科學探索全宇宙的最優方法：一個超大系統仿真的宇宙物質反設計工程

摘要：針對人類實現最終科學研究目標，本文提出了科學探索全宇宙系統的最優方法：基于超大規模系統-云-并行數字仿真的宇宙物質反設計工程。首先，本文建立了全宇宙物質系統反設計方法，包括：數學模型是全宇宙物質的統一基理與統一數值仿真算法，以及相應大系統反設計數字仿真的方法及系統仿真計算步驟與流程圖。即未來科學研究可通過超大系統數字仿真，尋找到宇宙物質的最根基要素，最后進行物理實驗對該系統仿真結果作檢測驗證。這是人類代價最小并速度最快地實現最終科學研究目標的研究技術方法。然后，分析了該超大系統反設計的數字仿真方案的優點與可能存在的問題，認為超大系統數字仿真是目前科學探索全宇宙系統的第一優方法，因為該物質反設計可以回避開歷時上億年來人類及其祖先傳統科學研究中存在的根本缺陷。因此，基于超大規模系統-云-并行數字仿真的全宇宙物質系統反設計的方法，在探索速度、探索效率、探索所需付出的代價等因素上，明顯優越于人類傳統自然科學探索方法，可以實現科學探索是有止境的，科技創新有止境的，是科學探索全宇宙的最優方法。

關鍵詞：全宇宙，最優探索方法，物質系統反設計，并行-云-系統仿真工程，有止境的科學探索

中圖分類號：N3文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（a）-0000-00

1.引言

人類自然科學探索研究的最終目標是占領控制全部宇宙多維空間，并完全自由地應用全部宇宙物質[1-4]。為此，人類祖先與人類一直在探索宇宙物質中的無窮無盡的未知現象、無數的未解之謎，等等。所謂科學研究，是基于當時的物質環境、生存與發展條件與科學技術基礎，研究者采用全部可能的各種科技手段，來探索宇宙物質世界的全部未知的各種客觀現象及規律，希望探索出新發現，并且該新發現能夠經過各個學科在不同環境條件下的長期實踐檢驗，以及廣泛實際工程應用等，以確認新發現的正確性[2-3]。從人類科學技術研究發展史可以看到[5-14]，人類祖先對未知物質及特性的探索從零開始，不斷發展，自近代以來，人類的科學技術研究有了突飛猛進的、爆炸式的發展，但新的“未來科學問題”不斷呈現[10]。值得指出：人類的祖先（如原始人、猴子、.....、微生物、.....）一直在進行科學探索研究，否則，人類不可能可以不斷地生存、發展壯大而進化成今天的人類。科學探索研究并非（但包括）只是在實驗室中由科技工作者進行......。

值得注意：對全宇宙系統，人類最優的科學探索方法是什么？人類通過什么科學探索研究的技術方法，可以付出最小的代價并最盡快地實現人類自然探索的最終目標？

基于宇宙物質原始自然運行的統一數值算法與數值仿真過程[1]，考慮到在人類的潛意識中對宇宙物質的科學探索研究的最終目標，本文提出人類科學探索研究的最優科學探索技術方法是基于系統數值仿真而對全宇宙物質系統的反設計；同時文中分析了該全宇宙物質的系統反設計方法，結論是該系統反設計可以盡快實現人類科學探索研究的最終目標：占領、控制與自由地使用全部的多維宇宙空間與全部的各種物質；而人類傳統的自然探索研究方法需要人類付出無比巨大的代價、付出太長太長的時間才有可能（但不一定可以）實現人類科學探索研究的最終目標。因此，本文提出的科學探索全宇宙的最優的方法，可以回避掉人類傳統自然探索科學的嚴重缺陷。

2.科學探索全宇宙系統的最優化方法問題的描述

在人類生存的多維空間與現有科技儲備條件下，現代人類對全宇宙系統的科學探索，需要尋找最優的探索方法 ，使得科學探索研究的成果與代價比 達到最大：

（1）

式中， --- 科學探索研究的成果； ---科學探索研究的代價比，包括付出的探索研究時間，人類生存的多位空間的損失； --- 科學探索研究的方法； 依次是時間、3維幾何空間，NS是指空間的維數（NS>4）。

