Piezīme. Lielākā daļa cilvēku nevēlas būt nepiespiesti, lai paceltu roku un uzdotu jautājumu, taču daudzos gadījumos mums tas patiešām ir jādara. Šie neregulārie ieraksti “Paceliet roku un pajautājiet” izceļ foršus “buzzwords”, kurus jūs, iespējams, esat dzirdējuši. Mans mērķis ir ne tikai izskaidrot, ko viņi domā (ka jūs varat meklēt), bet arī to, kāpēc viņiem ir nozīme.
Ko nozīmē “N-body” - un kāpēc man tas jārūpējas?
Kā pētnieki vērtē iespējamo HIV un AIDS ārstēšanu?
N-ķermeņa simulācijas.
Kā astrofiziķi pēta Visuma paplašināšanos un tumšās matērijas būtību?
N-ķermeņa simulācijas.
Kā zinātnieki, kas vēlas aktivizēt kontrolētu kodolsintēzi, pēta plazmas fiziku?
N-ķermeņa simulācijas.
N-body burtiski nozīmē “N” (daži skaitļi) “ķermeņu” (priekšmetu). N ķermeņu simulācija ir N objektu un to mijiedarbības laika gaitā simulācija. Paturiet prātā, ka katrs no N ķermeņiem ir aizņemts, pārvietojoties. Tāpēc katram ķermenim ir virziens, ātrums un, iespējams, lādiņš. Kad mēs cenšamies simulēt viņu kustību laika gaitā, mēs katrā laika posmā atjaunināsim informāciju par katru ķermeni. Mums jāapsver, kas notiek ar katru ķermeni katrā solī, lai atrastu vietu, kur tie atrodas mūsu nākamā laika soļa simulācijas sākumam.
istockČetri spēki - vēl nav grandiozi vienoti
Ķermeņi ir pakļauti četrām “fundamentālām mijiedarbībām”: stipra kodola, vāja kodola, elektromagnētiska un gravitācijas. Pirmajiem diviem spēki ir tikai neticami nelielos attālumos (subatomiski). Gravitācijas mijiedarbība starp masām un elektromagnētiskā mijiedarbība starp lādiņiem ir liela attāluma spēku piemēri. Liela attāluma spēki samazinās apgriezti, jo attāluma kvadrāts. Citiem vārdiem sakot, divreiz lielāks attālums nozīmē vienu ceturtdaļu spēka. Nepietiekamās robežās mums, iespējams, būs jāņem vērā visi četri spēki. Paplašinot attālumu, mēs varam sākt uzskatīt tikai gravitācijas un elektromagnētiskos. Ļoti lielos attālumos nozīme ir tikai gravitācijas spēkiem, jo elektromagnētiskie spēki būtībā atceļ viens otru planētu, zvaigžņu un galaktiku mērogā.
Pieņemot, ka mēs simulējam mūsu daudzo (N) ķermeņu darbību, mēs varētu aprēķināt visus pārus spēkus, veicot N2 aprēķinus. Tas ir nepieņemami aprēķinu apjoms par saprātīgu objektu skaitu, un tāpēc interesanta lieta par “N-ķermeņa simulācijām” kļūst par to, kā vienkāršot mūsu simulācijas, lai tās būtu praktiski aprēķināmas.
Aptuveni, grupējot reģionos (tuvu vai tālu)
Lai iegūtu vislabāko no abām pasaulēm, mēs varam uzskatīt savus ķermeņus par reģioniem un veikt pāru aprēķinus tikai par ķermeņiem vienā reģionā. Mēs varam koncentrēties uz spēkiem tuvā diapazona mijiedarbībā reģionā un izmantot ātrāku metodi, kuras pamatā ir garāka darbības diapazona spēku tuvo laukumu tuvināšana, kas ir derīga tikai starp labi atdalītiem sistēmas reģioniem. N ķermeņa problēmu risināšanas paātrināšanas metodes iedala trīs kategorijās: daļiņu sietu metodes (vislabāk vienmērīgi izvietotiem N ķermeņiem), koku kodu metodes (labāk piemērotas nekā sieta, ja ķermeņi ir ļoti nevienmērīgi, piemēram, zvaigznes galaktikā) , un ātras daudzpolu metodes (FMM, labi piemērotas arī nevienmērīgiem sadalījumiem).
Kosmiskām simulācijām, kur ķermeņi ir zvaigznes, planētas utt., Mijiedarbībai ir gravitācijas raksturs, jo pārējiem spēkiem nav nozīmes. Gravitācijas N-ķermeņa simulācijas var izmantot, lai simulētu debesu mehāniku, piemēram, Visuma paplašināšanos vai planētu un komētu orbītas.
Molekulārajai dinamikai, šķidruma dinamikai un plazmas fizikai, kur ķermeņi ir molekulas, atomi vai subatomiskās daļiņas, jāiekļauj vismaz gravitācijas spēki, vismaz reģionā, kurā ķermeņi ir vistuvāk viens otram.
Molekulārā dinamika var izraisīt ārstēšanu
Molekulārās dinamikas simulācijām ir liela nozīme bioķīmijas un molekulārās bioloģijas jomā. Simulācijas var ietvert olbaltumvielu, nukleīnskābju, membrānu, vīrusu un zāļu mijiedarbību. Šādas simulācijas var palīdzēt mums izprast slimības un novērtēt potenciālos ārstniecības līdzekļus. Piemēram, pretvīrusu zāles parasti darbojas, vai nu traucējot replikāciju (apturot vīrusa izvēršanos), vai arī bloķējot tā kustību organismā (padarot to nespējīgu iziet cauri šūnu membrānām). Simulācijas var palīdzēt izprast šādas ārstēšanas iespējamo efektivitāti, ja tā tiek izmantota ķermeņa sarežģītības apstākļos.
N-ķermeņa simulācijas - galvenā tehnika
Kādu iemeslu dēļ, ja jums ir objektu kolekcija, kas mijiedarbojas viens ar otru, jums ir N ķermeņa problēma. Koncepcijas par to, kā simulēt viņu mijiedarbību, ir plaša tēma, kurai ir pievērsta liela uzmanība. Zināšana, ka plašo tēmu sauc par “N-ķermeņa simulācijām”, ir pirmais solis, lai saprastu, kā izmantot šo bagātīgi pētīto un atbalstīto jomu.
Ja vēlaties rakt nedaudz dziļāk, šeit ir daži ieteiktie lasījumi:
- N-ķermeņa simulācijas - šeit ir jaukas diagrammas, Sirakūzu universitāte
- Molekulārā dinamika un N-ķermeņa problēma, Bufalo universitāte, Fizikas nodaļa
- Īss kurss par ātru daudzpolu metodēm, Kenterberijas universitāte un Ņujorkas universitāte
- Sākuma kods N-ķermeņa simulācijām (iekļauj 25 lappušu grāmatas nodaļu par šo tēmu koda lejupielādē), Advanced Study Institute un Tokijas Universitātes Astronomijas departaments.
- N-ķermeņa simulāciju pārskats, Prinstonas fizikas departaments
- N-ķermeņa algoritmu praktisks salīdzinājums, Karnegija Melona universitāte
Noklikšķiniet šeit, lai lejupielādētu bezmaksas Intel Parallel Studio XE 30 dienu izmēģinājumu
