Computerphysik

In diesem Artikel geht es um Computerwissenschaft, die in der Physik angewendet wird. Für Theorien, die das Universum mit einem Computer vergleichen, siehe Digitale Physik. Für die Untersuchung der grundlegenden physikalischen Grenzen von Computern siehe Physik der Berechnung.

Computerphysik ist die Studie und Umsetzung von numerische Analyse Probleme in Lösung in Physik für was a Quantitative Theorie ist bereits vorhanden.[1] Historisch gesehen war die Computerphysik die erste Anwendung moderner Computer in der Wissenschaft und ist jetzt eine Untergruppe von Computerwissenschaft. Es wird manchmal als Subdisziplin (oder Ableger) von angesehen theoretische Physik, aber andere betrachten es für einen Zwischenzweig zwischen theoretisch und Experimentelle Physik - ein Studienbereich, der sowohl Theorie als auch Experiment ergänzt.[2]

Überblick

Eine Darstellung der multidisziplinären Natur der Computerphysik sowohl als Überschneidung der Physik, angewandte Mathematik als auch als Brücke unter ihnen.[3]

In der Physik anders Theorien Basierend auf mathematischen Modellen liefern sehr genaue Vorhersagen darüber, wie sich Systeme verhalten. Leider ist es häufig der Fall, dass die Lösung des mathematischen Modells für ein bestimmtes System, um eine nützliche Vorhersage zu erzeugen, nicht machbar ist. Dies kann beispielsweise auftreten, wenn die Lösung keine hat Expression geschlossene Form, oder ist zu kompliziert. In solchen Fällen sind numerische Näherungen erforderlich. Computerphysik ist das Thema, das sich mit diesen numerischen Näherungen befasst: Die Annäherung der Lösung wird als endliche (und typisch große) Anzahl einfacher mathematischer Operationen geschrieben (Algorithmus), und ein Computer wird verwendet, um diese Vorgänge auszuführen und eine ungefähre Lösung zu berechnen und entsprechend Error.[1]

Status in der Physik

Es gibt eine Debatte über den Status der Berechnung innerhalb der wissenschaftlichen Methode.[4] Manchmal gilt es als eher der theoretischen Physik; Einige andere betrachten die Computersimulation als "Computerexperimente",",[4] Noch andere betrachten es als Zwischen- oder anderen Zweig zwischen theoretisch und Experimentelle Physik, ein dritter Weg, der Theorie und Experiment ergänzt. Während Computer in Experimenten für die Messung und Aufzeichnung (und Speicherung) von Daten verwendet werden können, ist dies eindeutig keinen rechnerischen Ansatz.

Herausforderungen in der Computerphysik

Die Probleme mit der Computerphysik sind im Allgemeinen sehr schwer zu lösen. Dies ist auf mehrere (mathematische) Gründe zurückzuführen: Mangel an algebraischen und/oder analytischen Solvabilität, Komplexitätund Chaos. Zum Beispiel - sogar anscheinend einfache Probleme, wie die Berechnung des Wellenfunktion eines Elektrons, das ein Atom in einem starken umkreist elektrisches Feld (Starker Effekt), kann große Anstrengungen erfordern, um einen praktischen Algorithmus zu formulieren (falls man gefunden werden kann); Andere Cruder- oder Brute-Force-Techniken, wie z. Grafische Methoden oder Wurzelfindung, wird vielleicht benötigt. Auf der fortgeschritteneren Seite mathematisch Störungstheorie wird auch manchmal verwendet (ein Arbeiten wird für dieses bestimmte Beispiel angezeigt hier). zusätzlich Rechenkosten und Rechenkomplexität zum Viele Körperprobleme (und ihre Klassische Gegenstücke) neigen dazu, schnell zu wachsen. Ein makroskopisches System hat typischerweise eine Größe der Reihenfolge von Teilchen konstituierende Partikel, es ist also ein Problem. Das Lösen von quantenmechanischen Problemen ist im Allgemeinen von Exponentielle Reihenfolge in der Größe des Systems[5] und für klassisches N-Körper ist es von Ordnung N-Quadrat. Schließlich sind viele physikalische Systeme im besten Fall nichtlinear und im schlimmsten Fall chaotisch: Dies bedeutet, dass es schwierig sein kann, jeden zu gewährleisten Numerische Fehler Wachsen Sie nicht so weit, dass die „Lösung“ unbrauchbar wird.[6]

Methoden und Algorithmen

Da die Computerphysik eine breite Klasse von Problemen verwendet, wird sie im Allgemeinen unter den verschiedenen mathematischen Problemen aufgeteilt, die sie numerisch löst, oder die von es angewendeten Methoden. Zwischen ihnen kann man berücksichtigen:

Alle diese Methoden (und mehrere andere) werden verwendet, um die physikalischen Eigenschaften der modellierten Systeme zu berechnen.

