汪榮臻

摘要：隨著人類對(duì)于物理學(xué)研究的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)及其相關(guān)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，計(jì)算機(jī)可以說是目前人類所取得的最突出的科學(xué)成就之一。從計(jì)算機(jī)誕生到不斷革新的發(fā)展歷程中我們可以看到。物理學(xué)的發(fā)展為計(jì)算機(jī)技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，反過來計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)又將為物理學(xué)的進(jìn)步提供重要的動(dòng)力。歷史上每一計(jì)算機(jī)技術(shù)的變革與發(fā)展都離不開物理學(xué)的發(fā)展，而當(dāng)前物理學(xué)的研究也再也離不開計(jì)算機(jī)的幫助，二者相輔相成，起著相互促進(jìn)的作用。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)；計(jì)算機(jī)；關(guān)系分析

隨著人類對(duì)于自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)越發(fā)深刻，逐漸地創(chuàng)建出了越發(fā)完善化的自然科學(xué)理論，其中就包括物理學(xué)，而為了更好地生存發(fā)展，人類又運(yùn)用這些理論研究創(chuàng)造出了許多技術(shù)體系，其中最突出的就是計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為物理學(xué)乃至人類整體的科學(xué)研究進(jìn)程大大提速。兩者已然形成了一種互動(dòng)動(dòng)力，競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展的良性循環(huán)。

一、物理學(xué)對(duì)計(jì)算機(jī)的影響分析

（一）物理學(xué)是計(jì)算機(jī)硬件誕生的基礎(chǔ)

人類創(chuàng)造的第一臺(tái)電子管數(shù)字積分計(jì)算機(jī)ENIAC早在1944年就誕生于美國(guó)。并從19世紀(jì)50年代開始，計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷更新?lián)Q代，到目前為止，我們所使用的計(jì)算機(jī)已經(jīng)經(jīng)歷了四次重要革新。我們應(yīng)當(dāng)明確的是，數(shù)學(xué)是計(jì)算機(jī)軟件的基礎(chǔ)，而物理學(xué)則是計(jì)算機(jī)硬件的基礎(chǔ)。沒有物理的發(fā)展，就沒有計(jì)算機(jī)硬件，那么相應(yīng)的計(jì)算機(jī)計(jì)算的發(fā)展也無從提起。

（二）計(jì)算機(jī)是物理學(xué)發(fā)展成熟的必然產(chǎn)物

從牛頓開始，他所發(fā)明的微積分，發(fā)現(xiàn)的萬有引力定律以及創(chuàng)立的經(jīng)典光學(xué)理論，奠定了現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。之后，由數(shù)學(xué)家布爾以及德摩根發(fā)明了對(duì)于數(shù)理邏輯發(fā)展意義重大的布爾代數(shù)；法拉第創(chuàng)立電磁理論，赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波，以愛因斯坦為代表的一大幫杰出的科學(xué)創(chuàng)立并不斷發(fā)展了量子力學(xué)；最后，德福雷斯特所發(fā)明的電子三極管憑借其能夠放大電信號(hào)的重要作用為計(jì)算機(jī)的發(fā)展貢獻(xiàn)了卓越的力量。在這兩百多年的時(shí)間里，無數(shù)物理學(xué)家為他們的研究工作貢獻(xiàn)了畢生心血，也正應(yīng)如此，電磁理論、量子力學(xué)、半導(dǎo)體理論這些重要的理論與技術(shù)為計(jì)算機(jī)的誕生奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，在這些理論發(fā)展所帶來的巨大推動(dòng)力下下，計(jì)算機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

二、計(jì)算機(jī)對(duì)物理學(xué)的影響分析

計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步為物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)造了極具效率的重要工具，它不僅能夠幫助完成巨量的計(jì)算任務(wù)，更是深刻地影響了物理學(xué)的研究方法。這些影響主要就體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

（一）快速檢驗(yàn)猜想

以往時(shí)代由于沒有計(jì)算機(jī)的存在，物理學(xué)家要想驗(yàn)證一個(gè)物理學(xué)猜想需要一個(gè)極為漫長(zhǎng)的過程，甚至大部分猜想窮極其一生的精力也難以完成。但計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)完全的改變了這一情況，它憑借自身超高的運(yùn)算速度與廣闊的儲(chǔ)存空間，為物理學(xué)家提出與物理系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律相關(guān)的猜想，以及對(duì)其驗(yàn)證的工作都提供了巨大的幫助。他們可以憑借計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，在該系統(tǒng)中無論需要快速還是慢速的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都可以實(shí)現(xiàn)，將其與系統(tǒng)實(shí)際的有限運(yùn)動(dòng)過程以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，從而得以不斷地以更加有效地方式去修正并最終驗(yàn)證猜想，那么新的物理規(guī)律就可能因此誕生?？梢哉f，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)大功能為物理學(xué)家的相關(guān)研究貢獻(xiàn)了不可磨滅的重要力量。