同時，需要滿足以下約束條件：即人類的多維生存空間

（2）

即人類必須有足夠大的NS維生存空間，使人類不僅保持生存狀態，而且可以不斷進行相關的科學探索研究而發展壯大自己。

， 如果 （3）

式中， 是宇宙物質系統的根基底（即全宇宙物質構成及其運行過程與特性，該多維宇宙空間與物質的內部參數， ），是人類科學探索的最終目標； 是人類尋找宇宙物質系統的根基底過程中系統仿真（第k次迭代）產生的物質現象； 是（數字化的）人類積累的知識庫； 是可以接受的系統仿真誤差。

3.全宇宙物質構成及運行過程與特性的數學模型

人類科學探索研究的對象是：完全徹底系統地、準確可靠地、高精度地掌握充滿在全宇宙多維空間中的物質構成及其運行過程與特性，該多維宇宙空間與物質的內部參數， 。因此，需要可以對全宇宙物質進行系統數值仿真，關于系統數值仿真的數學模型，即宇宙物質的構成、物質運行的統一基理及其運行過程的普適性數值算法[1]，現介紹如下：

3.1宇宙物質的構成與運行過程

宇宙空間S是一個NS維的空間，其大小為： ，其中， Ai（i=1，2， ， NS）是第i維空間的大小（A1為時間，A2， A3， A4為三維幾何物理空間，…）。宇宙由一系列（共NMax種）物質基素（物質最底層的基本元素）及其轉變成的物質組合體構成，這些各物質基素單元與（各層次級別的各類）物質組合體之間，以及各層次級別的各類物質組合體之間，是在NS維空間中作不停的運動，并且相互不停地（分解與組合）轉變，該相互轉變如圖1所示，各層次級別的各類物質組合體的NS維運動過程如圖2所示，多維運動過程中物質體的邏輯關系如圖3所示，前面的眾多種類的大量現象是后面一個現象的條件，后面的一個現象是前面眾多個種類的大量現象共同協同對抗產生的結果。

宇宙物質的NS維對抗運行過程與形成的構成，遵循宇宙物質運行的統一基理，詳細運行過程的結果可由宇宙物質運行過程的普適性數值算法作數值仿真獲得。

3.2宇宙物質運行過程的普適性數值算法

基于宇宙物質運行統一基理體系[2][3]，在一個NS維空間區域 中，宇宙物質運行統一的普適性數值算法 Universal為：

（4）

式中，宇宙物質普適性算法 Universal具有以下功能：輸入宇宙空間維數與大小以及充滿在其中的物質的基底參數，以及指定的一個宇宙子空間，等；經過 Universal的運行（即：全部宇宙物質的NS維對抗運行）。全部宇宙物質基素單元的NS維運動之后，輸出在NS維全宇宙空間中，表現為無窮無盡（巨大數量）的、奧妙無窮的、無奇不有的、……現象。

宇宙物質運行統一的普適性數值算法 Universal的具體詳細的數學描述，數值仿真的數學表達，全程計算步驟，數值仿真計算流程圖，等等，參見文獻[1]。

具體的輸入如下：

（1）宇宙空間的維數為NS維。

（2）各維宇宙空間大小：A1為時間，A2， A3， A4為三維幾何空間，…，第NS維空間，構成NS維空間S。

（3）宇宙物質基素信息：①在NS維空間全區域中，存在NMax種類（系列）的宇宙物質基素單元，各類具有不同的特征功能與數量，如第k類物質基素存在Nk，Max個單元（k=1，2， …， NMax）；②在宇宙空間全區域中總共存在 種類基素，全部種類基素單元總數 ；③內部參數： 是物質基素單元 的內部參數；④約束條件：各種類物質基素單元的內部參數約束函數 ；⑤各種類物質基素單元的功能運動方程 ，第k類物質基素，k=1，2， …， BMax，第i個物質基素單元；⑥物質基素控制量 ；⑦基素單元的性能指標 為追求掌控最大的NS維空間（及充滿在其中的全部物質）。

