Pastaba: dauguma žmonių nenori būti nepakenčiami, kad pakeltų ranką ir užduotų klausimą, tačiau daugeliu atvejų mes tikrai turėtume. Šie proginiai „Pakelkite ranką ir klauskite“ įrašai išryškina šaunius „buzzwords“, kuriuos galbūt girdėjote. Mano tikslas yra ne tik paaiškinti, ką jie reiškia (kad jūs galite ieškoti), bet ir kodėl jie yra svarbūs.
Ką reiškia „N-body“ ir kodėl man tai turėtų rūpėti?
Kaip mokslininkai vertina galimą ŽIV ir AIDS gydymą?
N kūno modeliavimas.
Kaip astrofizikai tiria visatos plėtimąsi ir tamsiosios materijos pobūdį?
N kūno modeliavimas.
Kaip mokslininkai, norintys įgalinti kontroliuojamą sintezę, tiria plazmos fiziką?
N kūno modeliavimas.
N kūnas pažodžiui reiškia „N“ (tam tikrą skaičių) „kūnų“ (objektų). N kūnų modeliavimas yra N objektų ir jų sąveikos modeliavimas bėgant laikui. Turėkite omenyje, kad kiekvienas iš N kūnų yra užimtas judėdamas. Todėl kiekvienas kūnas turi kryptį, greitį ir galbūt krūvį. Siekdami imituoti jų judėjimą bėgant laikui, kiekviename laiko žingsnyje atnaujinsime informaciją apie kiekvieną kūną. Turime apsvarstyti, kas nutiks kiekvienam kūnui kiekviename žingsnyje, kur jie yra mūsų kito laiko žingsnio modeliavimo pradžiai.
istockKeturios jėgos - dar nėra suvienytos
Kūnams taikoma keturios „pagrindinės sąveikos“: stipri branduolinė, silpna branduolinė, elektromagnetinė ir gravitacinė. Pirmieji du jėgas turi tik neįtikėtinai trumpais atstumais (subatominiai). Gravitacinė masių sąveika ir elektromagnetinė sąveika tarp krūvių yra didelio nuotolio jėgų pavyzdžiai. Didelio nuotolio jėgos atvirkščiai mažėja kaip atstumo kvadratas. Kitaip tariant, dvigubas atstumas reiškia ketvirtadalį jėgos. Per trumpą laiką mums gali tekti atsižvelgti į visas keturias jėgas. Plečiant atstumą galime pradėti svarstyti tik apie gravitacinę ir elektromagnetinę. Esant labai dideliems atstumams, svarbios tik gravitacinės jėgos, nes elektromagnetinės jėgos iš esmės panaikina viena kitą planetų, žvaigždžių ir galaktikų skalėje.
Darant prielaidą, kad imituojame daugybės (N) kūnų veiklą, visas porines jėgas galėtume apskaičiuoti atlikdami N2 skaičiavimus. Tai yra nepriimtinas skaičiavimas pagrįstam objektų skaičiui, todėl įdomus dalykas, susijęs su „N-kūno simuliacijomis“, tampa tai, kaip supaprastinti mūsų modeliavimus, kad juos būtų praktiška apskaičiuoti.
Apytiksliai sugrupavus į regionus (artimi ir toli)
Norėdami gauti geriausią iš abiejų pasaulių, galime savo kūnus suskirstyti į regionus ir poromis skaičiuoti tik apie vieno regiono kūnus. Galime sutelkti dėmesį į artimo nuotolio sąveikas regione veikiančias jėgas ir naudoti greitesnį metodą, pagrįstą didesnio nuotolio jėgų toli laukų aproksimavimu, kuris galioja tik gerai atskirtiems sistemos regionams. N kūno problemų sprendimo paspartinimo metodai skirstomi į tris kategorijas: dalelių tinklelio metodai (geriausiai tinka vienodai išdėstytiems N kūnams), medžio kodo metodai (geriau tinka nei tinklelis, kai kūnai yra labai nevienodi, pavyzdžiui, žvaigždės galaktikoje) , ir greiti daugiapoliai metodai (FMM, taip pat gerai tinka nevienodai paskirstyti).
Kosminėms simuliacijoms, kai kūnai yra žvaigždės, planetos ir kt., Sąveika yra gravitacinio pobūdžio, nes kitos jėgos neturi reikšmės. Gravitaciniai N kūno modeliavimas gali būti naudojamas imituoti dangaus mechaniką, tokią kaip visatos plėtimasis, ar planetų ir kometų orbitas.
Molekulinei dinamikai, skysčių dinamikai ir plazmos fizikai, kai kūnai yra molekulės, atomai ar subatominės dalelės, reikia įtraukti ne gravitacines jėgas, o bent regione, kuriame kūnai yra arčiausiai vienas kito.
Molekulinė dinamika gali sukelti gydymą
Molekulinės dinamikos modeliavimas turi didelę reikšmę biochemijos ir molekulinės biologijos srityse. Modeliavimas gali apimti baltymų, nukleorūgščių, membranų, virusų ir vaistų sąveiką. Tokie modeliavimai gali padėti suprasti ligas ir įvertinti galimus išgydymus. Pavyzdžiui, antivirusinis vaistas paprastai veikia arba trukdydamas replikacijai (sustabdydamas viruso išsiskyrimą), arba blokuodamas jo judėjimą kūne (todėl negali praeiti pro ląstelių membranas). Modeliavimas gali padėti suprasti galimą tokio gydymo veiksmingumą, kai jis atliekamas atsižvelgiant į kūno sudėtingumą.
N kūno modeliavimas - pagrindinė technika
Dėl kokių nors priežasčių, jei turite objektų, sąveikaujančių tarpusavyje, kolekciją, turite N kūno problemą. Koncepcijos, kaip imituoti jų sąveiką, yra plati tema, kuriai buvo skiriama daug dėmesio. Žinojimas, kad plačioji tema vadinama „N kūno modeliavimu“, yra pirmas žingsnis, norint suprasti, kaip pasinaudoti šia gausiai ištirta ir palaikoma sritimi.
Jei norite šiek tiek gilintis, pateikiame keletą rekomenduojamų skaitymų:
- „N-Body Simulations“ - tai gražios diagramos, Sirakūzų universitetas
- Molekulinė dinamika ir N kūno problema, Buffalo universitetas, fizikos katedra
- Trumpas kursas apie greitus daugiapolius metodus, Kenterberio universitetas ir Niujorko universitetas
- N-kūno modeliavimo pradinis kodas (25 puslapių knygos skyrius šia tema atsisiunčiamas kodas), Pažangių studijų institutas ir Tokijo universiteto astronomijos skyrius.
- N-kūno modeliavimo apžvalga, Prinstono fizikos katedra
- N-kūno algoritmų praktinis palyginimas, Carnegie Mellon universitetas
Spustelėkite čia norėdami atsisiųsti nemokamą 30 dienų „Intel Parallel Studio XE“ bandomąją versiją
