Poznámka: Většina lidí nechce být vychlazeným, kdo zvedne ruku a položí otázku, ale v mnoha případech bychom to opravdu měli udělat. Tyto příležitostné příspěvky „Zvedněte ruku a zeptejte se“ zdůrazňují skvělá „módní slova“, která jste možná slyšeli. Mým cílem není jen vysvětlit, co znamenají (že se můžete podívat nahoru), ale také proč jsou důležité.
Co znamená „N-tělo“ - a proč by mě to mělo zajímat?
Jak vědci hodnotí potenciální léčbu HIV a AIDS?
Simulace N-těla.
Jak astrofyzici studují rozpínání vesmíru a povahu temné hmoty?
Simulace N-těla.
Jak vědci, kteří chtějí umožnit studium fyziky plazmatu řízenou fúzí?
Simulace N-těla.
N-tělo doslovně znamená „N“ (určitý počet) „těl“ (objektů). Simulace N těl je simulace N objektů a jejich interakcí v čase. Mějte na paměti, že každé z N těl je zaneprázdněno pohybem kolem. Každé tělo má tedy směr, rychlost a možná náboj. Když se snažíme simulovat jejich pohyb v čase, aktualizujeme informace týkající se každého těla v každém časovém kroku. Musíme zvážit, co se stane s každým z těl v každém časovém kroku, abychom zjistili, kde jsou, pro začátek naší simulace dalšího časového kroku.
istockČtyři síly - ještě ne velkolepě sjednocené
Těla podléhají čtyřem „základním interakcím“: silné jaderné, slabé jaderné, elektromagnetické a gravitační. První dva mají síly jen na neuvěřitelně krátké vzdálenosti (subatomární). Gravitační interakce mezi hmotami a elektromagnetická interakce mezi náboji jsou příklady sil dlouhého dosahu. Síly dlouhého dosahu se nepřímo snižují jako čtverec vzdálenosti. Jinými slovy, dvojnásobná vzdálenost znamená čtvrtinu síly. V těsné blízkosti možná budeme muset vzít v úvahu všechny čtyři síly. Jak rozšiřujeme vzdálenost, můžeme začít uvažovat pouze gravitační a elektromagnetické. Na velmi velké vzdálenosti záleží pouze na gravitačních silách, protože elektromagnetické síly se v podstatě navzájem ruší na stupnici planet, hvězd a galaxií.
Za předpokladu, že simulujeme aktivitu našich četných (N) těles, můžeme vypočítat všechny párové síly provedením výpočtů N2. Jedná se o nepřijatelné množství výpočtu pro přiměřený počet objektů, a proto se zajímavou věcí týkající se „simulací N-těla“ stává, jak zjednodušit naše simulace tak, aby byly praktické pro výpočet.
Přibližné seskupením do regionů (blízko vs. daleko)
Abychom získali to nejlepší z obou světů, můžeme uvažovat o našich tělech do oblastí a provádět párové výpočty pouze na tělech v jedné oblasti. Můžeme se zaměřit na síly v interakcích na krátkou vzdálenost v rámci oblasti a použít rychlejší metodu založenou na aproximaci sil na delší vzdálenost ze vzdáleného pole, která platí pouze mezi oblastmi systému, které jsou dobře oddělené. Metody k urychlení řešení problémů s N-tělem spadají do tří kategorií: metody částicové sítě (nejlepší pro rovnoměrně rozmístěná N těles), metody stromového kódu (vhodnější než síť, když jsou těla vysoce nejednotná, jako jsou hvězdy v galaxii) a rychlé vícepólové metody (FMM, vhodné také pro nejednotné distribuce).
U kosmických simulací, kde těla jsou hvězdy, planety atd., Mají všechny interakce gravitační povahu, protože na ostatních silách nezáleží. Gravitační simulace N-těles lze použít k simulaci nebeské mechaniky, jako je rozpínání vesmíru nebo oběžné dráhy planet a komet.
U molekulární dynamiky, dynamiky tekutin a fyziky plazmatu, kde těla jsou molekuly, atomy nebo subatomární částice, je třeba zahrnout jiné než gravitační síly, alespoň v oblasti, kde jsou těla nejblíže k sobě.
Molekulární dynamika může vést k vyléčení
Simulace molekulární dynamiky mají velký význam v oblastech biochemie a molekulární biologie. Simulace mohou zahrnovat interakce proteinů, nukleových kyselin, membrán, virů a léků. Takové simulace nám mohou pomoci pochopit nemoci a vyhodnotit potenciální vyléčení. Například antivirový lék obecně funguje tak, že buď interferuje s replikací (zastavuje vývoj viru), nebo blokuje jeho pohyb v těle (znemožňuje průchod buněčnými membránami). Simulace mohou pomoci pochopit potenciální účinnost takové léčby při nasazení ve složitosti těla.
Simulace N-těla - klíčová technika
Z jakéhokoli důvodu, pokud máte sbírku předmětů, které spolu interagují, máte problém s N-tělem. Koncepty o tom, jak simulovat jejich interakce, představují široké téma, kterému se dostalo velké pozornosti. Vědět, že široké téma se nazývá „Simulace N-těla“, je prvním krokem k pochopení toho, jak proniknout do této bohatě studované a podporované oblasti.
Chcete-li se ponořit trochu hlouběji, zde je několik doporučených hodnot:
- Simulace N-Body - toto má pěkné diagramy, Syracuse University
- Molekulární dynamika a problém N-těla, University of Buffalo, fyzikální odbor
- Krátký kurz o rychlých vícepólových metodách, University of Canterbury a New York University
- Startovací kód pro simulace N-Body (obsahuje 25stránkovou kapitolu knihy na toto téma ve stažení kódu), Institute for Advanced Study and University of Tokyo Astronomy Dept.
- Přehled simulací N-Body, Oddělení Princeton Physics
- Praktické srovnání algoritmů N-Body, Carnegie Mellon University
Kliknutím sem si stáhnete 30denní zkušební verzi Intel Parallel Studio XE zdarma
