Määritelmä
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.
Laskennallista fysiikkaa pidetään joskus teoreettisen fysiikan tieteenalana tai osa-ongelmana, mutta uskotaan myös, että fysiikan ja teoreettisen fysiikan laskeminen ja kokeellinen fysiikka ovat läheisiä ja suhteellisen itsenäisiä, on fysiikan kolmanneksi suurin haara.
Tausta
Fysiikassa tarvitaan erilaisten matemaattisten mallien teoriaa, ja näissä teorioissa kuvattujen järjestelmien käyttäytymistä voidaan kuvata tarkasti. Valitettavasti monia ongelmia ei voida ratkaista tarkasti (eli analyyttisesti), tai tarkkuuden etsiminen on liian monimutkaista. (Esimerkiksi klassisen mekaniikan monikappaletehtävät. Kvanttimekaniikassa suurin osa on likimääräistä approksimaatiota.) Tällä hetkellä tällaisten ongelmien ratkaisemiseen käytetään numeerista approksimaatiota. Laskennallinen fysiikka on sellainen numeerinen likimääräinen tieteenala, joka käyttää rajoitettua laskentavaihetta (usein suuri määrä laskentaa) ja yksinkertaista matemaattista menetelmää (algoritmia) käyttämällä tietokoneen toimintaa, laskemista, saadakseen vastaavat likimääräiset ratkaisut ja vastaavat Approksimaatiovirhe.
Laske fysiikan tila fysiikassa. Joskus sitä pidetään tärkeänä teoreettisen fysiikan työkaluna, joskus "tietokonekokeena", ja jotkut ajattelevat, että se nähdään kolmannella fysiikan haaralla teoreettisen fysiikan ja kokeellisen fysiikan välissä. Ottaen huomioon, että tietokonetta käytetään myös kokeellisen tiedon tallentamiseen ja se suorittaa vastaavan analyysin, sitä ei ehkä voida luokitella riittävästi laskennalliseksi tieteeksi.
Ongelma ja haaste
Vaikka fyysistä laskentamenetelmää käytettäisiin, fyysisiä ongelmia on usein vaikea ratkaista. Tämä johtuu yleensä seuraavista (matemaattisista) syistä: vastaavien algoritmien puute, kyvyttömyys suorittaa vastaavaa analyysiä, monimutkaisuus ja kaoottiset ilmiöt numeerisille ratkaisuille. Esimerkiksi elektronisen aaltofunktion ratkaisu Stark-ilmiössä (kvanttimekaniikka, kun atomit ovat voimakkaissa sähkökentissä, elektroninen käyttäytyminen muuttuu vastaavasti), tarvitsee erittäin monimutkaisen algoritmin ratkaistakseen (voi ratkaista sen vain osa tilannetta); Joissakin ongelmissa on käytettävä algoritmia rajuihin laskelmiin tai monimutkaisiin monimutkaisiin tehtäviin, kuten monimutkaisten yhtälöiden ratkaisemiseen ja graafisiin menetelmiin. Joskus on myös tarpeen käyttää matematiikan intramidismia (kuten kvanttimekaniikan häiriöteoriaa) likimääräiseen ratkaisuun, kuten edellä mainittu Stark-ilmiö.
Lisäksi monien kvanttiongelmien ratkaisu on indeksin muodossa, ja sen numeerinen ratkaisu tuottaa myös vastaavasti indeksiräjähdyksen; lisäksi makrojärjestelmällä on taipumus olla 1 magnitudin molekyylilukuja ja se parantaa simulaatiolaskentaa. Vaikeus.
Lopuksi monet fyysiset järjestelmät ovat normaalisti epälineaarisia, jopa kaoottisia. Tämän vuoksi meidän on myös vaikea määrittää, johtuuko tietokoneen saama "ratkaisu" itse arvon approksimaatiovirheestä.
Menetelmä ja algoritmi
Koska laskennallista fysiikkaa voidaan opiskella erittäin laajasti, ihmiset yleensä luokitellaan ratkaisunsa tai käytettyjen matemaattisten menetelmien mukaan, yleensä voidaan luokitella seuraavasti:
| 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 |
Näitä menetelmiä käytetään mallinnusjärjestelmän fysikaalisten ominaisuuksien tutkimiseen.
Laskentafysiikkaan vaikuttaa usein laskennallinen kemia, kuten kiintoainefyysikot käyttävät tiheysfunktionaalista teoriaa kiinteiden aineiden fysikaalisten ominaisuuksien tutkimiseen, ja kemisti tutkii molekyylien käyttäytymistä periaatteessa johdonmukaisesti.
Lisäksi fysiikan tutkimuksen laskeminen vaatii tukeakseen myös vastaavia ohjelmistoja ja laitteistoja, ja joskus niihin liittyvää teknistä tukea supertietokoneille ja korkean suorituskyvyn toiminnalle. Supertietokonetta käytetään esimerkiksi plasman käyttäytymisen simuloimiseen termisen ydinfuusion tutkimuksessa.
Haara ja risti
Laskennallisessa fysiikassa löytyy paikkansa lähes kaikille fysiikan päähaareille, kuten laskentaan, sähkömekaniikan laskemiseen, plasman laskemiseen jne. Laskennallista mekaniikkaa lasketaan myös laskemalla nestemekaniikkaa (CFD), laskennallista solid-mekaniikkaa ja laskemalla kosketusmekaniikkaa. Ja nestemekaniikan ja sähködynamiikan laskeminen myötävaikuttaa myös magnetorefysiikan laskemiseen. Kvanttimekaniikan N-kappaleongelmassa, kun N on lähellä ääretöntä, siitä tulee laskennallinen kemiallinen ongelma. Fysikaalisen tärkeän alan laskennallisena kiinteänä fysiikkana sitä sovelletaan suoraan materiaalitieteeseen.
Kondensoidun materiaalin ominaisuuksien laskemiseen liittyvää haaraa kutsutaan laskentatilastoksi, ja eräitä ongelmia, joita on vaikea ratkaista muilla menetelmillä (kuten transmissiivinen suodatus, magneettispin jne.).
Laske suvun fysiikka sekä betex-fysiikan ongelman tekniikat ja menetelmät.
Sovellus
Sitä käytetään pääasiassa laskennallisen fysiikan ongelman ratkaisemiseen, ja nykyaikaisen fysiikan tutkimuksen soveltaminen on tärkeä osa nykyaikaista fysiikan tutkimusta. Kuten: kiihdytinfysiikka, maan fysiikka, nestemekaniikka (sisältyy: laskentakukkamekaniikka), kristallikenttäteoria / verkkopisteen määrittelyteoria (erityisesti elävän pisteen kvanttimotoriikka), plasma (katso: plasmasimulaatio), simulaatiofysikaalinen järjestelmä (sovellettu molekyylissä) dynamiikka), proteiinirakenteen ennustaminen, kiintoainefysiikka, pehmeät aineet ja monet muut fysiikan osa-alueet.
Kiinteiden aineiden fysiikassa laskennallinen kemia, kuten tiheysfunktionaali, kiinteiden aineiden ominaisuuksien laskeminen, on strategia, jossa tutkitaan kiinteiden molekyylien fysikaalisia ominaisuuksia laskennallisen kemiallisen käsitetutkimuksen avulla ja osallistutaan muihin suuriin kiintoainemääriin. Toinen esimerkki on elektronienergian rakenne ja magneettiset ominaisuudet, ja varaustiheys voidaan laskea näillä menetelmillä, mukaan lukien Lujing Galchen-malli / k · p scart teoria ja pään laskeminen.
Sovellus 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.