基本介紹
- 中文名：計算物理學
- 外文名：Computational physics
- 學科門類：自然科學
- 學科分類：物理學二級學科
- 研究內容：計算機模擬物質複雜作用過程
- 學科套用：物理學、材料學、化學、天文學等
- 代表雜誌：Physical Review Letters
定義,背景,問題與挑戰,方法與算法,分支與交叉,套用,套用軟體,
定義
背景
在物理學中，要求基於各種數學模型的理論，都能夠對這些理論所描述的系統的行為給出精確的描述。不幸的是，很多問題無法得到精確解（即解析解），或求精確解的過程過於複雜。（比如，經典力學中的多體問題。量子力學中，除少數極端近似的大多數問題。）此時，將會使用數值近似的方法來求解這類問題。計算物理學就是這樣一門數值近似的學科，它使用計算有限的計算步數（往往計算量很大）與簡單的數學方法（算法），利用計算機操作、演算，得到相應的近似解與相應的逼近誤差。
計算物理學在物理學中的地位目前存在著爭議。有時候它被視作理論物理的重要工具，有時也被看做一種“計算機實驗”，同時也有人將其看作介於理論物理與實驗物理之間的第三條物理學分支。考慮到計算機也同時被套用於記錄實驗數據並進行相應分析，它也可能不適於被單純地歸類為計算科學。
問題與挑戰
即使使用了計算物理方法，物理問題也時常難以求解。這通常由如下幾個（數學）原因造成：缺少相應算法、無法對數值解進行相應分析、複雜度過高和混沌現象。比如，斯塔克效應現象中電子波函式的求解（量子力學中，當原子處在強電場時，電子行為會發生相應變化），將需要一套很複雜的算法才能求解（目前只能求解其中的一部分情況）；有些問題，則必須使用暴力計算或者時間空間複雜度很高的算法，比如一些複雜方程的求解和圖形化方法。有時也會需要使用數學中的攝動理論（如量子力學中的微擾理論）進行近似求解，比如上面提到的斯塔克效應。
此外，量子力學中很多問題的解是指數形式的，其數值解也會相應地發生指數爆炸；此外，巨觀系統往往具有10數量級的分子個數，也提高了模擬計算的難度。
最後，很多物理系統本質上是非線性的，甚至是混沌的。這也使得我們難以確定計算機得到的“解”是否是由數值近似帶來的逼近誤差本身造成的。
方法與算法
由於計算物理學可以研究的問題十分廣泛，人們通常按照其解決的數學問題或使用的數學方法來分類，一般可歸類如下：
這些方法被用來研究所建模系統的物理特性。
分支與交叉
幾乎所有物理學的主要分支都能在計算物理學的套用中找到一席之地，比如計算力學、計算電動力學、計算電漿等。計算力學又由計算流體力學（CFD）、計算固體力學、計算接觸力學組成。而計算流體力學與計算電動力學又共同促成了計算磁流體力學。量子力學N體問題中，當N趨近於無窮大時就變成了計算化學問題。 作為計算物理重要分支的計算固體物理，又直接套用於材料科學。
一個與計算凝聚態物質特性相關的分支叫做計算統計力學，用於解決其他方法難以解決的一些問題（比如滲透過濾、磁旋等）。
計算天體物理學，乃是對於天體物理學問題所進行的技術與方法。
套用
主要用於解決計算物理學的問題，套用在物理學不同領域皆，現代物理學研究的重要組成部分。如：加速器物理學、天體物理學、流體力學（含：計算流體力學）、晶體場理論/格點規範理論（尤其是格點量子色動力學）、電漿（見：電漿模擬）、模擬物理系統（套用在分子動力學）、蛋白質結構預測、固體物理學、軟物質等諸多物理學之領域。
計算化學在固體物理學，例如用密度泛函理論計算固體的特性，是一種類藉助於計算化學理念研究來研究固體分子的物理特性的策略，以及參與其他大量的固體物理學計算。又如電子能帶結構和磁性能，電荷密度可以通過這幾種方法計算，包括盧京格爾科恩–模型/K·p微擾理論和從頭計算法。
套用軟體
計算物理常用軟體主要為Matlab,和Mathematica和Maple等數值計算軟體，這些軟體提供了大量求解常見計算物理問題的工具，供使用者直接套用。常見的高級語言也可以實現相同的計算功能，有時甚至能夠更高速完成任務，但這也需要相應的編程技巧與計算物理知識作支撐。
