Computational physics

Computerphysik, auch Computational Physics (CP) oder Computergestützte Physik, ist ein Teilgebiet der Physik, das sich mit der Computersimulation physikalischer Prozesse befasst.

Als Grundlage dienen die Verfahren der numerischen Mathematik. Die Computerphysik befasst sich mit Methoden, die die Ausgangsgleichungen, die ein physikalisches System beschreiben, numerisch oder algebraisch mit dem Computer lösen oder auch mit der Simulation von Regelsystemen, was die Aufstellung von Gleichungen erübrigt. Aufgrund vergleichbarer Verfahren existiert eine enge Beziehung zur Computerchemie, wodurch sie sich sehr stark gegenseitig beeinflussen.

Arbeitsweise

Die computergestützte Physik untersucht physikalische Probleme, die sich in der Regel zwar mit Gleichungen beschreiben lassen, deren Lösung sich aber nicht direkt in einer geschlossenen Formel berechnen lassen. Solche geschlossenen Lösungen existieren nur für sehr wenige idealisierte Systeme (z. B. Keplerproblem, Wasserstoffatom oder zweidimensionale Ising-Modell).

Grundlage jeder Simulation ist ein Modell, das die Wirklichkeit nur im Rahmen gewisser Näherungen beschreibt. Je stärker eine Näherung ist, desto schlechter werden die Lösungen des Modells mit der Realität übereinstimmen. Der Computer dient zur Realisierung des modellierten Systems und zur Messung physikalischer Größen sowie zur Bestimmung der Auswirkungen der Modellparameter. Computergestützte Physik umfasst ggf. auch die Anpassung der Soft- und Hardware an das zu lösende Problem.

Das Spektrum der benötigten Rechenressourcen reicht von einigen Millisekunden auf einfachen PCs bis zu monatelangen Rechnungen auf Großrechnern und Supercomputern.

Beispiele

Anwendungsgebiete

Computergestützten Physik wird inzwischen zur Forschung in nahezu allen Teilgebieten der Physik eingesetzt:

• Quantenfeldtheorie / Gittereichtheorie, z. B. bei der Gitterchromodynamik zur Erforschung der starken Wechselwirkung
• Astrophysik und Kosmologie, z. B. bei der Entstehung des Universums
• Numerische Strömungsmechanik, z. B. bei Simulationen des Luftwiderstandes
• Statistische Physik, z. B. beim Ising- oder XY-Modell
• Plasmaphysik
• Festkörperphysik, z. B. bei Phasenübergängen
• Thermodynamik, z. B. Systeme der kondensierter Materie
• Meteorologie und Klimatologie, z. B. bei Wetter- und Klimasimulationen
• Biophysik, z. B. bei der Simulation von Proteinfaltungen

Problementypen

Viele Computersimulationen physikalischer Systeme lassen sich auf die Lösung der folgenden mathematischen Probleme zurückführen:

• Lösung von Differentialgleichungen
• Lösung von Eigenwert- und Eigenvektor-Problemen
• Matrixinvertierung
• Berechnung von Integralen

Methoden

Zu den gängigsten Methoden der computergestützten Physik zählen:

• Monte-Carlo-Simulation, z. B. mittels des Metropolisalgorithmus
• Molekulardynamik-Simulation
• Finite-Differenzen-Methode
• Finite-Elemente-Methode
• Finite-Volumen-Methode
• Spektralmethode

Siehe auch

• Cheminformatik
• Bioinformatik

Literatur

• Istvan Montvay, Gernot Münster, Quantum Fields on a Lattice, Cambridge Monographs on Mathematical Physics, ISBN 0521599172
• Alexander K. Hartmann, Heiko Rieger, Optimization Algorithms in Physics, Wiley-VCH, 2002, ISBN 3527403078

Weblinks

• Links zum Thema Computergestützte Physik im Open Directory Project