Computerphysik leiht sich auch eine Reihe von Ideen aus Computerchemie - Die Dichtefunktionstheorie, die von Physikern der Rechenstatus zur Berechnung der Eigenschaften von Festkörpern verwendet wird, ist beispielsweise dieselbe wie die von Chemikern zur Berechnung der Eigenschaften von Molekülen verwendet.

Darüber hinaus umfasst die Computerphysik die Stimmung des Software/Hardware -Struktur zur Lösung der Probleme (da die Probleme normalerweise sehr groß sein können, in Verarbeitungskraftbedarf oder in Speicheranfragen).

Abteilungen

Es ist möglich, einen entsprechenden Computerzweig für jedes Hauptfeld in der Physik zu finden:

  • Rechenastrophysik ist die Anwendung dieser Techniken und Methoden auf astrophysikalische Probleme und Phänomene.

Anwendungen

Aufgrund der breiten Klasse von Problemen Computerphysik ist ein wesentlicher Bestandteil der modernen Forschung in verschiedenen Bereichen der Physik, nämlich: Beschleunigerphysik, Astrophysik, Allgemeine Theorie der Relativitätstheorie (durch Numerische Relativitätstheorie), Strömungsmechanik (Computerflüssigkeitsdynamik), Gitterfeldtheorie/Gittermesstheorie (besonders Gitterquantenchromodynamik), Plasmaphysik (sehen Plasmamodellierung) simulieren physikalische Systeme (unter Verwendung von z. Molekulare Dynamik), Computercodes für Nuklearetechnik, Proteinstrukturvorhersage, Wettervorhersage, Festkörperphysik, weiche Kondensat Materie Physik, Hyperzeloität Wirkung Physik usw.

Computer -Festkörperphysik zum Beispiel verwendet beispielsweise Dichtefunktionelle Theorie Um die Eigenschaften von Feststoffen zu berechnen, ist eine Methode, die der von Chemikern zur Untersuchung von Molekülen verwendet wird. Andere Größen von Interesse an der Festkörperphysik, wie der elektronischen Bandstruktur, magnetischen Eigenschaften und Ladungsdichten können mit dieser und mehreren Methoden berechnet werden, einschließlich der Luttinger-Kohn/K.P -Methode und Ab-Initio Methoden.

Siehe auch

Verweise

  1. ^ a b Thijssen, Jos (2007). Computerphysik. Cambridge University Press. ISBN 978-0521833462.
  2. ^ Landau, Rubin H.; Páez, Manuel J.; Bordeianu, Cristian C. (2015). Computerphysik: Problemlösung mit Python. John Wiley & Sons.
  3. ^ Landau, Rubin H.; Paez, Jose; Bordeianu, Cristian C. (2011). Eine Übersicht über die Computerphysik: Einführende Computerwissenschaft. Princeton University Press. ISBN 9780691131375.
  4. ^ a b Eine molekulare Dynamik -Primer Archiviert 2015-01-11 bei der Wayback -MaschineFurio Ercolessi, Universität von Udine, Italien. Artikel PDF Archiviert 2015-09-24 bei der Wayback -Maschine.
  5. ^ Feynman, Richard P. (1982). "Physik mit Computern simulieren". Internationales Journal of Theoretical Physics. 21 (6–7): 467–488. Bibcode:1982ijtp ... 21..467f. doi:10.1007/bf02650179. ISSN 0020-7748. S2CID 124545445. Artikel PDF
  6. ^ Sauer, Tim; Grebogi, Celso; Yorke, James A (1997). "Wie lange bleiben numerische chaotische Lösungen gültig?". Physische Überprüfungsbriefe. 79 (1): 59–62. Bibcode:1997Phrvl..79 ... 59s. doi:10.1103/PhysRevlett.79.59. S2CID 102493915.

Weitere Lektüre

Externe Links