“计算模拟&在线讲座”群免费在线系列讲座 第5讲——浅评秦元勋的《计算物理概论》日期：2018-03-29 09:56:02 阅读：次
“计算模拟&在线讲座”群免费在线系列讲座 第5讲
——浅评秦元勋的《计算物理概论》
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开讲时间：2018年3月30日 上午10:00—11:00
一、秦元勋简介：
秦元勋（1923－2008）数学家，贵州贵阳人，1943年毕业于浙江大学数学系，1946年获美国哈佛大学文学硕士学位，1947年获美国哈佛大学哲学博士学位。1988年被美国俄侅俄大学玛丽塔学院授予荣誉科学博士。他于1948年从美国回国，历任西南军政委员会文教部调研室副主任、科学普及处处长，中国核工业部（二机部）九院（中国工程物理研究院）理论部副主任，中国科学院数学研究所研究员，中科院应用数学研究所研究员、执行副所长，中国核学会计算物理学会理事长，中国人工智能学会理事长。中国科学院院士、中国工程院院士，入选新中国“两弹一星”元勋。
他长期从事数学理论及其应用的研究。在常微分方程的定性理论、运动稳定性、近似解析、机器推导公式等方面的研究，在新中国都处于开创性的地位。其中极限环的研究更具有国际先进水平。他负责完成了中国第一颗原子弹和氢弹的威力计算工作，是1982年国家自然科学奖一等奖“原子弹氢弹设计原理中的物理力学数学理论问题”项目的主要工作者之一。在上述工作的基础上，在新中国开辟了
计算物理学这一新的物理分支学科。
二、《计算物理》的产生背景与作用
“计算物理”又叫“计算机实验”，主要诞生于第二次世界大战中的“曼哈顿计划”。按照传统的观念，理论工作是理论物理学家的事，实验工作是实验物理学家的事，两者之间不见得有必然的联系。但是如今，计算物理与计算机实验，已经在理论和实验之间建立了很好的桥梁。一个理论是否正确，可以通过计算机模拟再与实验结果进行定量的比较而加以验证。而实验中的物理过程，也可通过计算机模拟来加以理解。 从更广泛的意义上讲，实验物理学、理论物理学和计算物理学已经步入一个三强鼎立的时代。它们正以不同的研究方式来逼近自然规律。其中，计算机数值模拟技术又可作为探索自然规律的一类很好的工具。其理由，纯理论不能完全描述自然界可能产生的各类复杂现象，而其中的很多现象又不那么容易地通过理论方程组来加以预见。
一个强有力的例子，在20 世纪50 年代初，统计物理学中的一个热点问题，是“一个仅有强短程排斥力而无任何相互吸引力的球形粒子体系能否形成晶体”。计算机模拟技术确认了这种体系具有一阶凝固相变。但在当时人们仍难以置信。在其后的研究工作表明，强排斥力的确决定了简单液体的相变结构性质，而吸引力只起到次要的作用。 另一个著名的例子，“粒子在穿过固体时的通道效应”就是通过计算机模拟而被偶然地发现。当时，人们在一次模拟入射到晶体中的离子时，其计算程序突然地陷入似乎循环无法终止的地步，结果消耗了研究人员的大量计算费用。之后，在仔细地研究了离子的运动轨迹，人们发现此时离子运动方向恰与晶面几乎一致，即离子可以与各个晶面间的壁面进行反复的小角碰撞，只消耗很少的能量。因此，计算模拟技术不仅仅是一个数学工具。我们依赖它，至少可以知道自己的研究结果应该如何，哪怕不了解其具体的过程。
目前，几乎所有物理学的主要分支都能在“计算物理”的应用中找到一席之地，例如计算力学、计算电动力学、计算等离子体等。其中，计算力学又被计算流体力学（CFD）、计算固体力学、计算接触力学等组成。而计算流体力学与计算电动力学又共同促成了计算磁流体力学、计算等离子性流体力学等。量子力学中的N体问题，当N趋近于无穷大时就变成了计算化学问题。作为“计算物理”中一个重要的分支：计算固体物理，在其直接地应用于材料学领域中，就形成了计算材料学。
三、《计算物理》的方法论 —— 通论
本书强调对“计算物理”概念的阐述。如下图所示
（1）实验物理向理论物理提出实验现象和实验数据，请理论物理进行解释，继而上升到新的理论。此时，计算物理根据计算出的数据和现象，也请理论物理予以解释。从这一角度上看，计算物理很像实验物理。
（2）理论物理向实验物理提出理论假设和理论预测，请实验物理进行验证和纠正其偏差。此时，计算物理亦可以通过计算模拟技术而提出一些理论假设和理论预测，也请实验物理进行验证和纠偏。从这一角度上看，计算物理很像理论物理。但在实践中，计算物理不可能替代理论物理和实验物理，与后两者既相互补充又互有区别，具有独特的研究方法论（计算机模拟技术）。而这三者将共同第推动物理科学的发展。
四、对秦元勋的《计算物理概论》的评述：
此书分为“通论”篇、“模型”篇、“方法”篇、“算法”篇和“应用”篇 —— 又是美式专著的特点。
1、此书的“通论”篇，在“三部分”已经讨论。
2、此书的“模型”篇，主要强调“物理定律”的重要性，即“质量守恒定律、能量守恒定律、动量守恒定律和角动量守恒定律”。由此而推导出适用于描述固体和流体运动范畴的方程组。
3、此书的“方法”篇，主要强调计算物理的“计算机基础”，以及物理与数学的有机结合：（1）对于物理问题，通过采用有效的数值计算方法，以达到更好地描述物理问题演变规律的数学方程组，但不拘泥于数学原理（公理和定理）中的套路限制；（2）在解决物理问题的过程中，不断地创新数值计算方法，用以推动应用数学的发展套路；（3）在依赖计算机进行运算的同时，根据有关的数据，还要发展“近似解析解”，用以丰富理论物理中的模型概念。具体地说，有如下的技术步骤：（a）量纲分析与相似理论；（b）定性分析与全局图像；（c）量及分析与粗估公式；（d）数值分析与典型特例；（e）近似解析解的构造法。但在数值计算领域中，则强调三类基础方法：有限差分法、有限（单）元法、有效变分法（快速下降法、共轭梯度法）。
4、此书的“算法”篇，主要强调人们在计算机工作环境下，一些软硬件操作系统的语言的有效运用性。由于此书出版于上世纪90年代初，对我们目前的时代环境，它的内容有些日显陈旧。但是它仍然为我们提示了一些发展方向，例如大型计算机工作站（并行运算）、云计算和人工智能等技术，供我们很好地参考。
5、此书的“应用”篇，主要描述了与作者本人的工作环境紧密相关的几类物理课题的研究成果。它们在我们目前这个五彩缤纷的世界里，可谓“小巫见大巫”。所以，“计算物理学”仍然是方兴未艾，真的需要我们青年一代人，对其内容进行不断的拓展与创新，用以人类社会未来的发展需求。
以下推荐几部专攻于“计算物理”技术的教科书：
（1）顾昌鑫等，计算物理学，复旦大学出版社，2010；
（2）马文淦等，计算物理学，中国科学技术大学出版社，2001；
（3）邹先武等，计算固体物理学，武汉大学出版社，1993；
（4）齐卫宏等，固体物理与计算材料，中南大学出版社，2014；
特别推荐：JOS THIJSSEN，Computational Physics, 2nd ed., Cambridge University Press, 2007.
