Computerphysik, auch Computational Physics (CP), ist ein Teilgebiet der Physik. Es untersucht physikalische Probleme, die sich zwar mit Gleichungen beschreiben lassen, deren Lösung sich aber nicht direkt in einer geschlossenen Formel berechnen lassen. Solche geschlossene Lösungen existieren nur für sehr wenige idealisierte Systeme (z.B. Zweiteilchensystem, Wasserstoffatom). Die Computerphysik befasst sich mit Methoden, die die Ausgangsgleichungen, die ein physikalisches System beschreiben, numerisch oder algebraisch mit dem Computer lösen. Das Spektrum erstreckt sich von numerischen Integrationen über Diagonalisierung von hochdimensionalen Matrizen bis zu Computersimulationen. Ebenso breit ist das Spektrum der benötigten Rechenresourcen: Es reicht von einigen Millisekunden auf einfachen Computern bis zu monatelange Rechnungen auf Großrechnern mit hunderten CPU's.

Beispiele für physikalische Vorgänge, die mit Hilfe von Rechnern simuliert werden:

• Wetter: Die Welt wird in möglichst kleine Teile, meist quadratisch, zerlegt und jedem Quadrat Variablen für Sonneneinstrahlung, Wärmekapazität des Bodens, etc. zugewiesen.
• Molekülschwingungen: da sich reale klassische oder quantenmechanische Systeme nicht mehr analytisch lösen lassen, werden oft Monte-Carlo-Simulationen oder Molekulardynamik-Simulationen durchgeführt.
• Vielteilchentheorie: Bereits für ein Dreiteilchensystem existiert keine geschlossene Lösung mehr. Daher setzt man CP für Simulationen von Festkörpern (z.B. Versteifungen in Metallen, also die Frage, warum ein Draht bricht, wenn er zu oft gebogen wird), Flüssigkeiten (vom Wasser bis zu komplexen Flüssigkeiten) und Gasen (z.B. Kondensation von Gasen an einer Oberfläche) ein.
• Proteinfaltung und andere biophysikalische Fragestellungen
• Berechnungen zur elektronischen Struktur komplexer Moleküle oder Systeme kondensierter Materie, mithilfe Methoden der Hartree-Fock-Theorie oder der Dichtefunktionaltheorie
• Industrie: Spannungen in Werkzeug bei Belastung, Windkanal im Computer, und vieles mehr

Als Grundlage für Computational Physics dienen die Verfahren der numerischen Mathematik.

Das wissenschaftliche Arbeiten in der computerunterstützten Physik ähnelt sowohl dem Arbeitsstil der Experimentalphysik als auch der Denkweise der theoretischen Physik, stellt aber eine neue Synthese aus theoretischem Experiment und experimenteller Theorie dar 2003. Was zunächst etwas verwirrend klingt, kann anhand der Computersimulation eines physikalischen Systems erläutert werden: Grundlage jeder Simulation ist ein Modell, das aufgrund seiner theoretischen Natur die Wirklichkeit nur im Rahmen gewisser Näherungen beschreibt. Je stärker eine Näherung verletzt wird, desto schlechter werden die Lösungen des Modells mit der Realität übereinstimmen. Ein Computerphysiker kann nun das Modell in geeigneter Weise modifizieren und anhand einer Computersimulation das Resultat beurteilen. Mit Hilfe eines Computers wurde also ein experimentelles Modell realisiert. Andererseits kann eine Computersimulation als Realisierung eines theoretischen Experiments betrachtet werden, bei dem z. B. die Auswirkung verschiedener Modellparameter bei gleichen Anfangsbedingungen oder verschiedene Anfangsbedingungen bei konstanten Modellparametern überprüft werden kann. Die Vor- und Nachteile dieser Arbeitsweise sind bereits 1952 von A. M. Turing in seiner Schlussbetrachtung zur Chemical basis of Morphogenesis diskutiert worden.

Aufgrund vergleichbarer Verfahren existiert eine enge Beziehung zur Computerchemie, wodurch sie sich sehr stark gegenseitig beeinflussen.

Literatur

• Liehr, Andreas W.: Dissipative Solitonen in Reaktions-Diffusions-Systemen. Dissertation, Univ. Münster, 2003, S. 8f
• Turing, A. M: The chemical basis of morphogenesis. In: Phil. Trans. Roy.Soc. B/237/1952, S. 37-72

Siehe auch

Physik | Computerphysik

فيزياء حاسوبية | Computational physics | 計算物理学 | 계산물리학 | Fizyka komputerowa | Física Computacional | 计算物理学