（4）指定一個NS維子空間區域 。

具體的輸出如下（在全宇宙 維空間中）：

（1）全部物質體的總體信息：①全部物質組合體級別的總數 。②全部物質組合體級別各種類的總數 。③全部各級別種類物質組合體的總數 。

（2）各種物質體（基素單元與物質組合體）的詳細信息：①全部各種類物質基素單元的狀態 ，全部各級別種類物質組合體的狀態 [在NS維空間中的參數，如時間、三維空間、…，（包括相互之間的導數，即速度，等等）]。② 物質組合體運動方程。③（所導出的）該物質體的一序列的概念及概念性參數【如：約束條件（物質基素單元或組合體的狀態變量約束函數 、控制對策約束函數 、性能指標約束函數 ），運動方程，子性能指標，…】。④各種物質基素的不同單元、與各層次各種類的不同物質組合體的性能指標P= ，如物質體所占據的NS維空間，如（人類在不同條件下可以觀測到的）物質體形狀隨著NS維空間的變化，以及這形狀在不同條件下觀測到的結果不一樣，等等。⑤各種物質基素單元與物質組合體的控制量 。⑥ 是物質相互作用特性方程， 是（在該物質系統所在的 維宇宙空間 區域內）各級別各種類物質組合體對周圍物質（如對物質基素單元 ）的作用特性現象，如物質體的各種特性：各種作用力，如“萬有”引力、磁場力、電作用力、等等；物質體的形狀；…。⑦各物質體所在更高級別的一些物質組合體，以及該物質體的組成（由較低級別物質體，…，物質基素單元）。⑧各物質體在 維運動過程中的分解與重新組合。⑨不同級別層次、不同種類的眾多物質組合體分別采用各自的對策 追求各自的性能指標 達最優。

（3）針對一個指定的 維子空間區域 ，存在的物質體，可觀察的現象信息：①總共存在 種類（系列）宇宙物質基素，各種基素分別存在 個單元；②在該子空間 中，所存在的物質組合體級別的總數 ，物質組合體級別各種類的總數 ，各級別種類物質組合體的總數 ，各種類物質基素單元的狀態 ，各級別種類物質組合體的狀態 ，等等。

4.人類科學探索全宇宙物質系統的最優方法是：基于超大系統-云-并行數字仿真的系統反設計

科學探索研究的方法 起源于人類祖先發源的地球及其附近的多維空間，“優化計算”到現在， 的選取是非常規的、“非科學的無稽之談”，主要技術方法是超大系統數值仿真，最后獲得宇宙物質最底層的基素時，再進行實物物理實驗作驗證，宇宙物質反設計的流程如圖4所示。

人類探索到宇宙物質的最底層的基素及其各種特性，可以直接接近基素單元法：宇宙物質基底的系統反設計數值仿真方案，宇宙物質的系統反設計數值仿真優化計算方法與步驟是：

第0步：整理人類長期探索宇宙物質所積累的巨大的、全部各種類學科領域中所知的全部現象、概念、原理等知識庫 ，將該巨大知識庫 全面系統地整理成數字化表達；

第1步：猜想而設立宇宙物質基素單元及其內部特性參數、運動方程等的初始方案 ，（k=0）；

第2步：采用 與宇宙物質的數學模型，進行超大系統-云-并行數值仿真，生成不同層次、不同種類、數量巨大的物質及其運動現象，該仿真結果 以數字化形式表達；

第3步：將仿真結果 與巨大知識庫 進行比較，并計算比較誤差，如果比較誤差很大（不可接受），則進入以下第4步，否則（即仿真計算誤差可以接受）進入以下第5步，這里指出，采用系統數值仿真方法進行宇宙物質系統的反設計仿真，如圖3中從宇宙物質基底人類可以理解的現象的過程中，反設計仿真不考慮中間仿真結果（即物質結構及其運行的現象等）是否正確，而只考慮人類已經積累的膨大的知識庫（即與該知識庫作與比較，如圖4所示）；

第4步：基于系統仿真結果誤差，迭代修改物質基素單元及其運動方程的方案 ，再轉入第2步；

第5步：已經獲得最優的宇宙物質的系統反設計數值仿真結果 ，進行物理實驗，作最終的驗證。

基于本文提出的宇宙物質基素、宇宙物質運行的統一基理與物質自然運行的普適性數值算法，以及人類長期探索宇宙物質所積累的巨大的學科原理等知識庫（這些即是宇宙物質的系統數值仿真反設計的條件），采用圖4所示的宇宙物質反設計方法，經過超大規模系統并行-云-仿真計算，直接探索發現宇宙物質的最底層的基素及其內部特性參數、運動方程等。最后進行物理實驗，驗證在反設計過程中生成的且人類無法想象猜測的物質現象：物質的組成結構、在宇宙的分布、各種物質形式、層次種類、各種類物質運動現象及其規律，等等，進行最終的驗證。

