Počítačová fyzika je obor, který využívá numerické metody k řešení problémů ve fyzice. Historicky byla počítačová fyzika první oblastí vědy, kde byly použity moderní počítače, a nyní je součástí výpočetní vědy. Někdy je považována za poddisciplínu teoretické fyziky, ale jiní ji považují za přechodnou oblast mezi teoretickou a experimentální fyzikou – oblast studia, která doplňuje jak teorii, tak experiment.
Počítačová fyzika se používá v mnoha oblastech fyziky, včetně:
Mechanika: Studium pohybu těles.
Elektromagnetismus: Studium elektrických a magnetických polí.
Multifyzika: Studium interakcí mezi různými fyzikálními jevy, jako je interakce mezi mechanikou a elektromagnetismem.
Částicová fyzika: Studium elementárních částic, které tvoří hmotu.
Termodynamika: Studium tepla a jeho vlivu na fyzikální systémy.
Počítačová fyzika se také používá k simulaci fyzikálních systémů. Simulace jsou počítačové modely, které umožňují vědcům studovat chování fyzikálních systémů, aniž by museli provádět skutečné experimenty. Simulace lze použít k předpovídání chování fyzikálních systémů, k testování teorií a k navrhování nových experimentů.
Mezi běžně používané numerické metody v počítačové fyzice patří:
Metoda konečných rozdílů: Metoda pro řešení parciálních diferenciálních rovnic, která rozděluje spojitý prostor na diskrétní body a aproximuje deriváty pomocí konečných rozdílů.
Metoda konečných objemů: Metoda pro řešení parciálních diferenciálních rovnic, která rozděluje spojitý prostor na konečné objemy a aproximuje integrály pomocí součtů.
Metoda konečných prvků: Metoda pro řešení parciálních diferenciálních rovnic, která rozděluje spojitý prostor na konečné prvky a aproximuje řešení pomocí funkce báze.
Metoda okrajových prvků: Metoda pro řešení parciálních diferenciálních rovnic, která rozděluje hranici spojitého prostoru na konečné prvky a aproximuje řešení pomocí funkce báze.
Metoda Lattice Boltzmann: Metoda pro řešení parciálních diferenciálních rovnic, která používá diskrétní distribuční funkce k reprezentaci hustoty částic a hybnosti.
Riemannův řešitel: Metoda pro řešení hyperbolických parciálních diferenciálních rovnic, která rozděluje spojitý prostor na konečné objemy a řeší Riemannův problém v každém objemu.
Disipativní dynamika částic: Metoda pro simulaci toku tekutin, která používá částice k reprezentaci molekul tekutiny.
Hydrodynamika vyhlazených částic: Metoda pro simulaci toku tekutin, která používá částice k reprezentaci molekul tekutiny a aproximuje interakce mezi částicemi pomocí vyhlazovací funkce.
Turbulenční modely: Modely, které se používají k simulaci turbulence, což je komplexní chování tekutin, které je charakterizováno chaotickými víry.
Mezi běžně používané Monte Carlo metody v počítačové fyzice patří:
Integrace: Metoda pro numerickou integraci funkcí pomocí náhodného vzorkování.
Gibbsův vzorkovač: Metoda pro generování náhodných vzorků z rozdělení pravděpodobnosti.
Metropolisův algoritmus: Metoda pro generování náhodných vzorků z rozdělení pravděpodobnosti.
Mezi běžně používané metody pro simulaci částic v počítačové fyzice patří:
Metoda N-těles: Metoda pro simulaci systému částic, která počítá síly mezi všemi páry částic.
Metoda částic v buňce: Metoda pro simulaci systému částic, která rozděluje prostor na buňky a počítá síly mezi částicemi ve stejné buňce.
Mezi běžně používané metody pro simulaci molekulární dynamiky v počítačové fyzice patří:
Verletův algoritmus: Algoritmus pro integraci Newtonových pohybových rovnic pro systém částic.
Algoritmus Velocity Verlet: Algoritmus pro integraci Newtonových pohybových rovnic pro systém částic, který je časově symetrický.