محاسباتي فزیک

محاسباتي فزیک د فزیک برخې اړوند ستونزو د حل لپاره د عددي تجزیې او تحلیل مطالعه او عملي کول دي، چې د هغو لپاره د کمیت اړوند یوه نظریه موجوده ده. له تاریخي پلوه محاسباتي فزیک د علم په برخه کې د عصري کمپیوټرونو لومړۍ کارونه وه، چې اوسمهال د محاسباتي علومو اړوند یوه فرعي برخه ده. ځینې وختونه دا برخه د نظري فزیک د فرعي برخې (یا یوې څانګې) په توګه ګڼل کېږي؛ خو نور یې دا د نظري او تجربوي فزیک ترمنځ منځنۍ څانګه ګڼي - د مطالعې هغه برخه یا ساحه، چې د نظریې او ازمویښت بشپړونکې ده.

بیا کتنه

په فزیک کې بېلابېلې نظریې د ریاضیکي ماډلونو پر بنسټ د سیسټمونو د چلند په هکله ډېرې کره او دقیقې وړاندوینې وړاندې کوي. له بده مرغه تر ډېره بیا، د یوې ګټورې وړاندوینې د تولید په موخه د یو ځانګړي سیسټم لپاره د ریاضیکي ماډل حل کول ناشوني دي. د بیلګې په توګه، کله چې حل لاره یو تړلی عبارت و نه لري، یا ډېر پېچلی وي، نو په داسې حالت کې وړاندوینه کېدای شي او عددي اټکل په کې اړین وي. محاسباتي فزیک هغه موضوع ده، چې له دې عددي اټکلونو سره کار لري؛ د حل لارې اړوند اټکلونه له ساده ریاضیکي عملیاتو (الګوریتم) څخه د محدود (او معمولاً زیات) شمیر په توګه لیکل کېږي او د دې عملیاتو د ترسره کولو او یو اټکلي ځواب او اړوند تیروتنې د محاسبه کولو لپاره له کمپیوټر نه کار اخیستل کېږي.

په فزیک کې حالت

په علمي میتود کې د محاسباتو اړوند وضعیت په هکله بحث موجود دی. ځینې ​​وختونه تر ډېره دا موارد نظري فزیک ته ورته ګڼل کېږي. ځینې نور بیا د کمپیوټر سمون او مشابه کول «کمپیوتري ازمایښتونه» ګڼي؛ خو ځینې نور یې بیا د نظري او تجربوي فزیک ترمنځ منځنۍ برخه بولي، یعنې درېیمه طریقه، چې نظریه او تجربه یا ازمایښت بشپړوي. حال دا چې کمپیوټرونه په ازمایښتونو او تجربو کې د معلوماتو د اندازه کولو او ثبتولو (ذخیره کولو) لپاره کارولای شو. دا په روښانه توګه یو کمپیوټري طریقه یا تګلاره نه جوړوي.

د محاسباتي فزیک ننګونې

د محاسبوي فزیک اړوند ستونزو حلول، په عمومي توګه ډېر سخت او ستونزمن دي. دا د بېلابېلو (ریاضیکي) دلایلو لکه د جبري یا تحلیلي حل اړوند وړتیا نشتوالی، پېچلتیا او ګډوډۍ له امله دی: د بېلګې په توګه ان په ښکاره ډول ساده ستونزې، لکه د الکتروني موج تابع یوه محاسبه، چې په یوه قوي الکتریکي میدان یا سیمه کې د یو اتوم شاوخوا ګرځي (د ستارک اثر)، ښایي له ډېرو هلو ځلو سره د یو عملي الګوریتم ته اړتیا ولري (البته که وکولای شو چې هغه پیدا کړو)؛ نور خام یا brute-force تخنیکونه لکه ګرافیکي یا ریښه موندونکې طریقې اړینې وي. په ډیرې پرمختللې برخې کې د ریاضیاتو د ګډوډۍ نظریه هم ځینې وخت کارول کېږي (د دې ځانګړي مثال لپاره دلته یو کار ښودل شوی دی). سربېره پر دې، د بدن د ډېریو ستونزو لپاره د محاسبوي لګښت او محاسبوي پیچلتیا (او د هغو اړوند لرغوني همکارانو) په چټکۍ سره وده کوي. یو میکروسکوپیک سیسټم معمولاً له (display style 10 ^ {23}) پړاو څخه د تشکیل شویو اجزاو اړوندو ذراتو د ترتیب اندازه لري، له همدې امله یوڅه اندازه ستونزې جوړوونکې دي. د کواتاني میخانیکي ستونزو حلول عموماً د سیسټم د اندازې له نظره د اضافې ترتیب له ډلې دي او د کلاسیک N-body لپاره د N-squared نه ترتیب شوی دی. په پایله کې ډېری فزیکي سیستمونه ذاتاً په غوره حالت کې غیر خطي او په بدترینه حالت کې کړکیچن او ګډوډ دي: دا په دې معنا ده، چې په دې هکله ډاډ ترلاسه کول ستونزمن کار دی، چې عددي تېروتنې تر هغې کچې نه زیاتېږي، چې «حل لاره» په کې نه بې ګټې کېږي.

