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计算物理学:高性能计算驱动的“快车”

2017/11/14

计算物理是以高性能计算机为工具、采用数学方法解决物理问题的应用学科。在计算物理学出现之前,物理学分为实验物理学以及理论物理学两大分支,并且传统观念认为,这两者之间并没有必然的联系。由于计算物理可以通过对理论的计算模拟,并与实验进行对比来验证其正确性,亦可对受制于环境或高昂代价的实验进行仿真模拟,促进理论的发展,故而计算物理已经成为了理论物理以及实验物理之间的纽带。并且随着高性能计算的飞速发展以及计算方法的完善,计算物理学已经在物理学中占有一足之地,与理论物理学和实验物理学一起被称为现代物理学的三大支柱。

20世纪40年代,受到战争的推动,开始了核武器的研制,涉及到的诸多问题都需要在短时间内进行大量复杂的数值运算,高性能的计算机应运而生,1946年,世界上第一台电子管计算机ENLAC投入运行,计算速度为每秒5000次加法,随后计算机技术飞速发展,为计算物理的发展奠定了物质基础。原子弹以及后来氢弹的设计都是高性能计算机求解复杂物理问题的成功案例,科学家们从中得到启示,迅速将这种方法推广至其他物理学领域,如天体物理、大气物理、固体物理、原子分子物理、粒子物理等等,如海王星的发现及其轨道计算、粒子在穿过固体时的通道效应等重大发现,都是计算物理在各个物理学领域的成功范例。高性能计算作为科学研究的一种工具,与实验和理论具有同等的价值,尤其在计算机科学迅猛发展的今天及未来,计算物理定将飞驰在探寻真理的道路上。

高性能计算使我们能够超越实验与理论科学的局限。当今物理学有两个重要方向,一个是极小(极大)尺度问题,另一个是极复杂系统问题,这两个方向面临的最大障碍是实验无法进行,或是实验代价极其高昂,这就需要计算物理学发挥其优势,利用高性能计算技术,寻求可能的方法及解决途径。

国家超级计算深圳中心是全国资源利用率最高的国家级超算中心,以强大的计算平台配合中心配置的一系列计算模拟软件,为各大高校和研究机构提供涉及原子分子物理、固体物理、基本粒子物理、大气物理等诸多领域的计算服务。不久之后E级机的到来,将带来千倍计算速度的提升,定能为国内外各大研究机构在计算物理学乃至现代物理学的研究和发展上做出卓越的贡献。