物理與計算機的關(guān)系分析

汪榮臻

摘要：隨著人類對于物理學(xué)研究的不斷發(fā)展，計算機及其相關(guān)技術(shù)應(yīng)運而生，計算機可以說是目前人類所取得的最突出的科學(xué)成就之一。從計算機誕生到不斷革新的發(fā)展歷程中我們可以看到。物理學(xué)的發(fā)展為計算機技術(shù)奠定了堅實的基礎(chǔ)，反過來計算機的出現(xiàn)又將為物理學(xué)的進步提供重要的動力。歷史上每一計算機技術(shù)的變革與發(fā)展都離不開物理學(xué)的發(fā)展，而當(dāng)前物理學(xué)的研究也再也離不開計算機的幫助，二者相輔相成，起著相互促進的作用。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)；計算機；關(guān)系分析

隨著人類對于自然規(guī)律的認識越發(fā)深刻，逐漸地創(chuàng)建出了越發(fā)完善化的自然科學(xué)理論，其中就包括物理學(xué)，而為了更好地生存發(fā)展，人類又運用這些理論研究創(chuàng)造出了許多技術(shù)體系，其中最突出的就是計算機。計算機技術(shù)的發(fā)展為物理學(xué)乃至人類整體的科學(xué)研究進程大大提速。兩者已然形成了一種互動動力，競爭發(fā)展的良性循環(huán)。

一、物理學(xué)對計算機的影響分析

（一）物理學(xué)是計算機硬件誕生的基礎(chǔ)

人類創(chuàng)造的第一臺電子管數(shù)字積分計算機ENIAC早在1944年就誕生于美國。并從19世紀50年代開始，計算機技術(shù)不斷更新?lián)Q代，到目前為止，我們所使用的計算機已經(jīng)經(jīng)歷了四次重要革新。我們應(yīng)當(dāng)明確的是，數(shù)學(xué)是計算機軟件的基礎(chǔ)，而物理學(xué)則是計算機硬件的基礎(chǔ)。沒有物理的發(fā)展，就沒有計算機硬件，那么相應(yīng)的計算機計算的發(fā)展也無從提起。

（二）計算機是物理學(xué)發(fā)展成熟的必然產(chǎn)物

從牛頓開始，他所發(fā)明的微積分，發(fā)現(xiàn)的萬有引力定律以及創(chuàng)立的經(jīng)典光學(xué)理論，奠定了現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。之后，由數(shù)學(xué)家布爾以及德摩根發(fā)明了對于數(shù)理邏輯發(fā)展意義重大的布爾代數(shù)；法拉第創(chuàng)立電磁理論，赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波，以愛因斯坦為代表的一大幫杰出的科學(xué)創(chuàng)立并不斷發(fā)展了量子力學(xué)；最后，德福雷斯特所發(fā)明的電子三極管憑借其能夠放大電信號的重要作用為計算機的發(fā)展貢獻了卓越的力量。在這兩百多年的時間里，無數(shù)物理學(xué)家為他們的研究工作貢獻了畢生心血，也正應(yīng)如此，電磁理論、量子力學(xué)、半導(dǎo)體理論這些重要的理論與技術(shù)為計算機的誕生奠定了堅實的基礎(chǔ)，在這些理論發(fā)展所帶來的巨大推動力下下，計算機應(yīng)運而生。

二、計算機對物理學(xué)的影響分析

計算機技術(shù)的不斷進步為物理學(xué)的進一步發(fā)展創(chuàng)造了極具效率的重要工具，它不僅能夠幫助完成巨量的計算任務(wù)，更是深刻地影響了物理學(xué)的研究方法。這些影響主要就體現(xiàn)在以下三個方面：

