物理学与计算机的关系

物理学与计算机的关系,引论近代物理学的发展已有三百多年的时间，计算机的诞生是物理学发展的必然结果,几十年来，计算机技术的高速发展又为物理学提供了强有力的支持,计算机技术与物理学相辅相成,相互促进，相互渗透,两者有高度的交叉性。回顾计算机的发展史,我们发现每一个阶段都是以物理学的发展变革作为前提的,再看近代物理学的历史,计算机扮演着一个不可替代的角色。,物理学与计算机的关系,一计算机的发展历程二计算机是物理学发展成熟的必然产物三.计算机对物理学的影响,一计算机的发展历程,1946年,世界上出现第一台计算机“ENAIC(ElectronicNumericalIntegratorandComputer),埃克特,莫契利,计算机发展阶段划分及特征表,二计算机是物理学发展成熟的必然产物,1.计算机诞生的理论基础2.物理学是计算机硬件的基础3.物理学研究成果在计算机上的应用举例,物理学作为理论基础:伟大的物理学家牛顿(1642-1727)发明了微积分,发现了万有引力定律,创立了经典光学理论,建立了牛顿力学大厦;数学家布尔(1815-1871)和德莫根发明了数理逻辑中最重要的布尔代数;法拉弟(1791-1867)、麦克斯韦创立了电磁理论,赫兹发现了麦克斯韦预言的电磁波;爱因斯坦、德布罗意、玻尔、海森伯、薛定谔、狄拉克创立了量子力学;德福雷斯特发明了对电信号有放大作用的电子三极管。,1.计算机诞生的理论基础,自牛顿去世到1943年,全世界物理学家经过200余年的不断努力,在数理逻辑和物理学的电磁理论、量子力学、半导体理论等方面获得了的巨大成功,为计算机的诞生在理论和技术上作好了充分的准备。,2.物理学是计算机硬件的基础,1944年,美国国防部门组织了有莫奇利和埃克特领导的200多位专家研制小组,经过两年多的艰苦劳动,于1946年2月15日,在美国的宾夕法尼亚大学里研制出了人类的第一台电子管数字积分计算机ENIAC。1947年,美国的巴丁等几位科学家研制出了既小又可靠,并且不会变热,结构单一的晶体管。1953年,德克萨斯仪器公司和仙童公司都宣布研制成第一块集成电路。1954年,德克萨斯仪器公司首先宣布建成了世界上第一条集成电路生产线。随后美国贝尔实验室制成第一台晶体管计算机TRADIC,使计算机体积大大缩小。,早期巨大的电子管,1958年,美国IBM公司制成全部使用晶体管的计算机,第二代计算机诞生了。第二代计算机的运算速度比第一代计算机提高了近百倍。60年代中期,随着集成电路的问世,第三代计算机诞生了,其标志产品是1964年由美国IBM公司生产的IBM360系列机。早期的INTEL8080CPU的晶体管集成度超过5000管/片,1977年以后在一个硅片上就可容纳数万个管子。80年左右,IBM制成了第一代微型计算机8086。PIII的晶体管集成度有2800万个。,世界上第一个晶体管,第四代计算机以大规模集成电路作为逻辑元件和存储器,使计算机向着微型化和巨型化方向发展。计算机的微处理器从早期的8086,发展到80286,80386,80486,奔腾(Pentium)、奔腾二代(Pentium)、奔腾三代(Pentium)及奔腾四代(Pentium)。,集成电路,大规模集成电路,整个计算机的硬件基础就是物理,记得有一个家长说他的孩子喜欢计算机,问教授他的孩子应该学什么时,教授回答:“如果他想要搞硬件,应该学物理,想要搞软件应该学数学!”我们应该看出了,物理在计算机发展中的地位,整个硬件的基础,没有硬件的发展,计算机在一定的程度上想往上提高不可能!量子计算机已经在实验室研制成功。,小结,3.物理学研究成果在计算机上的应用举例,磁芯现代算机内存贮器都是体积小,速度快的磁芯所组成,而磁芯的应用,则是物理学研究成果用于计算机的一个突出例子。