Abstracto

Uso de computadoras en física

Stanley R

La física computacional, como rama de la ciencia computacional, es fundamental para los esfuerzos científicos actuales. Es un campo en el que se utilizan supercomputadoras para realizar cálculos basados ??en leyes físicas establecidas y para simular condiciones que son difíciles de lograr con la tecnología existente, o que solo se pueden lograr mediante experimentos, o en las que se deben manejar grandes cantidades de datos experimentales. Los distintos dominios de estudio tienen diferentes demandas de recursos computacionales, pero las aplicaciones de física computacional en general requieren una potencia de ejecución de punto flotante y un ancho de banda de memoria extremadamente altos, por lo que dichos cálculos solo se pueden realizar en clústeres razonablemente grandes. La física computacional es el estudio y la implementación del análisis numérico para resolver problemas en física para los que ya existe una teoría cuantitativa. Históricamente, la física computacional fue la aplicación principal de las computadoras recientes en la ciencia, y ahora es un subconjunto de la ciencia computacional. A veces se la considera una subdisciplina (o rama) de la física teórica, pero otros la consideran una rama intermedia entre la física teórica y la experimental, un ámbito de estudio que complementa tanto la teoría como la experimentación [1]. Los problemas de la física computacional son notoriamente difíciles de resolver con precisión. Esto se debe a una variedad de factores (matemáticos), incluida la ausencia de solubilidad algebraica y/o analítica, la complejidad y el caos. Incluso problemas aparentemente simples, como calcular la función de onda de un electrón que orbita un átomo durante un campo fuerte (efecto Stark), pueden requerir una cantidad significativa de esfuerzo para formular un algoritmo práctico (si es que se puede encontrar uno); también pueden ser necesarias otras técnicas más crudas o de fuerza bruta, como los métodos gráficos o la búsqueda de raíces [2]. En el extremo más avanzado del espectro, ocasionalmente se emplea la teoría de perturbaciones matemáticas. Además, el costo computacional y la complejidad computacional para los problemas de muchos cuerpos (y sus contrapartes clásicas) tienden a crecer rápidamente. Un sistema macroscópico normalmente tiene un tamaño del orden de las partículas constituyentes, por lo que es algo pesado. Resolver problemas de mecánica cuántica normalmente es de orden exponencial dentro del tamaño del sistema y para los N-cuerpos clásicos es de orden N-cuadrado. Finalmente, muchos sistemas físicos son inherentemente no lineales en el mejor de los casos y caóticos en el peor: esto sugiere que a menudo es difícil asegurarse de que los errores numéricos no crezcan hasta el punto de hacer que la "solución" sea inútil. Debido a la amplia clase de problemas que trata la física computacional, es un componente importante de la investigación reciente en varias áreas de la física, a saber: física de aceleradores, astrofísica, hidráulica (dinámica de fluidos computacional), teoría de campos reticulares/teoría de calibres reticulares (especialmente dinámica cuántica de cromo en red), física (ver modelado de plasma), simulación de sistemas físicos (usando, por ejemplo, dinámica molecular), ingeniería de códigos informáticos,predicción de la estructura de proteínas, predicción meteorológica, física del estado sólido, física de la materia condensada blanda, física de impacto a hipervelocidad, etc. La física computacional del estado sólido, por ejemplo, utiliza la teoría funcional de la densidad para calcular las propiedades de los sólidos, una forma casi similar a la empleada por los químicos para revisar las moléculas [3]. Otras cantidades de interés en la física del estado sólido, como la estructura de la banda electrónica, las propiedades magnéticas y las densidades de carga, a menudo se calculan mediante este y otros métodos, incluido el método Luttinger-Kohn/kp y los métodos ab-initio. Para cada tema principal de la física, como la mecánica computacional y la electrodinámica computacional, se puede encontrar una rama computacional correspondiente. La mecánica computacional incluye la dinámica de fluidos computacional (CFD), la mecánica de sólidos (mecánica de sólidos computacional) y la mecánica de contacto computacional (mecánica de contacto computacional). La magnetohidrodinámica computacional es un área en la intersección de la CFD y el modelado electromagnético. El problema de los cuerpos cuánticos conduce naturalmente a la química computacional, un área vasta y en rápida expansión [4]. El software VASP se basa en la teoría de los primeros principios y realiza los cálculos utilizando el enfoque de onda plana pseudopotencial, y se utiliza ampliamente en computación para física del estado sólido, ciencia de los materiales y física de partículas, entre otros campos. Se emplea también en astronomía, geofísica y otros campos, lo que lo convierte en una de las aplicaciones científicas más esenciales. Durante muchos años, Inspur ha llevado a cabo una extensa investigación teórica y algorítmica sobre VASP, obteniendo información valiosa.y otros campos también, lo que la convierte en una de las aplicaciones científicas más esenciales. Durante muchos años, Inspur ha llevado a cabo una amplia investigación teórica y algorítmica sobre VASP, obteniendo información valiosa.y otros campos también, lo que la convierte en una de las aplicaciones científicas más esenciales. Durante muchos años, Inspur ha llevado a cabo una amplia investigación teórica y algorítmica sobre VASP, obteniendo información valiosa.