浅论计算机与物理学的交叉..doc

浅论计算机与物理学的交叉 摘要：本文主要介绍了计算机对物理学研究、教学方面的影响，主要包括计算物理学的应用、非线性动力学中三体问题等。同时也介绍了物理学对于计算科学发展的作用。 0.绪论 自上世纪40年代第一台现代意义上的计算机问世以来，计算科学开始迅速发展壮大，逐渐发展出了一套完整的研究体系。计算机对于计算科学的意义，正如同望远镜对于天文学研究的意义。然而，计算机与望远镜的不同之处在于，望远镜离开了天文学便失去了他的研究价值，但计算机却在各个学科的研究中都有着及其重要的作用。 计算机与其他学科的交叉影响可以大致的划分为直接影响与间接影响两类。 0.1直接影响 计算机对于学科研究的直接影响是最为直观而且效果最为突出的影响。对于基础学科研究而言，计算机的使用大大缩短了研究时间，简化了研究的步骤，甚至直接降低了研究难度。比如，在物理或化学研究中，计算机可以提供一系列强大的数学工具求解繁杂的公式，使研究人员可以从数学运算中抽离出来，把精力放在专业问题上。出了这些通用的数学工具，计算机也提供了一种更加直观的工具，比如在分子蛋白质的研究中，软件RASMOL提供了非常直观的3D模型，使研究人员可以非常直观而具体的观察蛋白质分子。出了上述这些，对于物理与化学这样的基础实验学科，计算机提供了一个快捷而又精确的数据处理平台，使得人们可以迅速的在大量数据中发现规律。 0.2间接影响 所谓计算机对其他学科的间接影响主要是指对于其他学科教学与大众宣传的影响。由于计算机可以提供更加直观，具体的形象，使得大众或者学生可以远离那些抽象的概念，有利于科学的普及，也有利于培养下一代研究人员。 除了上述影响外，还有一个非常重要的影响在于可以促进其他的学科交叉。由于不用学科的研究人员存在着知识上的不同，使得他们之间的合作收到阻碍。计算机的直观性可以使不同学科之间的交叉变得更加容易。即使是在同一个学科，不同的研究方向也可以借助计算机来进行直观的说明。 间接影响中的另一方面是大众宣传。其实计算机所做的已经不仅仅是宣传，而是将普通大众带入到科学实验中去。从最初的SETI@Home为科学数据处理提供空余的计算能力，到后来的Foldit@Home中直接参与到蛋白质分子结构的可能组建中。计算机与网络，以及现今提倡的“云”概念，使得科学与大众之间的界限逐渐缩小，越来越多的人可以为实验做出自己的贡献。 1.计算机对物理学的影响 1.0概述 物理学是一个古老的学科，她是以实验为基础，以理论为目标。计算机对物理的影响很大一部分属于应用层次，计算机大大简化了物理研究中繁杂的数据处理，使研究人员可以更加快速的发现不同数据的关联，建立一套合适的理论。同时，计算机有可以在理论研究中为研究人员提供一套合适的模拟程序来代替现实中一些难以实现的实验。比如当前美国的核试验中绝大多数已经由计算机模拟代替，而不是进行真实的核试验。 现代物理学研究中最广为人知的应是前不久的LHC计划，在该计划中有着世界上最庞大的超级计算机系统。记录大型强子对撞机进行的每项大试验的数据，每年大约足够刻10亿张双面DVD光盘。据估计，大型强子对撞机的寿命是15年。为了让世界各地的数千名科学家在未来15年内通力合作，分析这些数据，分布在世界各地的好几万台电脑将利用一种被称作网格的分散式计算网实施研究工作。世界各地的数千名科学家都希望了解并分析这些数据。为了解决这个问题，目前欧洲粒子物理研究所(CERN)正在建一个分散的计算和数据储存设施——大型强子对撞机计算网格(LCG)。大型强子对撞机实验产生的数据，将通过欧洲粒子物理研究所记录在磁带进行原始文件备份后，再分发到世界各地。经过初始加工，这种数据将被传送到可为大量数据提供充足储存空间的一系列大型计算机中心，这些计算机中心一天二十四小时不停地为大型强子对撞机计算网格提供服务。经过这些计算机中心的处理，其他设备就可使用这些数据了，其他的设备每个都有一个或几个实施特殊分析任务的联合计算机中心组成。每个科学家可通过大学部门的局域网或个人电脑了解这些设备，这些人可能会经常查看大型强子对撞机计算网格。 可以想象，如果没有计算机，这样一个庞大的合作实验便难以如此快捷的实现，人们不得不在数据处理上花费大量的时间。 当然，计算机对物理学的研究不仅仅是应用层次，计算科学的研究思想对于物理学的研究也有着很大的参考价值。但下面，我们主要从应用层次介绍关于计算机对物理学研究的影响。 1.1计算机对物理学研究影响的应用层次 1.1.1通用影响 图1. MatLab中的绘制图形 计算机在物理学各个研究方向都能产生的影响成为通用影响。通用影响主要是在数据处理与数值计算上的影响。在这两个方面，当前计算机提供了功能强大的软硬件系统帮助研究人员迅速的获得需要的结果。比如最为人们熟知的M