Computerphysik

Computerphysik, auch Computational Physics (CP) oder Computergestützte Physik, ist ein Teilgebiet der Physik, das sich mit der Computersimulation physikalischer Prozesse befasst. Es wird bisweilen auch Physikinformatik oder Numerische Physik genannt.

Als Grundlage dienen die Verfahren der numerischen Mathematik. Die Computerphysik befasst sich mit Methoden, welche 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 zweidimensionales Ising-Modell).

Grundlage jeder Simulation ist ein Modell, das die Wirklichkeit im Rahmen gewisser Näherungen beschreibt. 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

Computergestützte 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 kondensierten Materie
• Meteorologie und Klimatologie, z. B. bei Wetter- und Klimasimulationen
• Biophysik, z. B. bei der Simulation von Proteinfaltungen

Problemtypen

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
• Dichtefunktionaltheorie

Siehe auch

• Cheminformatik
• Bioinformatik
• Computational Engineering Science

Literatur

• Paul L. DeVries: Computerphysik: Grundlagen Methoden Übungen. Spektrum Akad. Verl., Heidelberg, Berlin, Oxford 1995, ISBN 3-86025-336-0 (432 S.). 
• Stefan Gerlach: Computerphysik: Einführung, Beispiele und Anwendungen. 2. Auflage. Springer Spektrum, Berlin, Heidelberg 2019, ISBN 978-3-662-59245-8 (290 S.). 
• Alexander K. Hartmann, Heiko Rieger, Optimization Algorithms in Physics, Wiley-VCH, 2002, ISBN 3527403078
• Alexander K. Hartmann, A Practical Guide To Computer Simulation, World Scientific Publishing Company, 2009, ISBN 9812834141
• István Montvay, Gernot Münster, Quantum Fields on a Lattice, Cambridge Monographs on Mathematical Physics, ISBN 0521599172
• Tao Pang, An Introduction to Computational Physics, Cambridge University Press, 2006, ISBN 0521825695
• Philipp O.J. Scherer, Computational Physics: Simulation of Classical and Quantum Systems, second edition, Springer, Berlin, 2013, ISBN 9783319004006
• Franz J. Vesely, Computational Physics – An Introduction, Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York-London 2001, ISBN 0306466317
• Harald Wiedemann: Numerische Physik. Ausgewählte Beispiele der Theoretischen Physik mit C++. 2. Auflage. Springer Spektrum, Berlin 2019, ISBN 978-3-662-58185-8. 

Weblinks

• Franz Vesely: Web-Tutorial "Computational Physics"
• Linkkatalog zum Thema Computergestützte Physik bei curlie.org (ehemals DMOZ)