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计算物理学概述 院 － 系： 理学院 物理系 专 业： 物理学 年 级： 2008级 学生姓名： 穆正荣 学 号： 200802050157 导师及职称： 闵琦 副教授 2011年6月 摘要 计算物理学是伴随着电子计算机的出现和发展而逐步形成的一门新兴的边缘学科。它是以电子计算机为工具,应用数学的方法,解决物理问题的应用科学。它是物理、数学和计算机三者结合的产物。计算物理学起 源于第二次世界大战期间美国对核武器的研制,它是由于核科学技术的需要而产生,并且随着电子计算机的发展而发展。现在这门科学已广泛地应用于其他领域。本文就其发展和研究方法，阐述了计算物理在物理学中的重要性和作用，并通过实例进一步加以说明和展示。 关键词：计算物理学；物理学；研究方法 1 引言 计算物理学（Computational Physics）是物理学、数学、计算机科学三者结合的产物，与理论物理和实验物理有着密切的关系。定义为以计算机及计算机技术为工具和手段，运用计算数学的方法，解决复杂的物理现象问题的一门应用型学科。[1] 计算物理学研究如何使用数值方法解决已经存在定量理论的物理问题。在物理学中，大量的问题是无法严格求解的。有的问题是因为计算过于复杂，有的问题则根本就没有解析解。比如，经典力学中，三体以上问题，一般都无法求解。量子力学中，哪怕是单粒子问题，也只有在少数几种简单势场中的运动可以严格求解。因此，在现代物理中，数值计算方法已变得越来越重要。计算物理与理论物理和实验物理相互依存相互补充，是物理学不可缺少的三大板块之一。计算物理常用软件有Matlab,Mathematica和Maple等。[2] 2 计算物理学发展和现状 由于计算方法的深入发展和过去几十年中高速计算机的出现和普及，随着物理学基础理论的进一步突破，物理学家们逐步可以应用一些更严格和更全面的复杂模型，来定量研究实际的复杂体系的物理性质。基于物理学基本原理的数值计算和模拟已经成为将理论物理和实验物理紧密联系在一起的一座重要桥梁：它不仅能够弥补简单的解析理论模型难以完全描述复杂物理现象的不足，而且可以克服实验物理中遇到的许多困难，例如直接模拟实验上不能实现或技术条件要求很高、实验代价昂贵的物理系统等。计算机模拟技术已经渗透到物理学的各个领域，包括凝聚态物理、核物理、粒子物理、天体物理等，导致了计算物理这一新学科的突破性发展和成熟。从20世纪40年代开始，计算物理学家们已经发展了大量新数值方法(如MonteCarlo方法、分子动力学方法、快速Fourier变换等)，由此发现了很多未曾预料到的新现象，并给理论和实验物理学提出了许多新问题。总之，计算物理已成为物理学家揭示多层次复杂体系的物理规律的重要手段，同时也广泛应用于处理实验结果和提出物理解释。对一个成功的物理学家来说，掌握必要的计算物理学知识和手段已变得越来越重要。越来越多的大学已针对将要从事物理学及相关学科研究的研究生和本科生开设了计算物理课程。[2] 在近50年的时间里，计算物理学首先在原子核物理领域获得应用和发展。 与此同时，计算物理学的方法和技巧也迅速地向其他科学领域渗透。在流体力学领域，出现了计算流体力学和计算空气动力学。目前，计算流体力学和计算空气动力学可在超级计算机上模拟复杂几何形状物体的流体运动过程。在材料科学领域，通过理论计算和设计，可以“订做”有特定性能的新材料，这就是计算材料科学和材料设计。在电磁场和微波技术领域，为解决复杂电磁场理论间题和新型雷达工程问题，出现了计算电磁学。闭在物理学的各个相关学科与技术领域，都出现了与计算物理学有关的分支学科。[5] 与此同时，物理学研究中大量计算和仿真的需求，也极大地促进了计算机科学与技术的发展。可以预言，随着光学存储和光计算机、量子晶体和量子计算机等开拓性研究的深人，物理学及相关技术将随着新一代计算机的出现而得到飞速的发展。 3 计算物理学的性质与任务 从原则上说，凡是局部瞬时的物理规律为已知或已被假设，那么要想得到大范围长时间的物理现象的发展过程都可以借助于计算机这一先进工具来实现。具体地说，从局部关系联合成大范围关系依赖于计算机的大存贮量，由瞬时规律发展为长时过程依赖于计算机的高速度。因此在大存贮和快速度的基础上，计算机便能对物理过程起到一种数值模拟的作用。形象化地说：计算物理学是 “用现代化计算机武装起来的”理论物理学和纸上的实验物理学计算物理学与传统的理论物理学和实验物理学三者之间的关系可用右面的图形来表示： 由图所示，计算物理绝不能代替理论物理或实验物理。一个明显的理由是计算物