物理與計算機的關系分析

汪榮臻

摘要：隨著人類對于物理學研究的不斷發展，計算機及其相關技術應運而生，計算機可以說是目前人類所取得的最突出的科學成就之一。從計算機誕生到不斷革新的發展歷程中我們可以看到。物理學的發展為計算機技術奠定了堅實的基礎，反過來計算機的出現又將為物理學的進步提供重要的動力。歷史上每一計算機技術的變革與發展都離不開物理學的發展，而當前物理學的研究也再也離不開計算機的幫助，二者相輔相成，起著相互促進的作用。

關鍵詞：物理學；計算機；關系分析

隨著人類對于自然規律的認識越發深刻，逐漸地創建出了越發完善化的自然科學理論，其中就包括物理學，而為了更好地生存發展，人類又運用這些理論研究創造出了許多技術體系，其中最突出的就是計算機。計算機技術的發展為物理學乃至人類整體的科學研究進程大大提速。兩者已然形成了一種互動動力，競爭發展的良性循環。

一、物理學對計算機的影響分析

（一）物理學是計算機硬件誕生的基礎

人類創造的第一臺電子管數字積分計算機ENIAC早在1944年就誕生于美國。并從19世紀50年代開始，計算機技術不斷更新換代，到目前為止，我們所使用的計算機已經經歷了四次重要革新。我們應當明確的是，數學是計算機軟件的基礎，而物理學則是計算機硬件的基礎。沒有物理的發展，就沒有計算機硬件，那么相應的計算機計算的發展也無從提起。

（二）計算機是物理學發展成熟的必然產物

從牛頓開始，他所發明的微積分，發現的萬有引力定律以及創立的經典光學理論，奠定了現代物理學發展的基礎。之后，由數學家布爾以及德摩根發明了對于數理邏輯發展意義重大的布爾代數；法拉第創立電磁理論，赫茲發現電磁波，以愛因斯坦為代表的一大幫杰出的科學創立并不斷發展了量子力學；最后，德福雷斯特所發明的電子三極管憑借其能夠放大電信號的重要作用為計算機的發展貢獻了卓越的力量。在這兩百多年的時間里，無數物理學家為他們的研究工作貢獻了畢生心血，也正應如此，電磁理論、量子力學、半導體理論這些重要的理論與技術為計算機的誕生奠定了堅實的基礎，在這些理論發展所帶來的巨大推動力下下，計算機應運而生。

二、計算機對物理學的影響分析

計算機技術的不斷進步為物理學的進一步發展創造了極具效率的重要工具，它不僅能夠幫助完成巨量的計算任務，更是深刻地影響了物理學的研究方法。這些影響主要就體現在以下三個方面：

（一）快速檢驗猜想

以往時代由于沒有計算機的存在，物理學家要想驗證一個物理學猜想需要一個極為漫長的過程，甚至大部分猜想窮極其一生的精力也難以完成。但計算機技術的出現完全的改變了這一情況，它憑借自身超高的運算速度與廣闊的儲存空間，為物理學家提出與物理系統運動規律相關的猜想，以及對其驗證的工作都提供了巨大的幫助。他們可以憑借計算機系統進行模擬實驗，在該系統中無論需要快速還是慢速的運動狀態都可以實現，將其與系統實際的有限運動過程以及運動狀態進行對比，從而得以不斷地以更加有效地方式去修正并最終驗證猜想，那么新的物理規律就可能因此誕生。可以說，計算機系統的強大功能為物理學家的相關研究貢獻了不可磨滅的重要力量。

（二）模擬具有一定“仿真性”的物理系統運動場景

過去許多物理學家通過自身的努力已經驗證了許多運動規律，創造了一些相對簡單的物理系統，如果需要對其運動特征進行觀察研究，以往就只能以物理實驗的方式實現，而這種方式所需要的成本是比較高的，但隨著計算機系統的誕生，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”的物理系統運動場景，例如水面波動、斜拋運動以及布朗運動等等。并且，這些物理過程都是可以隨時重復直到完成研究目標為止的，這給物理學的實驗研究方法創造了全新的空間。例如，我國某科技館就在綜合運用計算機系統以及投影儀等多種現代化工具的基礎上創造了一個三維空間，在這個空間中形成了一個極為逼真的全息動態圖像，通過這個動態圖像，觀察者可以直觀而清晰地觀察到原子彈爆炸的整個過程，而這在以往是無法想象的。毫無疑問，計算機技術的發展對于物理學研究做出了巨大的貢獻。

（三）幫助實現對復雜理論的演算推導

最后，計算機技術的發展還為物理學的理論研究、復雜程度較高的計算工作、數學推導、函數曲線曲面繪制、對函數零點極值極點的求解都提供了極大的便利。以往的相關研究人員需要在這些繁瑣枯燥的計算工作中耗費大量的精力，而如今有了計算機系統，他們可以真正地將所有精力都用以探尋物理系統的運動規律以及物理量的本質意義上。舉例而言，無論是求解變系數常微分方程、超越代數方程求根，還是求逆矩陣或是進行因式分解，都可以交由計算機系統來進行操作，不僅能夠確保準確性，其工作效率也是人為操作無法企及的。尤其是在當前物理學的研究重點轉移到了量子力學之后，由于其理論中許多數學符號的演算推導過程極為復雜，但通過相應的計算機技術，憑借其具備的符號演算功能卻能夠輕松完成。

三、結語

綜上所述我們可以看到，基于計算機這兩百多年的發展歷史，其每一次取得的重大技術突破無疑不是以物理學的發展作為前提的。計算機的各種硬件，無論是電子管、晶體管，還是后來出現的大規模集成電路，他們的出現都是物理學發展的產物，是物理學研究成果的實際體現。反過來我們同樣能夠看到，計算機計算的飛速發展不僅為相關的研究人員節省了大量的工作時間，提升其工作效率，對于物理學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下去并不斷擴大，從而為未來物理學的進一步發展帶來最強大的動力。

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