الفيزياء الحسابية

📅 آخر تحديث: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 8 صور
الموسوعة الحرة
الفيزياء الحسابية
الإمكانات
ديناميكا الموائع
طرق مونت كارلو
جسيم
Scientists
  • v
  • t
  • e

الفيزياء الحاسوبية هي دراسة وتنفيذ التحليل العددي لحل المشكلات في الفيزياء . [1] تاريخيًا، كانت الفيزياء الحاسوبية أول تطبيق لأجهزة الكمبيوتر الحديثة في العلوم، وهي الآن جزء من العلوم الحاسوبية . يُنظر إليها أحيانًا على أنها فرع فرعي (أو فرع) من الفيزياء النظرية ، لكن البعض الآخر يعتبرها فرعًا وسيطًا بين الفيزياء النظرية والتجريبية - مجال دراسة يكمل كل من النظرية والتجربة. [2]

ملخص

تمثيل الطبيعة المتعددة التخصصات للفيزياء الحاسوبية باعتبارها تداخلًا بين الفيزياء والرياضيات التطبيقية وعلوم الكمبيوتر وكجسر بينهم [3]

في الفيزياء، تقدم النظريات المختلفة القائمة على النماذج الرياضية تنبؤات دقيقة للغاية حول كيفية تصرف الأنظمة. لسوء الحظ، غالبًا ما يكون حل النموذج الرياضي لنظام معين من أجل إنتاج تنبؤ مفيد غير ممكن. يمكن أن يحدث هذا، على سبيل المثال، عندما لا يحتوي الحل على تعبير مغلق الشكل ، أو يكون معقدًا للغاية. في مثل هذه الحالات، تكون التقريبات العددية مطلوبة. الفيزياء الحسابية هي الموضوع الذي يتعامل مع هذه التقريبات العددية: يُكتب تقريب الحل كعدد محدود (وعادةً كبير) من العمليات الرياضية البسيطة ( الخوارزمية )، ويُستخدم الكمبيوتر لإجراء هذه العمليات وحساب حل تقريبي والخطأ المقابل . [ 1]

الحالة في الفيزياء

هناك جدال حول وضع الحوسبة ضمن المنهج العلمي. [4] في بعض الأحيان يُنظر إليها على أنها أقرب إلى الفيزياء النظرية؛ ويعتبر البعض الآخر المحاكاة الحاسوبية " تجارب حاسوبية "، [4] ومع ذلك، لا يزال آخرون يعتبرونها فرعًا وسيطًا أو مختلفًا بين الفيزياء النظرية والتجريبية ، وهي طريقة ثالثة تكمل النظرية والتجربة. في حين يمكن استخدام أجهزة الكمبيوتر في التجارب لقياس وتسجيل (وتخزين) البيانات، فمن الواضح أن هذا لا يشكل نهجًا حاسوبيًا.

التحديات في الفيزياء الحاسوبية

إن مشاكل الفيزياء الحسابية يصعب حلها بشكل دقيق بشكل عام. ويرجع هذا إلى عدة أسباب (رياضية): عدم القدرة على الحل الجبري و/أو التحليلي، والتعقيد ، والفوضى. على سبيل المثال، حتى المشاكل البسيطة ظاهريًا، مثل حساب دالة الموجة للإلكترون الذي يدور حول ذرة في مجال كهربائي قوي ( تأثير ستارك )، قد تتطلب جهدًا كبيرًا لصياغة خوارزمية عملية (إذا كان من الممكن العثور عليها)؛ قد تكون هناك حاجة إلى تقنيات أخرى أكثر بدائية أو قوة غاشمة، مثل الأساليب الرسومية أو إيجاد الجذر . على الجانب الأكثر تقدمًا، تُستخدم أيضًا نظرية الاضطرابات الرياضية في بعض الأحيان (يظهر عمل لهذا المثال المعين هنا ). بالإضافة إلى ذلك، تميل التكلفة الحسابية والتعقيد الحسابي لمشاكل الأجسام المتعددة (ونظيراتها الكلاسيكية ) إلى النمو بسرعة. عادةً ما يكون حجم النظام العياني من رتبة الجسيمات المكونة، لذا فهو يمثل مشكلة إلى حد ما. إن حل المشكلات الميكانيكية الكمومية يكون بشكل عام من الدرجة الأسية في حجم النظام [5] وبالنسبة للجسم الكلاسيكي N يكون من الدرجة N مربع. وأخيرًا، فإن العديد من الأنظمة الفيزيائية غير خطية بطبيعتها في أفضل الأحوال، وفي أسوأ الأحوال فوضوية : وهذا يعني أنه قد يكون من الصعب ضمان عدم تزايد أي أخطاء عددية إلى الحد الذي يجعل "الحل" عديم الفائدة. [6]

الأساليب والخوارزميات

نظرًا لأن الفيزياء الحسابية تستخدم فئة واسعة من المشكلات، فإنها تنقسم عمومًا بين المشكلات الرياضية المختلفة التي تحلها عدديًا، أو الأساليب التي تطبقها. ومن بينها، يمكننا أن نأخذ في الاعتبار:

يتم استخدام كل هذه الأساليب (والعديد من الأساليب الأخرى) لحساب الخصائص الفيزيائية للأنظمة النموذجية.

