Войти
Вычислительная физика - это исследование и реализация численного анализа для решения задач в физике, для которых количественная теория уже существует. Исторически вычислительная физика была первым применением современных компьютеров в науке, и теперь она является подмножеством вычислительной науки.
. Иногда ее рассматривают как субдисциплину (или ответвление) теоретической физики, но другие считают его промежуточным звеном между теоретической и экспериментальной физикой - областью исследований, дополняющей теорию и эксперимент.
Репрезентация мультидисциплинарной природы вычислительной физики как в качестве пересечения физики, прикладной математики и информатики, так и в качестве моста между ними. В физике различные теории, основанные на математических моделях, обеспечивают очень точные предсказания поведения систем. К сожалению, часто бывает так, что решение математической модели для конкретной системы для получения полезного прогноза невозможно. Это может произойти, например, когда решение не имеет выражения в закрытой форме или слишком сложно. В таких случаях требуются численные приближения. Вычислительная физика является предметом, который имеет дело с этими численными приближениями: приближение решения записывается как конечное (и обычно большое) количество простых математических операций (алгоритм ), и компьютер используется для их выполнения. операций и вычислить приближенное решение и соответствующую ошибку.
Существуют споры о статусе вычислений в рамках научного метода.
Иногда это рассматривается как нечто большее сродни теоретической физике; некоторые другие рассматривают компьютерное моделирование как «компьютерные эксперименты », а третьи считают его промежуточным или другим разделом между теоретической и экспериментальной физикой, третьим способом, дополняющим теорию и эксперимент. Хотя компьютеры можно использовать в экспериментах для измерения и записи (и хранения) данных, это явно не является вычислительным подходом.
Проблемы вычислительной физики в целом очень трудно решить точно. Это происходит по нескольким (математическим) причинам: отсутствие алгебраической и / или аналитической разрешимости, сложность и хаос.
Например, - даже очевидно простые задачи, такие как вычисление волновой функции электрона, вращающегося вокруг атома в сильном электрическом поле (Эффект Штарка ), могут потребоваться большие усилия, чтобы сформулировать практический алгоритм (если он может быть найден); могут потребоваться другие более грубые методы или методы грубой силы, такие как графические методы или поиск корня. С более продвинутой стороны также иногда используется математическая теория возмущений (работа для этого конкретного примера показана здесь ).
Кроме того, вычислительные затраты и вычислительная сложность для задач многих тел (и их классических аналогов ) имеют свойство быстро расти. Макроскопическая система обычно имеет размер порядка 
Наконец, многие физические системы в лучшем случае нелинейны по своей природе, а в худшем хаотичны : это означает, что может быть трудно гарантировать, что любые числовые ошибки не увеличиваются до точка превращения "решения" в бесполезное.
Поскольку вычислительная физика использует широкий класс задач, ее обычно делят между различными математическими задачами, которые она решает численно, или методами это применимо. Между ними можно рассмотреть:
Все эти методы (и несколько других) используются для расчета физических свойств моделируемых систем.
Вычислительная физика также заимствует ряд идей из вычислительной химии - например, теория функционала плотности, используемая Вычислительная физика твердого тела для расчета свойств твердых тел в основном такая же, как и у химиков для расчета свойств молекул.
Кроме того, вычисления физика включает в себя настройку программного обеспечения / аппаратную структуру для решения проблем (поскольку проблемы обычно могут быть очень большими, в требуется вычислительная мощность или в запросы памяти ).
Можно найти соответствующую вычислительную ветвь для каждой основной области физики, например, вычислительная механика и вычислительная электродинамика. Вычислительная механика состоит из вычислительной гидродинамики (CFD), вычислительной механики твердого тела и вычислительной контактной механики. Одним из подполей на стыке CFD и электромагнитного моделирования является вычислительная магнитогидродинамика. Квантовая проблема многих тел естественным образом ведет к большой и быстрорастущей области вычислительной химии.
Вычислительная физика твердого тела - очень важный раздел вычислительной физики, имеющий непосредственное отношение к материаловедению.
Область, связанная с вычислительным конденсированным веществом, - это вычислительная статистическая механика, которая занимается моделированием моделей и теорий (таких как перколяция и спиновые модели ), которые иначе решить сложно. Вычислительная статистическая физика широко использует методы, подобные Монте-Карло. В более широком смысле (в частности, посредством использования агентного моделирования и клеточных автоматов ) он также занимается (и находит применение с помощью своих методов) в социальных науках., теория сетей и математические модели распространения болезней (в первую очередь, Модель SIR ) и распространения лесных пожаров.
С более эзотерической стороны, числовая теория относительности - (относительно) новая область, заинтересованная в поиске численных решений полевых уравнений общей (и специальной) теории относительности, а вычислительная физика элементарных частиц занимается проблемами, мотивированными физикой элементарных частиц.
Вычислительная астрофизика - это применение этих методов и методов к астрофизическим проблемам и явлениям.
- это раздел биофизики и самой вычислительной биологии, применяющий методы информатики и физики для решения больших сложных биологических проблем.
В связи с широким классом задач, с которыми сталкивается вычислительная физика, это важный компонент современных исследований в различных областях физики, а именно: физика ускорителей, астрофизика, механика жидкости (вычислительная гидродинамика ), теория поля на решетке / теория калибровочной решетки (особенно решеточная квантовая хромодинамика ), физика плазмы (см. моделирование плазмы ), моделирование физических систем (например, молекулярная динамика ), ядерная инженерия компьютерные коды, прогноз структуры белка, прогноз погоды, физика твердого тела, физика мягкого конденсированного состояния, физика сверхскоростных столкновений и т. д..
Вычислительная физика твердого тела, например, использует теорию функционала плотности для расчета свойств твердых тел, метод, аналогичный тому, который используют химики для изучения молекул. Другие величины, представляющие интерес для физики твердого тела, такие как электронная зонная структура, магнитные свойства и плотности заряда, могут быть рассчитаны этим и несколькими методами, включая метод Латтинджера-Кона / kp и ab-initio методы.
 | На Викискладе есть материалы, связанные с Вычислительной физикой. |
