Definizione
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.
La fisica computazionale è talvolta considerata una disciplina branca o un sottoproblema che è la fisica teorica, ma si ritiene anche che il calcolo della fisica fisica e teorica e della fisica sperimentale sia vicina e relativamente indipendente, sia il terzo ramo più grande della fisica.
Sfondo
In fisica è richiesta la teoria di vari modelli matematici e si può dare una descrizione accurata del comportamento dei sistemi descritti in queste teorie. Sfortunatamente, molti problemi non possono essere risolti accuratamente (ad esempio, analitici) o il processo di ricerca della precisione è troppo complicato. (Ad esempio, problemi a più corpi nella meccanica classica. Nella meccanica quantistica, la maggior parte dei problemi è di approssimazione approssimativa.) In questo momento, l'approssimazione numerica verrà utilizzata per risolvere tali problemi. La fisica computazionale è una disciplina così approssimata numerica, che utilizza un passaggio di calcolo limitato (spesso una grande quantità di calcolo) e un semplice metodo matematico (algoritmo), utilizzando il funzionamento del computer, il calcolo, per ottenere soluzioni approssimative corrispondenti e il corrispondente errore di approssimazione.
Calcolare lo stato della fisica nella fisica. A volte è considerato uno strumento importante per la fisica teorica, a volte come un "esperimento al computer", e alcuni pensano che sia da vedere in un terzo ramo della fisica tra fisica teorica e fisica sperimentale. Considerando che il computer viene applicato anche alla registrazione di dati sperimentali ed esegue analisi corrispondenti, potrebbe non essere adeguatamente classificato come scienza computazionale.
Problema e sfida
Anche se viene utilizzato il metodo fisico di calcolo, i problemi fisici sono spesso difficili da risolvere. Ciò è solitamente causato dai seguenti motivi (matematici): mancanza di algoritmi corrispondenti, impossibilità di eseguire analisi corrispondenti, complessità e fenomeni caotici per soluzioni numeriche. Ad esempio, la soluzione della funzione dell'onda elettronica in Stark Effect (meccanica quantistica, quando gli atomi si trovano in forti campi elettrici, il comportamento elettronico cambierà di conseguenza), avrà bisogno di un algoritmo molto complesso da risolvere (può risolverlo solo una parte della situazione); Alcuni problemi, devono utilizzare l'algoritmo per il calcolo violento o di complessità elevata, come la risoluzione e metodi grafici per equazioni complesse. A volte è anche necessario utilizzare l'intramidismo in matematica (come la teoria delle perturbazioni nella meccanica quantistica) per risolvere approssimativamente, come l'effetto Stark menzionato sopra.
Inoltre, la soluzione di molti problemi in quantistica è sotto forma di un indice, e la sua soluzione numerica genera anche un'esplosione dell'indice di conseguenza; inoltre, il macrosistema tende ad avere un numero di numeri molecolari di 1 magnitudine e migliora il calcolo della simulazione. Difficoltà.
Infine, molti sistemi fisici sono normalmente non lineari, persino caotici. Questo ci rende anche difficile stabilire se la "soluzione" ottenuta dal computer sia causata dall'errore di approssimazione dell'approssimazione del valore stesso.
Metodo e algoritmo
Poiché la fisica computazionale può essere studiata è molto ampia, le persone solitamente classificate in base alla loro soluzione o ai metodi matematici utilizzati, generalmente possono essere classificate come segue:
| 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 |
Questi metodi vengono utilizzati per studiare le proprietà fisiche del sistema di modellazione.
La fisica del calcolo è spesso influenzata dalla chimica computazionale, ad esempio i fisici solidi usano la teoria del funzionale della densità per studiare le proprietà fisiche dei solidi e il comportamento molecolare dello studio chimico è sostanzialmente coerente.
Inoltre, il calcolo della ricerca fisica richiede anche il supporto di software e hardware corrispondenti e talvolta richiede il relativo supporto tecnico per supercomputer e operazioni ad alte prestazioni. Ad esempio, un super computer viene utilizzato per simulare il comportamento del plasma nello studio della fusione termica nucleare.
Ramo e Croce
Quasi tutti i rami principali della fisica possono trovare posto nella fisica computazionale, come il calcolo, il calcolo della meccanica elettrica, il calcolo del plasma, ecc. E il calcolo della meccanica dei fluidi e il calcolo dell'elettrodinamica contribuiscono anche al calcolo della fisica del magnetore. Nel problema N-corpo della meccanica quantistica, quando N si avvicina all'infinito, diventa un problema chimico calcolato. In quanto fisica solida calcolata del ramo fisico importante, viene applicata direttamente alla scienza dei materiali.
Un ramo associato al calcolo delle caratteristiche del materiale condensato è chiamato statistica di calcolo e alcuni problemi difficili da risolvere con altri metodi (come la filtrazione trasmissiva, lo spin magnetico, ecc.).
Calcolare la fisica del genere e le tecniche ei metodi per il problema della fisica del betex.
Applicazione
viene utilizzato principalmente per risolvere il problema della fisica informatica e l'applicazione della ricerca fisica moderna è una parte importante della ricerca fisica moderna. Come: Fisica dell'acceleratore, Fisica della Terra, Meccanica dei fluidi (inclusa: Meccanica del fiore di calcolo), Teoria del campo cristallino / Teoria della specificazione del punto della griglia (In particolare Motorizzazione quantistica dei punti vivi), Plasma (Vedi: Simulazione del plasma), Sistema fisico di simulazione (applicato in molecolare dinamica), previsione della struttura delle proteine, fisica dei solidi, sostanze molli e molte altre aree della fisica.
La chimica computazionale nella fisica dei solidi, come un funzionale di densità, il calcolo delle caratteristiche dei solidi, è una strategia per studiare le proprietà fisiche delle molecole solide mediante la ricerca di concetti chimici di calcolo e la partecipazione ad altre grandi quantità di calcolo della fisica dei solidi. Un altro esempio è la struttura e le proprietà magnetiche dell'energia elettronica, e la densità di carica può essere calcolata con questi metodi, incluso il modello di Lujing Galchen / teoria k · p scarart e dal calcolo della testa.
Applicazione 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.