Programovanie

Zdvihnite ruku a opýtajte sa: Čo je to ‚Simulácia N-tela‘?

Poznámka: Väčšina ľudí nechce byť tým vychladeným, kto zdvihne ruku a položí otázku, ale v mnohých prípadoch by sme to skutočne mali urobiť. Tieto príležitostné príspevky „Zdvihnite ruku a opýtajte sa“ zvýrazňujú zaujímavé „módne slová“, ktoré ste možno počuli. Mojím cieľom nie je iba vysvetliť, čo znamenajú (že môžete vyhľadať), ale aj to, prečo sú dôležité.

Čo znamená „N-telo“ - a prečo by ma to malo zaujímať?

Ako hodnotia vedci možné lieky na HIV a AIDS?

Simulácie N-tela.

Ako astrofyzici študujú rozpínanie vesmíru a povahu temnej hmoty?

Simulácie N-tela.

Ako vedci, ktorí chcú umožniť štúdium fyziky plazmy riadenou syntézou?

Simulácie N-tela.

N-telo doslovne znamená „N“ (určitý počet) „tiel“ (objektov). Simulácia N telies je simulácia N objektov a ich interakcií v čase. Majte na pamäti, že každé z N telies je zaneprázdnených pohybom okolo. Preto má každé teleso smer, rýchlosť a možno aj náboj. Keď sa pokúsime simulovať ich pohyb v priebehu času, aktualizujeme informácie týkajúce sa každého tela v každom časovom kroku. Musíme zvážiť, čo sa stane s každým z tiel v každom kroku, aby sme zistili, kde sú, aby sa mohla zahájiť naša simulácia v ďalšom kroku.

istock

Štyri sily - ešte nie sú veľkolepo zjednotené

Na telá sa vzťahujú štyri „základné interakcie“: silná jadrová, slabá jadrová, elektromagnetická a gravitačná. Prvé dva majú sily iba na neuveriteľne krátke vzdialenosti (subatomárne). Gravitačná interakcia medzi hmotami a elektromagnetická interakcia medzi nábojmi sú príkladmi síl na veľké vzdialenosti. Sily veľkého rozsahu sa inverzne zmenšujú ako druhá mocnina vzdialenosti. Inými slovami, dvojnásobná vzdialenosť znamená štvrtinu sily. V krátkych štvrtiach možno budeme musieť zvážiť všetky štyri sily. Keď rozširujeme vzdialenosť, môžeme začať uvažovať iba o gravitačnej a elektromagnetickej. Na veľmi veľké vzdialenosti záleží iba na gravitačných silách, pretože elektromagnetické sily sa navzájom v podstate rušia na škále planét, hviezd a galaxií.

Za predpokladu, že simulujeme činnosť našich početných (N) telies, mohli by sme vypočítať všetky párové sily vykonaním výpočtov N2. Toto je neprijateľné množstvo výpočtu pre primeraný počet objektov, a preto sa zaujímavou vecou „simulácií N-tela“ stáva, ako zjednodušiť naše simulácie tak, aby boli praktické na výpočet.

Približné zoskupením do regiónov (blízko alebo ďaleko)

Aby sme dosiahli to najlepšie z oboch svetov, môžeme uvažovať o našich telách do oblastí a párové výpočty iba na telách v rámci jedného regiónu. Môžeme sa zamerať na sily v interakciách na krátku vzdialenosť v rámci regiónu a použiť rýchlejšiu metódu založenú na aproximácii síl na diaľku vzdialeným poľom, ktorá je platná iba medzi oblasťami systému, ktoré sú dobre oddelené. Metódy na urýchlenie riešenia problémov s N-telieskami sa dajú rozdeliť do troch kategórií: metódy s časticovými okami (najlepšie pre rovnomerne rozmiestnené N telies), metódy so stromovým kódom (vhodnejšie ako mesh, keď sú telá vysoko nejednotné, napríklad hviezdy v galaxii) a rýchle viacpólové metódy (FMM, vhodné aj na nejednotné distribúcie).

Pre kozmické simulácie, kde telesami sú hviezdy, planéty atď., Majú všetky interakcie gravitačnú povahu, pretože na ostatných silách nezáleží. Gravitačné simulácie N-telies možno použiť na simuláciu nebeskej mechaniky, ako je napríklad rozpínanie vesmíru alebo dráhy planét a komét.

V prípade molekulárnej dynamiky, dynamiky tekutín a fyziky plazmy, kde telesami sú molekuly, atómy alebo subatomárne častice, je potrebné zahrnúť aj iné sily než gravitačné, a to minimálne v oblasti, kde sú telesá najbližšie k sebe.

Molekulárna dynamika môže viesť k vyliečeniu

Simulácie molekulárnej dynamiky majú veľký význam v oblasti biochémie a molekulárnej biológie. Simulácie môžu zahŕňať interakcie proteínov, nukleových kyselín, membrán, vírusov a liekov. Takéto simulácie nám môžu pomôcť pochopiť choroby a vyhodnotiť možné vyliečenie. Napríklad antivírusové liečivo všeobecne účinkuje tak, že buď interferuje s replikáciou (bráni vírusu v rozvinutí), alebo blokuje jeho pohyb v tele (znemožňuje mu priechod cez bunkové membrány). Simulácie môžu pomôcť pochopiť potenciálnu účinnosť takýchto liečebných postupov, keď sú nasadené v komplexe tela.

Simulácie N-tela - kľúčová technika

Z akéhokoľvek dôvodu, ak máte zbierku predmetov, ktoré navzájom interagujú, máte problém s N-telom. Koncepty týkajúce sa simulácie ich interakcií tvoria rozsiahlu tému, ktorej sa venovala veľká pozornosť. Vedieť, že sa široká téma nazýva „Simulácie N-tela“, je prvým krokom k pochopeniu toho, ako preniknúť do tejto bohato študovanej a podporovanej oblasti.

Ak sa chcete prehĺbiť trochu hlbšie, tu je niekoľko odporúčaných čítaní:

  • Simulácie N-tela - toto má pekné diagramy, Syracuse University
  • Molekulárna dynamika a problém N-telies, University of Buffalo, fyzikální odbor
  • Krátky kurz o rýchlych viacpólových metódach, University of Canterbury a New York University
  • Štartovací kód pre simulácie N-Body (obsahuje 25-stranovú kapitolu knihy na túto tému v zozname na stiahnutie), Ústav pre pokročilé štúdium a Tokijská univerzita v astronómii.
  • Prehľad simulácií N-Body, Princeton Physics Dept.
  • Praktické porovnanie algoritmov N-tela, Carnegie Mellon University

Kliknite sem a stiahnite si bezplatnú 30-dňovú skúšobnú verziu Intel Parallel Studio XE

$config[zx-auto] not found$config[zx-overlay] not found