计算物理学

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計算物理學英语Computational physics)是研究如何使用數值方法分析可以量化的物理学問題的学科。[1] 历史上,计算物理学是计算机的第一项应用;目前计算物理学被视为计算科学的分支。[2]

计算物理有时也被视为理论物理的分支学科或子问题,但也有人认为计算物理与理论物理与实验物理联系紧密,又相对独立,是物理学第三大分支[3]

背景[编辑]

在物理學中,要求基于各种数学模型的理论,都能够对这些理论所描述的系统的行为给出精确的描述。不幸的是,很多问题无法得到精确解(即解析解),或求精确解的过程过于复杂。(比如,經典力學中的多体问题。量子力學中,除少数极端近似的大多数问题。)此时,将会使用数值近似的方法来求解这类问题。计算物理学就是这样一门数值近似的学科,它使用计算有限的计算步数(往往计算量很大)与简单的数学方法(算法),利用计算机操作、演算,得到相应的近似解与相应的逼近误差[1]

物理学中的地位[编辑]

计算物理学在物理学中的地位目前存在着争议[4] 。有时候它被视作理论物理的重要工具,有时也被看做一种“计算机实验”[4] ,同时也有人将其看作介于理论物理与实验物理之间的第三条物理学分支。考虑到计算机也同时被应用于记录实验数据并进行相应分析,它也可能不适于被单纯地归类为计算科学。

问题与挑战[编辑]

即使使用了计算物理方法,物理问题也时常难以求解。这通常由如下几个(数学)原因造成:缺少相应算法、无法对数值解进行相应分析、复杂度过高和混沌现象。比如,斯塔克效应现象中电子波函数的求解(量子力学中,当原子处在强电场时,电子行为会发生相应变化),将需要一套很复杂的算法才能求解(目前只能求解其中的一部分情况);有些问题,则必须使用暴力计算或者时间空间复杂度很高的算法,比如一些复杂方程的求解和图形化方法。有时也会需要使用数学中的摄动理论(如量子力学中的微扰理论)进行近似求解,比如上面提到的斯塔克效应。

应用[编辑]

计算物理常用软件主要为Matlab,和MathematicaMaple数值计算软件,这些软件提供了大量求解常见计算物理问题的工具,供使用者直接应用。常见的高级语言也可以实现相同的计算功能,有时甚至能够更高速完成任务,但这也需要相应的编程技巧与计算物理知识作支撑。

常見問題与算法[编辑]

参见[编辑]

参考资料[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 Computational Physics. Cambridge University Press. 2007. ISBN 0521833469. 
  2. ^ A. Tapia, Richard. Computational Science: Tools for a Changing World. http://ceee.rice.edu/Books/CS/index.html. 2001. 
  3. ^ 《计算物理学》 刘金远等 科学出版社 ISBN 978-7-03-034793-0
  4. ^ 4.0 4.1 A molecular dynamics primer, Furio Ercolessi, University of Udine, Italy. Article PDF.


外部鏈接[编辑]

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