介绍“计算物理”发展概况.pdf

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1、介绍“计算物理”发展概况张锁春(中国核学会计算物理学会副理事长)中国科学院数学与系统科学研究院应用数学研究所北京100080E-mail:zsc@mail.amt.ac.cn一、引言二、国外“计算物理”的发展三、国内“计算物理”的发展四、“计算物理”的大学教育五、“计算物理”领域的新发展引言计算物理学（ComputationalPhysics）是伴随着电子计算机的出现和发展而逐步形成的一门新兴的边缘学科。它是以电子计算机为工具，应用数学的方法，解决物理问题的应用科学，它是物理、数学和计算机三者相结合的产物。计算物理学起源于第二次世界大战期间美国国对核武器的研制，适应核科

2、学技术的需要而产生。当时的物理学提出了大量的计算要求，同时又提供了计算机发展所需要的材料和元件，推动计算技术的迅猛发展。由于计算机的出现，彻底改变了物理实验室的面貌，扩大了“实验”的涵义；也改变了理论工作者的生活方式，同时利用计算机在计算过程中本身也产生新的物理概念，带来了新的物理学——计算物理学它随着计算机的发展和普及，已广泛地应用到自然科学研究的各个领域、工程技术的各部门，成为一门与国民经济、科学研究、国防建设有密切联系，能解决实际问题的应用科学。从学科角度看，计算物理学与传统的实验物理学和理论物理学互相依赖、相互促进，形成三足鼎立，相辅相成地发展。故有人称它为物理

3、学的第三个分支。更通俗形象地讲，计算物理学可以称之为用计算机武装起来的理论物理学，“打印纸”上的实验物理学。从研究手段看，大型计算、理论分析、科学实验已成为当今人类认识客观物理世界的三种手段。随着研究对象的复杂和深入，随着超级计算机的发展，计算将成为科学研究中的主要手段，有时是唯一有效的手段，物理学作为纯实验科学的时代早已结束，仅仅作为实验和理论密切结合的时代也正在过去，现代物理学是立足于实验、理论和计算三大支柱之上的科学。原则上讲，凡是没有被充分认识的自然现象，只要是局部瞬时的物理规律已知（或被假定），都可以借助于计算机的高速度与大存贮量来求得大范围、长时间的物理规律

4、，都属于计算物理学的研究领域。计算物理学的目的不是计算，而是理解、预言和发现新的物理规律。在这一点上，它与传统的实验物理和理论物理没有什么不同，差别仅在于使用的工具和方法。有人强调和突出这个差异性，干脆简单地称计算物理为“复杂系统的数值模拟”，或为“计算机实验”。所进行的计算其目的不是为了得到一堆数据，而是为洞察、发现新的物理规律。认识到研究对象的“复杂性”，这是理解计算物理重要性的关键。也只有体会到这一点，才能充分地认识到计算物理学的发展为什么具有如此旺盛的生命力和它在现代物理大厦中所占有的举足轻重的地位。国外“计算物理”的发展美国从1942年8月13日开始曼哈顿计划

5、，到1945年制造出三颗原子弹：代号为“三一”，用于试验（7月16日），“瘦子”投于广岛（8月6日），“胖子”投于长崎（8月9日）。历时三年，投入人力15万，耗资20亿美元。涉及到理论物理、爆轰物理、中子物理、金属物理、弹体弹道等计算。1945年8月11日，日本宣布无条件投降后，作为原子弹之父的奥本海默（J．R.Oppenheimer）等人辞职，纷纷离开，洛斯阿拉莫斯呈现一片荒凉景象。直到1947年春，军工部门为实验室拨款，一些科学家处于自身难保的境地，又纷纷回到实验室，从事理论研究，并扩大在物理、化学、工艺和生物等方面的研究范围。1949年8月美国发现苏联第一次原子弹

6、爆炸后，杜鲁门总统在1950年1月31日下令继续研究各种类型的原子武器，成立以氢弹之父特勒（E．Teller）为首的氢弹研制小组。直到1952年10月31日爆炸了代号为“麦克”的核试验装置．但是苏联也在1953年8月8日发表声明：“氢弹的生产并不为美国所垄断”。开始了新一轮的核军备竞赛。在研制原子弹和氢弹的过程中，许多物理规律必须通过计算机上的计算才能摸清楚，因而计算物理就这样不知不觉地自然诞生了。计算物理、理论物理与实验物理相辅相成相互促进共同发展，形成现代物理学的三大分支。据查证“计算物理”一词首次正式出现是美国在1963年开始出版的“计算物理方法”丛书。1959年

7、5月美国总统发布命令，可以揭开曼哈顿计划的内幕，部分内容可以解密。故以“计算物理方法”丛书的名义陆续编辑出版。这套丛书从1963年到1977年共出版17卷，内容涉及到统计物理、量子力学、流体力学、核粒子运动、核物理、天体物理、固体物理、等离子体物理、原子与分子散射、地震波、地球物理、射电天文、受控热核反应和大气环流等方面的物理问题。反映了当时在计算机上进行计算时所需要的计算方法和取得的研究成果。这套丛书也大致反映了“计算物理”的应用范围。2．1学会（1）欧洲物理学会（EPS）的“计算物理联合会”（CPG）1971年，欧洲物理学会（Euro