Opomba: Večina ljudi ne želi biti hladen, da dvigne roko in postavi vprašanje, toda v mnogih primerih bi res morali. Te občasne objave "Dvigni roko in vprašaj" poudarjajo zanimive "modne besede", ki ste jih morda že slišali. Moj cilj ni le razložiti, kaj pomenijo (da lahko pogledate navzgor), ampak tudi, zakaj so pomembni.
Kaj pomeni "telo N" - in zakaj bi me moralo skrbeti?
Kako raziskovalci ocenjujejo možna zdravila za HIV in AIDS?
Simulacije N-telesa.
Kako astrofiziki preučujejo širjenje vesolja in naravo temne snovi?
Simulacije N-telesa.
Kako znanstveniki, ki želijo omogočiti nadzorovano fuzijo, preučujejo fiziko plazme?
Simulacije N-telesa.
N-telo dobesedno pomeni "N" (neko število) "teles" (predmetov). Simulacija N teles je simulacija N predmetov in njihovih interakcij skozi čas. Upoštevajte, da je vsako telo N zasedeno s premikanjem. Zato ima vsako telo smer, hitrost in morda naboj. Ko želimo sčasoma simulirati njihovo gibanje, bomo v vsakem časovnem koraku posodabljali informacije o vsakem telesu. Za začetek naše simulacije naslednjega časovnega koraka moramo razmisliti, kaj se zgodi z vsakim od teles v vsakem časovnem koraku.
istockŠtiri sile - še ne v veliki meri enotne
Tela so podvržena štirim "temeljnim interakcijam": močnemu jedru, šibkemu jedru, elektromagnetnemu in gravitacijskemu. Prva dva imata sile le na neverjetno kratkih razdaljah (subatomskih). Gravitacijska interakcija med masami in elektromagnetna interakcija med naboji sta primera sil velikega dosega. Sile velikega dosega se zmanjšajo obratno kot kvadrat razdalje. Z drugimi besedami, dvakratna razdalja pomeni četrtino sile. V tesnih prostorih bomo morda morali razmisliti o vseh štirih silah. Ko širimo razdaljo, lahko začnemo upoštevati le gravitacijsko in elektromagnetno. Na zelo velikih razdaljah so pomembne le gravitacijske sile, ker se elektromagnetne sile v bistvu medsebojno izničijo na lestvici planetov, zvezd in galaksij.
Ob predpostavki, da simuliramo aktivnost naših številnih (N) teles, bi lahko izračunali vse parne sile z izračuni N2. To je nesprejemljiva količina izračuna za razumno število predmetov, zato je zanimiva stvar pri "simulacijah N-telesa", kako poenostaviti naše simulacije, da so praktične za izračun.
Približno z razvrščanjem v regije (blizu ali daleč)
Da bi dobili najboljše iz obeh svetov, lahko svoja telesa razmislimo po regijah in opravimo dvojne izračune samo na telesih znotraj ene regije. Osredotočimo se lahko na sile v medsebojnem delovanju znotraj regije in uporabimo hitrejšo metodo, ki temelji na približku sil daljšega oddaljenega polja, ki velja samo med območji sistema, ki so dobro ločena. Metode za pospešitev reševanja problemov z N-telesom spadajo v tri kategorije: metode z delci z mrežico (najboljše za enakomerno razporejena N telesa), metode z drevesnimi kodami (bolj primerne od mrež, ko so telesa zelo neenotna, kot so zvezde v galaksiji) in hitre multipolske metode (FMM, primerne tudi za neenakomerne porazdelitve).
Pri kozmičnih simulacijah, kjer so telesa zvezde, planeti itd., So interakcije gravitacijske narave, saj druge sile niso pomembne. Gravitacijske simulacije N-telesa lahko uporabimo za simulacijo nebesne mehanike, kot je širjenje vesolja ali orbite planetov in kometov.
Za molekularno dinamiko, dinamiko tekočin in fiziko plazme, kjer so telesa molekule, atomi ali subatomski delci, je treba vključiti sile, ki niso gravitacijske, vsaj znotraj regije, kjer so telesa najbližje drug drugemu.
Molekularna dinamika lahko vodi do zdravljenja
Simulacije molekularne dinamike imajo velik pomen na področju biokemije in molekularne biologije. Simulacije lahko vključujejo interakcije beljakovin, nukleinskih kislin, membran, virusa in zdravil. Takšne simulacije nam lahko pomagajo razumeti bolezni in oceniti potencialno zdravljenje. Na primer, protivirusno zdravilo običajno deluje tako, da ovira razmnoževanje (preprečuje razvijanje virusa) ali blokira njegovo gibanje v telesu (zaradi česar ne more preiti skozi celične membrane). Simulacije lahko pomagajo razumeti potencialno učinkovitost takšnih zdravljenj, kadar se uporabljajo v zapletenosti telesa.
Simulacije N-telesa - ključna tehnika
Iz kakršnega koli razloga imate težave z N-telesom, če imate zbirko predmetov, ki medsebojno delujejo. Koncepti o tem, kako simulirati njihove interakcije, so široka tema, ki je bila deležna veliko pozornosti. Vedeti, da se široka tema imenuje "Simulacije N-telesa", je prvi korak k razumevanju, kako izkoristiti to bogato preučeno in podprto področje.
Če želite malo poglobiti, je tukaj nekaj priporočenih odčitkov:
- N-Body Simulations - to ima lepe diagrame, Univerza Syracuse
- Molekularna dinamika in problem N-telesa, Univerza v Buffalu, Oddelek za fiziko
- Kratek tečaj o hitrih multipolnih metodah, Univerza v Canterburyju in Univerza v New Yorku
- Začetna koda za simulacije N-telesa (vključuje 25-stransko poglavje knjige o tej temi v prenosu kode), Inštitut za napredni študij in Oddelek za astronomijo Univerze v Tokiu.
- Pregled simulacij N-telesa, Princeton Physics Dept.
- Praktična primerjava algoritmov N-Body, Univerza Carnegie Mellon
Kliknite tukaj, če želite prenesti brezplačno 30-dnevno preskusno različico Intel Parallel Studio XE