میتودونه او الګورېتمونه

لکه څنګه چې محاسباتي فزیک د ستونزو اړوند پراخې طبقې نه کار اخلي، په عمومي توګه د بېلابېلو ریاضیکي ستونزو ترمنځ وېشل کېږي، چې په عددي توګه یې حل کوي یا هغه میتودونه چې دا یې پلي کوي. د دوی په منځ کې، لاندې موارد په پام کې نیولای شو:

• د ريښو موندنه (د بېلګې په توګه د نيوټن - رافسون ميتود په کارولو سره)
• د خطي معادلاتو سیستم (د بېلګې په توګه د LU تجزیې په کارولو سره)
• د عادي دیفرانسیل یا توپیرونو معادلې (د بېلګې په توګه د رانګ – کوتا میتودونو په کارولو سره)
• ادغام یا یوپارچه کول (د بېلګې په توګه د رومبرګ او مونت کارلو د ادغام میتود په کارولو سره)
• د جزوی دیفرانسیل یا توپیرونو معادلې (د بېلګې په توګه د محدود توپیر او ارام کولو اړوند میتودونو په کارولو سره)
• د میټریکس د ځانګړې اندازې ستونزه (د بېلګې په توګه د الګوریتم په کارولو سره د جیکوبي ځانګړی ارزښت او د قوت تکرار)

دا ټول میتودونه (او څو نور میتودونه) د ماډل شویو سیسټمونو د فزیکي ځانګړنو محاسبه کولو لپاره کارول کېږي.

محاسباتي فزیک هم یو شمېر نظریې له محاسباتي کیمیا څخه په پور اخیستي ـ د بیلګې په توګه د کثافت اړوند فعاله نظریه چې د محاسباتي جامد حالت فزیک پوهانو په وسیله د جامداتو اړوند ځانګړنو د محاسبه کولو لپاره کارول کیږي، تر ډېره په اساسي توګه همغه نظریه ده، چې د کیمیا پوهانو په وسیله د مالیکولونو اړوند ځانګړنو د محاسبه کولو لپاره کارول کیږي.

سربېره پر دې محاسباتي فزیک د ستونزو حلولو لپاره د سافتویر / هاردویر جوړښت تنظیمول په لړ کې لري. (ځکه چې ستونزې معمولاً د پروسس د اړتیا یا د حافظې د غوښتنو په لړ کې کېدای شي، ډېرې لویې وي).

وېشنې

په فزیک کې د هرې لویې اصلي برخې یا څانګې لپاره یوه اړونده محاسباتي څانګه موندلای شو:

