Definice
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.
Výpočetní fyzika je někdy považována za oborovou disciplínu nebo dílčí problém, kterým je teoretická fyzika, ale také se věří, že výpočetní fyzikální a teoretická fyzika a experimentální fyzika jsou si blízké a relativně nezávislé, což je třetí největší odvětví fyziky.
Pozadí
Ve fyzice je vyžadována teorie různých matematických modelů a chování systémů popsaných v těchto teoriích lze přesně popsat. Bohužel mnoho problémů nelze přesně vyřešit (tj. analyticky), nebo je proces hledání přesnosti příliš komplikovaný. (Například problémy s více tělesy v klasické mechanice. V kvantové mechanice se většina problémů přibližně přibližuje.) V současné době bude k řešení takových problémů sloužit numerická aproximace. Výpočetní fyzika je taková numericky přibližná disciplína, která využívá omezený výpočetní krok (často velké množství výpočtů) a jednoduchou matematickou metodu (algoritmus), využívající ovládání počítače, počítání, k získání odpovídajících přibližných řešení a odpovídající aproximační chyby.
Vypočítejte postavení fyziky ve fyzice. Někdy je považován za důležitý nástroj pro teoretickou fyziku, někdy za „počítačový experiment“ a někteří lidé si myslí, že je vidět ve třetí fyzikální větvi mezi teoretickou fyzikou a experimentální fyzikou. Vzhledem k tomu, že počítač se také používá k záznamu experimentálních dat a provádí odpovídající analýzu, nemusí být adekvátně klasifikován jako výpočetní věda.
Problém a výzva
I když se použije výpočetní fyzikální metoda, fyzikální problémy jsou často obtížně řešitelné. To je obvykle způsobeno následujícími (matematickými) důvody: nedostatek odpovídajících algoritmů, neschopnost provést odpovídající analýzu, složitost a chaotické jevy pro numerická řešení. Například řešení elektronické vlnové funkce ve Starkově jevu (kvantová mechanika, když jsou atomy v silných elektrických polích, chování elektroniky se odpovídajícím způsobem změní), bude k řešení potřebovat velmi složitý algoritmus (může jej vyřešit pouze jako část situace); Některé problémy musí použít algoritmus pro násilné výpočty nebo vysokou složitost složitosti, jako je řešení a grafické metody pro složité rovnice. Někdy je také nutné použít intramidismus v matematice (jako je teorie poruch v kvantové mechanice) k přibližnému řešení, jako je výše zmíněný Starkův jev.
Kromě toho je řešení mnoha problémů v kvantech ve formě indexu a jeho numerické řešení také podle toho generuje indexovou explozi; kromě toho má makrosystém tendenci mít počet molekulových čísel o velikosti 1 a zlepšuje simulační výpočty. Obtížnost.
Konečně, mnoho fyzických systémů je normálně nelineárních, dokonce chaotických. To nám také ztěžuje určení, zda „řešení“ získané počítačem je způsobeno aproximační chybou samotné aproximace hodnoty.
Metoda a algoritmus
Vzhledem k tomu, že výpočetní fyzika může být studována je velmi rozsáhlá, lidé jsou obvykle klasifikováni podle jejich řešení nebo použitých matematických metod, obecně mohou být klasifikováni takto:
| 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 |
Tyto metody se používají ke studiu fyzikálních vlastností modelovacího systému.
Fyzika výpočtů je často ovlivněna výpočetní chemií, například fyzici pevných látek používají teorii funkcionálu hustoty ke studiu fyzikálních vlastností pevných látek a chemik studující molekulární chování je v zásadě konzistentní.
Výpočetní fyzikální výzkum navíc vyžaduje odpovídající podporu softwaru a hardwaru a někdy vyžaduje související technickou podporu pro superpočítače a vysoce výkonné operace. Například superpočítač se používá k simulaci chování plazmatu při studiu tepelné jaderné fúze.
Větev a kříž
Téměř všechny hlavní obory fyziky mohou najít své místo ve výpočetní fyzice, jako je výpočet, výpočetní elektrická mechanika, výpočet plazmatu atd. Výpočetní mechanika se také počítá pomocí výpočtů mechaniky tekutin (CFD), výpočetní mechaniky pevných látek a výpočtů kontaktní mechaniky. A výpočet mechaniky tekutin a výpočet elektrodynamiky také přispívá k výpočtu magnetorové fyziky. V kvantové mechanice problému N-těla, když se N blíží nekonečnu, stává se vypočítaným chemickým problémem. Jako vypočítaná fyzika pevných látek ve fyzikálním důležitém oboru je přímo aplikována na materiálovou vědu.
Větev související s výpočtem charakteristik zhuštěného materiálu se nazývá statistika výpočtu a některé problémy, které se obtížně řeší jinými metodami (jako je transmisní filtrace, magnetické spiny atd.).
Vypočítejte rodovou fyziku a techniky a metody pro problém fyziky betexu.
aplikace
se používá především k řešení problému výpočetní fyziky a aplikace moderního fyzikálního výzkumu je důležitou součástí moderního fyzikálního výzkumu. Například: Fyzika urychlovače, Fyzika Země, Mechanika tekutin (zahrnuto: Výpočetní květinová mechanika), Teorie krystalového pole / Teorie specifikace bodů mřížky (zejména kvantová motorika živého bodu), Plazma (Viz: Simulace plazmy), Simulační fyzikální systém (aplikovaný v molekulárních dynamika), predikce struktury proteinů, fyzika pevných látek, měkkých látek a mnoho dalších oblastí fyziky.
Výpočetní chemie ve fyzice pevných látek, jako je funkcionál hustoty, vypočítávající charakteristiky pevných látek, je strategií studia fyzikálních vlastností molekul pevných látek pomocí výpočetního výzkumu chemické koncepce a účasti na dalších velkých množstvích výpočtů fyziky pevných látek. Dalším příkladem je struktura a magnetické vlastnosti elektronické energie a hustota náboje může být vypočtena těmito metodami, včetně Lujing Galchen-model / k · p scrart teorie a z výpočtu hlavy.
aplikace 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.