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计算物理课件合辑-中国科技大学
计算物理
Computational Physics
第一章 绪 论
§1.1 什么是计算物理?
物理学有几大门类?
传统物理学分为理论物理与试验物理
两大分支
理论物理
实验物理
计算物理???
理论物理是分析的科学,它从一系列的基本原理和基
本假设出发,列出相应的数学方程,运用传统的或现在的
数学方法求出问题的显式解析解,用这些解析解的结论去
解释物理现象,预见新的现象,指导实验。
实验物理是从实验观测出发,发现新的物理现象,为
理论物理提供总结新的物理规律的素材,检验理论物理的
假设或理论物理预言的正确程度和适用范围等
计算物理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。
是以电子计算机为工具、采用数学方法解
决物理问题的应用科学。
是物理、数学和计算机三者相结合的产物。
计算物理中的“计算” ,不是上物理课做习题
时进行的那种简单计算;不是用古典的数学物理
方法来完成的计算;
而是运用计算机对复杂的物理问题所进行的
数值计算或模拟实验(模拟物理过程,研究物理
规律,检验理论预测的正确性,核实实验数据的
可靠性等等),从而探索和发现新的物理规律。
现在流行的数学工具软件,如Maple,
Matlab,Mathematica,已将绝大多数数值计算方
法设计成简单的函数,经简单的调用就可得出结
果。但由于实际问题具体特性的复杂性以及算法
自身的适用范围决定了应用中必须选择和设计适
合于自己所要解决的特定问题的算法,因而掌握
数值计算方法的思想和内容是必须的
§1.2 计算物理的起源、形成与发展
传统的物理学:理论物理,实验物理,都离不
开数值计算,如海王星的发现及其轨道计算就是一
个典型例子。
但早期的计算仅使用人力或简单的计算工具,
其功能和效率都极其有限。这种计算不能成为一个
学科分支。
牛顿力学方程只有二体问题是可解得,三体以
上的问题折磨了全世界许多优秀的数学家和理论物
理学家,仍然没有解析解。
量子力学的薛定谔方程,除了氢原子和简谐振
子外没有一个真实的物理问题可以找到解析解。
20世纪40年代初,在由于战争的需要开始了核
武器研制。涉及的问题:流体动力学过程、核反应
过程、中子输运过程、光辐射输运过程、物态变化
过程等;都是十分复杂的非线性方程组,不可能用
传统的解析方法求解。
由于需要在短时间内进行大量复杂的数值计
算,从而促使了计算机的延生和新物理学科的形成。
1944年,世界上第一台“ 自动序列受控计算
机Mark I制成,主要部件是继电器,速度仅每
秒3次加法。在美国原子弹研制中起了重要作用。
1946年初,世界上第一台电子管计算机ENLAC投
入运行,速度为每秒5000次加法。
电子计算机的出现,为计算物理奠定了物质基
础。
费米 (Fermi 1901-1954):美籍意大利物理
学家,对统计物理、原子物理、原子核物理、粒子
物理、中子物理都有重要贡献。由于中子核反应的
发现,1938年获得诺贝尔物理学奖。
费米是20世纪上半叶国际上最有才华的科学家
之一,在第二次世界大战期间,他领导建设了第一
个实现原子核链锁裂变的反应堆。
战后费米对计算机发生兴趣,经常去访问Los
Alamos ,这个地方一直拥有世界上最强大的计算能
力。他和乌勒姆(S. Ulerm),巴斯塔(J. Pasta)等
人讨论计算机的未来应用。他首先想到的是研究非
线性系统长时间行为和大尺度性质 (这是用解析方
法无法处理的问题),并于1952年夏天设计了一个
计算机实验,一年后,在当时用来进行氢弹设计的
MANIAC计算机上实现。
1954年11月,费米逝世,他的合作者继续
工作,于1955年5月写出Los Alamos 研究报告
LA-1940。这篇秘密报告历经多年、解密后被正
式收入《费米全集》。这篇具有重大意义的报
告,被许多人认为是计算物理的正式起点,因
为它提出了许多问题,带来了当时谁也未曾想
到的重大发展。
从此,物理问题的计算与计算机相互促进,开
始蓬勃发展。
1950年,全世界还只有15台计算机,
到1962年9月,仅美国就有了16817台。
现在的计算机不计其数!
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