（二）模擬具有一定“仿真性”的物理系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景

過去許多物理學(xué)家通過自身的努力已經(jīng)驗(yàn)證了許多運(yùn)動(dòng)規(guī)律，創(chuàng)造了一些相對(duì)簡(jiǎn)單的物理系統(tǒng)，如果需要對(duì)其運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行觀察研究，以往就只能以物理實(shí)驗(yàn)的方式實(shí)現(xiàn)，而這種方式所需要的成本是比較高的，但隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的誕生，我們近乎無需成本就可以通過這一工具來模擬具有一定“仿真性”的物理系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，例如水面波動(dòng)、斜拋運(yùn)動(dòng)以及布朗運(yùn)動(dòng)等等。并且，這些物理過程都是可以隨時(shí)重復(fù)直到完成研究目標(biāo)為止的，這給物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究方法創(chuàng)造了全新的空間。例如，我國(guó)某科技館就在綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及投影儀等多種現(xiàn)代化工具的基礎(chǔ)上創(chuàng)造了一個(gè)三維空間，在這個(gè)空間中形成了一個(gè)極為逼真的全息動(dòng)態(tài)圖像，通過這個(gè)動(dòng)態(tài)圖像，觀察者可以直觀而清晰地觀察到原子彈爆炸的整個(gè)過程，而這在以往是無法想象的。毫無疑問，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展對(duì)于物理學(xué)研究做出了巨大的貢獻(xiàn)。

（三）幫助實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜理論的演算推導(dǎo)

最后，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展還為物理學(xué)的理論研究、復(fù)雜程度較高的計(jì)算工作、數(shù)學(xué)推導(dǎo)、函數(shù)曲線曲面繪制、對(duì)函數(shù)零點(diǎn)極值極點(diǎn)的求解都提供了極大的便利。以往的相關(guān)研究人員需要在這些繁瑣枯燥的計(jì)算工作中耗費(fèi)大量的精力，而如今有了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，他們可以真正地將所有精力都用以探尋物理系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及物理量的本質(zhì)意義上。舉例而言，無論是求解變系數(shù)常微分方程、超越代數(shù)方程求根，還是求逆矩陣或是進(jìn)行因式分解，都可以交由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來進(jìn)行操作，不僅能夠確保準(zhǔn)確性，其工作效率也是人為操作無法企及的。尤其是在當(dāng)前物理學(xué)的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了量子力學(xué)之后，由于其理論中許多數(shù)學(xué)符號(hào)的演算推導(dǎo)過程極為復(fù)雜，但通過相應(yīng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，憑借其具備的符號(hào)演算功能卻能夠輕松完成。

三、結(jié)語

綜上所述我們可以看到，基于計(jì)算機(jī)這兩百多年的發(fā)展歷史，其每一次取得的重大技術(shù)突破無疑不是以物理學(xué)的發(fā)展作為前提的。計(jì)算機(jī)的各種硬件，無論是電子管、晶體管，還是后來出現(xiàn)的大規(guī)模集成電路，他們的出現(xiàn)都是物理學(xué)發(fā)展的產(chǎn)物，是物理學(xué)研究成果的實(shí)際體現(xiàn)。反過來我們同樣能夠看到，計(jì)算機(jī)計(jì)算的飛速發(fā)展不僅為相關(guān)的研究人員節(jié)省了大量的工作時(shí)間，提升其工作效率，對(duì)于物理學(xué)的研究方法本身也在起著重要的影響作用，這種有利的影響作用將持續(xù)下去并不斷擴(kuò)大，從而為未來物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展帶來最強(qiáng)大的動(dòng)力。

參考文獻(xiàn)：

[1]李博，劉國(guó)峰，劉洪.地震疊前時(shí)間偏移的一種圖形處理器提速實(shí)現(xiàn)方法[J].地球物理學(xué)報(bào)，2009（01）.

[2]趙改善.地球物理高性能計(jì)算的新選擇：GPU計(jì)算技術(shù)[J].勘探地球物理進(jìn)展， 2007（05）.

[3]王宏琳.科學(xué)與工程中的并行計(jì)算[J].數(shù)值計(jì)算與計(jì)算機(jī)應(yīng)用，1991（01）.