تستعير الفيزياء الحاسوبية أيضًا عددًا من الأفكار من الكيمياء الحاسوبية - على سبيل المثال، نظرية الكثافة الوظيفية التي يستخدمها علماء فيزياء الحالة الصلبة الحاسوبية لحساب خصائص المواد الصلبة هي في الأساس نفس النظرية التي يستخدمها الكيميائيون لحساب خصائص الجزيئات.

علاوة على ذلك، تشمل الفيزياء الحسابية ضبط بنية البرمجيات / الأجهزة لحل المشكلات (حيث يمكن أن تكون المشكلات عادةً كبيرة جدًا، في احتياجات قوة المعالجة أو في طلبات الذاكرة ).

الأقسام

من الممكن العثور على فرع حسابي مماثل لكل مجال رئيسي في الفيزياء:

التطبيقات

بسبب الفئة الواسعة من المشاكل التي تتعامل معها الفيزياء الحسابية، فهي عنصر أساسي في البحث الحديث في مجالات مختلفة من الفيزياء، وهي: فيزياء المعجلات ، الفيزياء الفلكية ، النظرية النسبية العامة (من خلال النسبية العددية )، ميكانيكا الموائع ( ديناميكيات الموائع الحسابية )، نظرية المجال الشبكي / نظرية مقياس الشبكة (وخاصة كروموديناميكيات الكم الشبكية )، فيزياء البلازما (انظر نمذجة البلازما )، محاكاة الأنظمة الفيزيائية (مثل استخدام ديناميكيات الجزيئات )، أكواد الكمبيوتر للهندسة النووية ، التنبؤ ببنية البروتين ، التنبؤ بالطقس ، فيزياء الحالة الصلبة ، فيزياء المادة المكثفة الناعمة ، فيزياء التأثير فائق السرعة وما إلى ذلك.

على سبيل المثال، تستخدم فيزياء الحالة الصلبة الحسابية نظرية الكثافة الوظيفية لحساب خصائص المواد الصلبة، وهي طريقة مشابهة لتلك التي يستخدمها الكيميائيون لدراسة الجزيئات. يمكن حساب كميات أخرى ذات أهمية في فيزياء الحالة الصلبة، مثل بنية النطاق الإلكتروني والخصائص المغناطيسية وكثافات الشحنة بهذه الطريقة وعدة طرق، بما في ذلك طريقة Luttinger-Kohn / kp وطرق ab-initio .

بالإضافة إلى برامج الفيزياء المتقدمة، هناك أيضًا عدد لا يحصى من أدوات التحليل المتاحة لطلاب الفيزياء المبتدئين مثل برنامج PASCO Capstone.

انظر أيضا

مراجع

  1. ^ أب ثيجسن ، جوس (2007). الفيزياء الحاسوبية . مطبعة جامعة كامبريدج . رقم ISBN  978-0521833462.
  2. ^ لانداو ، روبن هـ. بايز، مانويل ج.؛ بورديانو، كريستيان سي. (2015). الفيزياء الحاسوبية: حل المشكلات باستخدام بايثون. جون وايلي وأولاده .
  3. ^ لاندو، روبين هـ.؛ بايز، خوسيه؛ بورديانو، كريستيان سي. (2011). دراسة استقصائية للفيزياء الحاسوبية: مقدمة في العلوم الحاسوبية. مطبعة جامعة برينستون . رقم ISBN  9780691131375.
  4. ^ ab A molecular dynamics primer Archived 2015-01-11 at the Wayback Machine , فوريو إركوليسي، جامعة أوديني ، إيطاليا. تم أرشفة المقال بصيغة PDF 2015-09-24 at the Wayback Machine .
  5. ^ فاينمان، ريتشارد ب. (1982). "محاكاة الفيزياء باستخدام الحاسبات الآلية". المجلة الدولية للفيزياء النظرية . 21 (6-7): 467-488. رمز المرجع : 1982IJTP...21..467F. doi : 10.1007/bf02650179. ISSN  0020-7748. S2CID  124545445.المقال بصيغة PDF
  6. ^ ساور، تيم؛ جريبوجي، سيلسو؛ يورك، جيمس أ (1997). "إلى متى تظل الحلول الفوضوية العددية صالحة؟". رسائل المراجعة الفيزيائية . 79 (1): 59-62. رمز Bibcode :1997PhRvL..79...59S. doi :10.1103/PhysRevLett.79.59. S2CID  102493915.

قراءة إضافية

تحتوي ويكيميديا ​​كومنز على وسائط متعلقة بـ الفيزياء الحاسوبية .
  • لجنة IUPAP للفيزياء الحاسوبية C20 محفوظ في 15 نوفمبر 2015 على موقع Wayback Machine
  • الجمعية الفيزيائية الأمريكية: قسم الفيزياء الحاسوبية
  • معهد الفيزياء: مجموعة الفيزياء الحاسوبية أرشيف 2015-02-13 على موقع واي باك مشين
  • SciDAC: الاكتشاف العلمي من خلال الحوسبة المتقدمة
  • الفيزياء مفتوحة المصدر
  • إطار عمل البرمجيات العلمية SCINET
  • دورة الفيزياء الحاسوبية مع مقاطع فيديو على اليوتيوب
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Computational_physics&oldid=1249856931"
Original text
Rate this translation
Your feedback will be used to help improve Google Translate