（一）快速檢驗猜想

以往時代由于沒有計算機的存在，物理學(xué)家要想驗證一個物理學(xué)猜想需要一個極為漫長的過程，甚至大部分猜想窮極其一生的精力也難以完成。但計算機技術(shù)的出現(xiàn)完全的改變了這一情況，它憑借自身超高的運算速度與廣闊的儲存空間，為物理學(xué)家提出與物理系統(tǒng)運動規(guī)律相關(guān)的猜想，以及對其驗證的工作都提供了巨大的幫助。他們可以憑借計算機系統(tǒng)進行模擬實驗，在該系統(tǒng)中無論需要快速還是慢速的運動狀態(tài)都可以實現(xiàn)，將其與系統(tǒng)實際的有限運動過程以及運動狀態(tài)進行對比，從而得以不斷地以更加有效地方式去修正并最終驗證猜想，那么新的物理規(guī)律就可能因此誕生?？梢哉f，計算機系統(tǒng)的強大功能為物理學(xué)家的相關(guān)研究貢獻了不可磨滅的重要力量。

（二）模擬具有一定“仿真性”的物理系統(tǒng)運動場景

過去許多物理學(xué)家通過自身的努力已經(jīng)驗證了許多運動規(guī)律，創(chuàng)造了一些相對簡單的物理系統(tǒng)，如果需要對其運動特征進行觀察研究，以往就只能以物理實驗的方式實現(xiàn)，而這種方式所需要的成本是比較高的，但隨著計算機系統(tǒng)的誕生，我們近乎無需成本就可以通過這一工具來模擬具有一定“仿真性”的物理系統(tǒng)運動場景，例如水面波動、斜拋運動以及布朗運動等等。并且，這些物理過程都是可以隨時重復(fù)直到完成研究目標為止的，這給物理學(xué)的實驗研究方法創(chuàng)造了全新的空間。例如，我國某科技館就在綜合運用計算機系統(tǒng)以及投影儀等多種現(xiàn)代化工具的基礎(chǔ)上創(chuàng)造了一個三維空間，在這個空間中形成了一個極為逼真的全息動態(tài)圖像，通過這個動態(tài)圖像，觀察者可以直觀而清晰地觀察到原子彈爆炸的整個過程，而這在以往是無法想象的。毫無疑問，計算機技術(shù)的發(fā)展對于物理學(xué)研究做出了巨大的貢獻。

（三）幫助實現(xiàn)對復(fù)雜理論的演算推導(dǎo)

最后，計算機技術(shù)的發(fā)展還為物理學(xué)的理論研究、復(fù)雜程度較高的計算工作、數(shù)學(xué)推導(dǎo)、函數(shù)曲線曲面繪制、對函數(shù)零點極值極點的求解都提供了極大的便利。以往的相關(guān)研究人員需要在這些繁瑣枯燥的計算工作中耗費大量的精力，而如今有了計算機系統(tǒng)，他們可以真正地將所有精力都用以探尋物理系統(tǒng)的運動規(guī)律以及物理量的本質(zhì)意義上。舉例而言，無論是求解變系數(shù)常微分方程、超越代數(shù)方程求根，還是求逆矩陣或是進行因式分解，都可以交由計算機系統(tǒng)來進行操作，不僅能夠確保準確性，其工作效率也是人為操作無法企及的。尤其是在當(dāng)前物理學(xué)的研究重點轉(zhuǎn)移到了量子力學(xué)之后，由于其理論中許多數(shù)學(xué)符號的演算推導(dǎo)過程極為復(fù)雜，但通過相應(yīng)的計算機技術(shù)，憑借其具備的符號演算功能卻能夠輕松完成。

三、結(jié)語

綜上所述我們可以看到，基于計算機這兩百多年的發(fā)展歷史，其每一次取得的重大技術(shù)突破無疑不是以物理學(xué)的發(fā)展作為前提的。計算機的各種硬件，無論是電子管、晶體管，還是后來出現(xiàn)的大規(guī)模集成電路，他們的出現(xiàn)都是物理學(xué)發(fā)展的產(chǎn)物，是物理學(xué)研究成果的實際體現(xiàn)。反過來我們同樣能夠看到，計算機計算的飛速發(fā)展不僅為相關(guān)的研究人員節(jié)省了大量的工作時間，提升其工作效率，對于物理學(xué)的研究方法本身也在起著重要的影響作用，這種有利的影響作用將持續(xù)下去并不斷擴大，從而為未來物理學(xué)的進一步發(fā)展帶來最強大的動力。

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