大部分做模拟的物理专业学生有了转码的能力。
调参数,凑实验结果:在有了一套完整的模拟代码之后,物理学家也就拥有了进行「数值实验」的能力,通过调节模拟代码里的各项参数(温度、压力、磁场等),并比较不同参数下的模拟结果