Определение
Calculation Physics (English: ComputationalPhysics) is a discipline that studies how to use numerical methods to analyze physical problems that can be quantified. Historically, calculating physics is the first application of a computer; calculating physics is considered to calculate the scientific branch.
Изчислителната физика понякога се счита за отраслова дисциплина или подпроблем, който е теоретичната физика, но също така се смята, че изчислителната физическа и теоретичната физика и експерименталната физика са близки и относително независими и са третият по големина клон на физиката.
Заден план
Във физиката се изисква теорията на различни математически модели и поведението на системите, описани в тези теории, може да бъде дадено точно описание. За съжаление, много проблеми не могат да бъдат решени точно (т.е. аналитично) или процесът на търсене на точност е твърде сложен. (Например проблеми с много тела в класическата механика. В квантовата механика повечето от проблемите са приблизително приближени.) Понастоящем численото приближение ще се използва за решаване на такива проблеми. Изчислителната физика е такава числена приблизителна дисциплина, която използва ограничена стъпка на изчисление (често голямо количество изчисление) и прост математически метод (алгоритъм), използващ компютърна операция, изчисляване, за получаване на съответните приблизителни решения и съответната грешка на приближението.
Изчислете състоянието на физиката във физиката. Понякога се смята за важен инструмент за теоретичната физика, понякога като „компютърен експеримент“, а някои хора смятат, че трябва да се разглежда в трети клон на физиката между теоретичната физика и експерименталната физика. Като се има предвид, че компютърът се прилага и за записване на експериментални данни и извършва съответен анализ, той може да не бъде адекватно класифициран като компютърна наука.
Проблем и предизвикателство
Дори ако се използва физическият метод на изчисление, физическите проблеми често са трудни за решаване. Това обикновено се причинява от следните (математически) причини: липса на съответни алгоритми, невъзможност за извършване на съответен анализ, сложност и хаотични явления за числени решения. Например решение на електронната вълнова функция в ефекта на Старк (квантовата механика, когато атомите са в силни електрически полета, електронното поведение ще се промени съответно), ще се нуждае от много сложен алгоритъм за решаване (може да го реши само част от ситуацията); Някои проблеми трябва да използват алгоритъма за насилствено изчисление или висока сложност на сложност, като например решаване и графични методи за сложни уравнения. Понякога също е необходимо да се използва интрамидизмът в математиката (като теорията на смущенията в квантовата механика) за приблизително решаване, като ефекта на Старк, споменат по-горе.
В допълнение, решението на много проблеми в квантовата теория е под формата на индекс, а численото му решение също така генерира експлозия на индекса; в допълнение, макросистемата има тенденция да има брой молекулни числа от 1 величина и подобрява изчислението на симулацията. Трудност.
И накрая, много физически системи обикновено са нелинейни, дори хаотични. Това също ни затруднява да определим дали "решението", получено от компютъра, е причинено от апроксимационната грешка на самата апроксимация на стойността.
Метод и алгоритъм
Тъй като изчислителната физика може да бъде изучавана е много обширна, хората, обикновено класифицирани според тяхното решение или използвани математически методи, обикновено могат да бъдат класифицирани, както следва:
| Mathematical Problem | Algorithm or Method Example | Physical Problem | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Calculation of the integration | numerical integral or Monte Carlo points | Solving position, field superimposed | Solution of the normal differential equation | Longge - Kutta method (initial value problem), target method (boundary value problem) | Classical mechanism in the classic mechanics, multi-body problem |
| Defial Equation Solution | Differential Method, Finite Element Analysis and Pseudo - spectrum | Wave Problem, Transportation Problem, Static Ball Problem, Convection / TD> | |||
| Matrix Solution | Matrix Analysis related methods, such as accurate diameter, density matrix reorganization group | Quantum Mechanical System Solving Evasive Values and Solution of this Sproduction | |||
| Multi-Series Random Events | Monte Carlo Method | Molecular Dynamics, Plasma Dynamics Equation |
Тези методи се използват за изследване на физическите свойства на системата за моделиране.
Физиката на изчисленията често се влияе от изчислителната химия, като например физиците на твърдото тяло използват функционалната теория на плътността, за да изучават физичните свойства на твърдите тела, а химиците, изучаващи молекулярното поведение, са основно последователни.
В допълнение, изчисляването на изследванията по физика също изисква съответен софтуер и хардуер за поддръжка и понякога изисква свързана техническа поддръжка за суперкомпютри и операции с висока производителност. Например, суперкомпютър се използва за симулиране на поведението на плазмата при изследване на топлинния ядрен синтез.
Клон и кръст
Почти всички основни клонове на физиката могат да намерят място в изчислителната физика, като изчисляване, изчисляване на електрическа механика, изчисляване на плазма и т.н. Изчислителната механика също се изчислява чрез изчисляване на механика на флуидите (CFD), изчислителна механика на твърдо тяло и изчисляване на контактна механика. А изчисляването на механиката на течностите и изчисляването на електродинамиката също допринася за изчисляването на физиката на магнитора. В проблема с N-тялото на квантовата механика, когато N се доближи до безкрайност, това се превръща в изчислен химически проблем. Като изчислена физика на твърдото тяло на физическия важен клон, тя се прилага директно към материалознанието.
Клон, свързан с изчисляването на характеристиките на кондензирания материал, се нарича изчислителна статистика и някои проблеми, които са трудни за решаване с други методи (като пропускателна филтрация, магнитно въртене и др.).
Изчислете физиката на рода и техниките и методите за проблема с физиката на бетекс.
Приложение
се използва главно за решаване на проблема с изчислителната физика, а приложението на съвременните физични изследвания е важна част от съвременните физични изследвания. Като: Физика на ускорителя, Физика на Земята, Механика на флуидите (Включени: Изчислителна механика на цветята), Теория на кристалното поле / Теория на спецификацията на точките на мрежата (особено квантова моторика на живи точки), плазма (вижте: симулация на плазма), симулационна физическа система (приложена в молекулно динамика), прогнозиране на структурата на протеини, физика на твърдото тяло, меки вещества и много други области на физиката.
Изчислителната химия във физиката на твърдото тяло, като функционал на плътността, изчисляване на характеристиките на твърдите вещества, е стратегия за изучаване на физичните свойства на твърдите молекули чрез изследване на изчислителната химическа концепция и участие в други големи количества физически изчисления на твърди вещества. Друг пример е структурата и магнитните свойства на електронната енергия и плътността на заряда може да се изчисли чрез тези методи, включително Lujing Galchen-model / k · p scrart теория и от изчисление на главата.
Приложение software
Calculation Physical Common Software is mainly numerical computing software such as MATLAB, and Mathematica and Maple, which provides a large number of tools that are commonly described frequently, for use directly. application. Common advanced languages can also achieve the same computing function, sometimes capable of completing tasks at a higher speed, but this also requires corresponding programming skills and calculating physical knowledge.