5.超大系統數字仿真進行全宇宙物質系統反設計的優點

宇宙物質的反設計的系統并行-云仿真研究方案與人類傳統的傳統自然探索科學方法相比，人類傳統的自然探索科學方法不是探索全宇宙系統基底的最優科學探索方法[1-4]，而采用超大系統數字仿真避免了歷時上億年的人類傳統自然探索科學方法的缺陷，是現在最優的方案，體現在：

5.1全局大范圍進行宇宙物質的尋根探索，所付出的成本代價很小，探索研究的速度很快

宇宙物質系統基底探索所需付出的代價很小，主要需要數以千計萬計的計算機進行超大系統-云-并行數字仿真，以及各個專業的研發人員等將人類積累的知識庫數值化；如果采用傳統科學探索方法，只是從人類自身生存環境出發，“摸著石頭過河”，想盡一切辦法“獲得一個歷史性驚人重大突破的新發現，再更深入探索多步”地靠近宇宙物質系統基底，所付出的成本代價太大太大……太大。

顯然，“一步一批物理實驗室”將付出巨大巨大的代價，付出太長太長的時間，即 太大；而采用全宇宙物質系統的全局最高精度數值仿真反設計，需要成千上萬臺計算機與各個專業的研發者，這些成本代價是很微小，系統數值仿真幾年就可能出一些結果，探索研究的速度是“快的離譜”，即 。避免了“人類沿著傳統科學研究路徑進行下去，人類可能不能滿足約束條件（2）式”。

另外，由宇宙物質系統仿真產生的因果關系邏輯圖（如文獻[1]中圖3）可知，采用物質反設計系統數值仿真方法可以“胡思亂想地”、“答非所問地”、……“不符合邏輯地”、“偷換概念地”假設宇宙物質的最底層根基 ，存在一定的可能性探索到全宇宙物質基底。

5.2全局大范圍進行宇宙物質的尋根探索，效率極高，探索不是無止境的，可行性很強：人類已經到了結束宇宙無窮無盡探索的沖刺階段

傳統自然探索科學尋找宇宙物質基底過程中，付出無比巨大的多維代價，經過“無窮無盡的”探索，取得了大量的“歷史性、驚人的重大新發現”等時，才探索向前走了一小步，并且大量的“一小步”在全局中都可能是無效的。與人類傳統自然探索科學方法相比，宇宙物質的反設計系統仿真過程中將出現“無窮無盡的”、“無奇不有的”、“不符合科學原理的”、“不合邏輯的”、“不可思議不可想象的”、……、“可以想象的”、“符合科學原理的”現象，因此，這個超大規模系統-云-并行數字仿真是效率極高的，探索不是無止境的；同時實現該宇宙物質的反設計，所需的人力、物力等并不多，是可行性很強的，因此，全局大范圍進行宇宙物質的尋根探索，宇宙物質的反設計系統仿真研究方案是一個可行的方案。

因此，基于超大規模系統-云-并行數字仿真的宇宙物質反設計系統仿真研究方法，是全局大范圍進行宇宙物質的尋根探索的全局最優的方法 ，將獲得最優效果 ，并能夠容易滿足約束條件（2）與（3）式。

總之，基于現代人類計算機技術，人類積累的知識庫以及宇宙物質的反設計方法，人類現在已經到了尋找到宇宙物質基底的時候了，即人類已經到了結束宇宙無窮無盡探索的沖刺階段。

6.采用超大系統數字仿真進行科學探索全宇宙系統時存在的問題

6.1可能還需要更多的宇宙物質的反設計的標本，有可能得出的一些結果，現代科學不能解釋

在宇宙物質的反設計系統仿真過程中將出現“無窮無盡的”、“無奇不有的”、……、“符合科學原理的”現象 ，在這些無數的多維現象中，如果可以尋找到一群現象與人類積累的知識庫 完全重合，這就可能是反設計的系統仿真成功（即滿足約束條件（3）式）；如果可以尋找到一群現象 與人類積累的知識庫 基本重合，即一些是完全重合，另一些是現代科學不能解釋，這可能是反設計的系統仿真成功嗎？是否一定要等待現代科學探索到這些不能解釋現象與規律，才能說明反設計的系統仿真成功了，而現代科學探索到這些現象與規律，是要付出太長的時間與太大的代價 等。