1950年王安等人在应用物理学杂志上发表了磁性材料的有关论文，一年后,同一杂志发表了斯莱斯特应用,这种材料于数字记录的文章。两年后,MIT的计算机就采用了这种磁芯作为内在贮器,从此,陆续研制出了磁带,磁鼓，磁盘,软磁盘等,四十多年来,磁性材料一直是计算机的主要或辅助存储设备。,磁芯存储器,另一方面,一旦发现了某种物理效应,只要条件具备,就可以产生一种新器件。例如：固体电子学中有场效应,构成了MOS集成电路量子力学的隧道效应,发明了隧道二极管；六十年代初发现了约瑟夫逊效应,今天就已经有了高速度,低功耗的器件等等。计算机的外设是一个涉及面广的领域,物理学中的声、光、热等学科,在它上面得到充分体现,例如：计算机输出信息,要靠电话线或专用线传到较远的地方,这就是把数字信号变成音频信号。,MOS集成电路,另外,要让计算机懂得人的话语,这是人工智能的主要研究对象,其中就有语言声学的研究。计算机的输入设备之一,大容量存贮装置光盘,是一种利用激光在某种介质上“刻”上信息的只读存贮器,另一种激光存贮器正在进行研制,它利用激光全息照相来存储信息而用于计算机。光学纤维可用来作为计算机网络中的数据通道,以负载音频信号达到远程数据的共享。,三.计算机对物理学的影响,随着计算机日新月异的发展,已经出现了物理与计算机科学相互交融的趋势。计算机诞生的一个促进因素,是物理学中有大量的计算问题。计算机研制出来以后,对解决物理学中的计算问题起了极大的作用。计算机技术的高速发展为物理学提供了强有力的计算工具,同时也对物理学研究方法产生了极大地影响,这种影响表现在三个方面:猜想检验,场景仿真，理论推导。,1物理学猜想的检验,在没有计算机的时代,物理学猜想的检验是一个相当漫长的过程,甚至在一个人有限的生命周期中无法完成。有了计算机系统后,利用计算机系统海量的存贮能力和高速运算能力,我们可对复杂物理系统的运动规律做出猜想,并在计算机系统中作快速或慢速模拟实验并与系统实际,的有限运动过程或运动状态进行对比以不断检验和修正猜想,有望最终发现物理规律。计算机系统的高速运算能力和强大的符号演算能力为物理学研究的猜想方法装上了飞翔的翅膀。,?,2提供一定“仿真程度”的物理系统运动“场景”,对于很多相对简单、运动规律已知的物理系统,要让学习者观察研究其运动特征,我们既可以以一定的代价花较多的时间做物理实验,也可以花很小的代价在计算机系统上作快速(或慢速)仿真实验为研究者提供一定“仿真程度”的观察研究系统运动特征的“场景”。(例如布朗运动,斜抛运动,水面波动等)。而且“仿真”物理过程,可以随时重复进行。这为物理学的实验研究方法扩大了视野。绵阳九院科技馆中利用计算机系统和投影仪在三维空间中形成十分逼真的全息动态图像,演示原子弹爆炸的全过程,就是一个极好的实例。（神舟六号发射全过程模拟）,3完成复杂理论演算推导,对于理论研究,复杂的数学推导和数值计算、绘制函数曲线曲面,函数极值、函数零点、函数的极点的计算都可以在计算机系统上相对轻松地完成。研究者可将主要精力放在寻找物理系统运动规律和物理量本质意义上。例如,解变系数常微分方程,超越代数方程求根,多元代数方程组求解,求逆矩阵,分解因式等。,例如,解贝塞尔方程,只要在Mathematica环境中输入以下命令:DSolvex2yx+xyx+(x2-n2)yx=0,yx,x运行后可得到其解为yx-BesselJ-n,xC1+BesselJn,xC2,特别是量子力学理论中,有很多数学符号演算过程,利用Mathematica强大的符号演算功能完全能够得心应手地实现。,“荒诞不经”的黑洞计算机,为了与时俱进，研究人员可以把物理学定律看作计算机程序，把宇宙看作一台计算机。黑洞计算机可能听起来荒诞不经，然而，宇宙学和基础物理学的研究人员正在证明它是一个有用的概念工具。如果物理学家能够在粒子加速器中创造黑洞（有预言认为10年之内可能实现），他们可能确实能观