計算物理

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更新時間: 2013-08-02

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計算物理在自然科學研究中的巨大威力的發揮使得人們不再單純地認為它僅是理論物理學家的一個輔助工具,理論是理論物理學家的事,而實驗是實驗物理學家的事,兩者之間不見得有必然的聯繫,但現代的計算機實驗已經在理論和實驗之間建立了很好的橋樑。

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  計算物理學是隨著計算機技術的飛躍進步而不斷發展的一門學科,在藉助各種數值計算方法的基礎上,結合了實驗物理和理論物理學的成果,開拓了人類認識自然界的新方法。
  傳統的觀念認為,理論是理論物理學家的事,而實驗是實驗物理學家的事,兩者之間不見得有必然的聯繫,但現代的計算機實驗已經在理論和實驗之間建立了很好的橋樑。一個理論是否正確可以通過計算機模擬並於實驗結果進行定量的比較加以驗證,而實驗中的物理過程也可通過模擬加以理解。
  當今,計算物理學在自然科學研究中的巨大威力的發揮使得人們不再單純地認為它僅是理論物理學家的一個輔助工具,更廣泛意義上,實驗物理學、理論物理學和計算物理學已經步入一個三強鼎立的「三國時代」,它們以不同的研究方式來逼近自然規律。計算機數值模擬可以作為探索自然規律的一個很好的工具,其理由是,純理論不能完全描述自然可能產生的複雜現象,很多現象不是那麼容易地通過理論方程加以預見。
  說明這個觀點的一個最好的例子是,20 世紀50 年代初,統計物理學中的一個熱點問題是,一個僅有強短程排斥力而無任何相互吸引力的球形粒子體系能否形成晶體。計算機模擬確認了這種體系有一階凝固相變,但在當時人們難於置信,在1957 年一次由15 名傑出科學家參加的討論會上,對於形成晶體的可能性,有一半人投票表示不相信。其後的研究工作表明,強排斥力的確決定了簡單液體的結構性質,而吸引力只具有次要的作用。
  另外一個著名的例子是粒子穿過固體時的通道效應就是通過計算機模擬而偶然發現的,當時,在進行模擬入射到晶體中的離子時,一次突然計算似乎陷入了循環無終止地持續了下去,消耗了研究人員的大量計算費用。之後,在仔細研究了過程后,發現此時離子運動方向恰與晶面幾乎一致,離子可以在晶面形成的壁之間反覆進行小角碰撞,只消耗很少的能量。
  因此,計算模擬不僅僅是一個數學工具。作為工具,我們至少知道結果應該如何,哪怕不了解具體過程。

1 計算物理 -清華大學出版社圖書

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