6.2宇宙物質的反設計是超大系統-云-并行數字仿真，數字仿真量太大-太大-…-太大

宇宙物質的反設計是超大系統-云-并行數字仿真，一個系統仿真反設計組就需要成千上萬臺計算機來進行，即使是很多系統仿真反設計組同時來進行宇宙物質系統的反設計，也不一定會很快反設計成功，數字仿真量太大-太大-…-太大，但在這個宇宙物質的反設計的超大系統-云-并行數字仿真過程中，探索是有止境的，有待我們去嘗試。

7.結論

基于人類科學研究的歷史與現狀，以及宇宙物質結構組成及其運行的統一基理，基于超大規模系統-云-并行數字仿真，本文給出了全宇宙物質系統反設計的數值仿真算法（包括仿真步驟以及流程圖），通過與人類自然探索科學發展歷史與現狀的比較分析，認為該基于并行-云-數字系統仿真的全宇宙物質系統反設計數值仿真算法是科學探索全宇宙物質系統基底的最優方法，是全宇宙中第一優工程。

該基于超大規模系統-云-并行數字仿真而進行全宇宙物質系統基底反設計，其優越性主要體現在：①探索速度很快，超大規模系統-云-并行數字仿真幾年內就可以獲得一些不太正確的（臨時迭代）宇宙物質系統基底仿真結果，以供系統仿真反設計迭代；②宇宙物質系統基底的探索效率很高，科學探索不是無止境的，雖然反設計迭代過程中的臨時迭代結果不對，但人類無法想象與猜測的、現代最先進設備無法觀測的物質也可能被仿真出來，避免了人類上億年形成的人類特色自然探索方法的缺陷；③宇宙物質系統基底探索所需付出的代價很小，主要需要數以千計萬計的計算機，以及各個專業的研發人員等，明顯優越于人類傳統自然科學探索方法，即可以想象到的就可不擇手段地探索，并且“一步一批實驗室”，因而，全宇宙物質反設計是探索全宇宙系統基底的最優科學探索方法。

因此，未來人類科學探索研究的發展方向，是進行宇宙物質基底系統反設計的云-并行數字仿真。建議人類未來的科學探索研究的技術與方法是：基于我們人類長期科學研究取得并積累的巨大而臨時有效的因果關系知識庫，以及宇宙物質構造組成及其原始物質運行的普適性數值算法，進行宇宙物質基底的系統反設計，尋找到宇宙物質的最根基要素，即實現人類科學探索研究的最終目標：占領、控制與自由地使用全部的多維宇宙空間與全部各種物質；不需要任何科學探索，不需要任何科技創新。

人類已經到了結束在宇宙中進行無窮無盡探索的沖刺階段，該宇宙探索的沖刺階段是全宇宙物質系統反設計，這是人類針對全宇宙的第一優工程。

參考文獻

[1]南英，丁全心，陳哨東，等，基于自然數值算法的眾多飛行器軌跡一體化全局優化設計，中國科學：技術科學，2013，43（6）： 636 ～ 659

[2]Nan Ying， Methodologies on Scientific Researches： An Overview and Future Direction， International Journal of Engineering Technology， Dec. 2013， Vol：13 No：06.

[3]南英，人類特色的科學探索研究：總結與未來方向，科技縱覽，2014，No：184：88～100.

[4]Nan Ying， Methodologies on Scientific Researches： Traditional Nature Sciences Are Unoptimizable Methodologies to Explore Whole Universe， International Journal of Scientific and Statistical Computing， 2014， Vol：5， ISSUE 1.

[5]Andrew Robinson， The Scientists - An Epic of Discovery， Thames and Hudson， 2012

[6]Michael Frieldman， History and Philosophy of Science in A New Key[J]， ISIS， Vol 99， March 2008： 125-134

[7]宋健，中國科學技術回顧與展望，中國科學技術出版社，2003年12月

[8]路甬祥，中國近現代科學的回顧與展望，自然科學史研究，第21卷，第3期，2002年： 193-209

[9]王鴻生，世界科學技術史，中國人民大學出版社，2003年8月

[10]What we don't know： 125 questions， Science Vol.309， No.5731， 1 July 2005， pp.75-102

[11]Biju Dharmapalan， Scientific Research Methodology， Alpha Science International Limited ， 2012

[12]欒玉廣，自然科學技術研究方法，中國科學技術大學出版社，2010年9月

[13]陳其榮，曹志平著，科學基礎方法論：自然科學與人文社會科學方法論比較研究，復旦大學出版社，2005年10月

[14]王樹恩，科學技術論與科學技術創新方法論，南開大學出版社，2001年9月