• محاسباتي میکانیک د محاسباتي دینامیکونو اړوند برخو (CFD)، د محاسباتي جامداتو میکانیک او د محاسباتي اړیکو اړوند میکانیکونو څخه جوړ دی.
• محاسباتي الکترودینامیک، له فزیکي اجسامو او چاپیریال سره د الکترو مقناطیسي سیمو د تعامل ماډل کولو بهیر دی. د CFD او الکترومقناطیسي ماډل جوړولو ‎تر منځ برخه کې یوه فرعي برخه محاسباتي مګنتو هیدرو دینامیک دی.
• محاسباتي کیمیا په ډېرې چټکۍ سره وده کوونکې څانګه ده، چې د کوانتمي څو جسمي ستونزې له امله رامنځته شوې ده.
• د جامد محاسباتي حالت فزیک د محاسباتي فزیک یوه ډېره مهمه برخه ده، چې په مستقیمه توګه د موادو له علم سره کار لري.
• احصایوي محاسباتي میکانیک داسې یوه برخه ده، چې متراکمې محاسباتي مادې پورې اړوند ده او د هغو نظریو او ماډلونو (لکه د نفوذ او سپن ماډلونو) د شبیه سازۍ یا سمولو په برخه کې کار کوي، چې له دې پرته یې حلول ستونزمن دي.
• محاسباتي احصایوي فزیک په ډېر شدت د مونت کارلو له میتودونو څخه کار اخلي. په پراخه توګه (په ځانګړې توګه د لامل او سلولي اتوماتیک پر بنسټ د ماډل جوړونې له لارې) د ټولنیزو علومو په برخه کې د ناروغیو د خپرېدو لپاره د شبکې او ریاضیکي ماډلونو نظریه (او د خپلو تخنیکونو په کارولو سره وړتیا پیدا کوي) هم ورته پاملرنه کوي. (په تېره بیا د SIR ماډل) او په ځنګلونو کې د اورلګېدنې خپرېدل. ‎
• عددي نسبیت، نسبتاً یوه نوې ساحه ده، چې د ځانګړي نسبیت او عام نسبیت اړوند ساحوي معادلو لپاره د عددي حل لارو موندلو ته لېوالتیا لري.
• د محاسباتي ذراتو فزیک د ذراتو فزیک په وسیله رامنځته شویو ستونزو اړوند وي.
• محاسباتي نجومي فزیک دا تخنیکونه او میتودونه د نجومي فزیک اړوند ستونزو او پیښو په برخه کې کارول کېږي.
• محاسباتي بایو فزیک په خپله د بایو فزیک او محاسباتي بیولوژۍ یوه څانګه ده، چې د لویو پیچلو بیولوژیکي ستونزو لپاره د کمپیوټري علومو او فزیک برخې اړوند میتودونه کاروي.

د کارولو موارد

د محاسباتي فزیک اړوند ستونزو پراخې طبقې په پام کې نیولو سره، ټولې یې د فزیک په بېلابېلو برخو کې د عصري څېړنو ضروري برخه ده، د بېلګې په توګه د سرعت فزیک، نجومي فزیک، د نسبیت عمومي نظریه (د عددي نسبیت له لارې)، د مایعاتو میخانیک (د محاسباتي مایعاتو دینامیک)، د شبکې د برخې نظریه / د شبکې د اندازې نظریه (په ځانګړې توګه د شبکې د کمیت کرومودینامیک)، د پلازما فزیک (د پلازما ماډلینګ وګورئ)، د فزیکي سیسټمونو انډول برابرول (د بېلګې په توګه د مالیکولي دینامیک په کارولو سره)، د اتومي انجینیرۍ کمپیوټري کوډونه، د پروټین د جوړښت وړاندوینه، د تودوخې او هوا وړاندوینه، د جامد حالت متراکم فزیک، د مادې فزیک، د سرعت د فوق العاده اغېز فزیک او داسې نور...

د بېلګې په توګه د جامد محاسباتي حالت فزیک د کثافت له فعاله نظريې نه د جامداتو اړوند ځانګړنو د محاسبې لپاره کار اخلي، یوه داسې طریقه چې د کیمیا پوهانو په وسیله د مالیکولونو د مطالعې لپاره کارول کېږي. د جامد حالت فزیک په برخه کې نور د خوښې وړ کمیتونه لکه د الکترونیکي بانډ جوړښت، مقناطیسي ځانګړنې او د چارج اړوند کثافت په دې میتود او څو نورو میتودونو د Luttinger-Kohn/k.p میتود او ab-initio میتودونو په وسیله محاسبه کولای شو.