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[[Datei:Heat cylinder.gif|mini|Animation der Lösung der [[Wärmeleitungsgleichung]] in zwei Dimensionen; eine weitere Dimension ist die Zeit]]'''Computerphysik''' ('''{{enS|Computational Physics}}''') ist ein Teilgebiet<ref>{{Literatur |Autor=Richard P. Feynman |Titel=Simulating physics with computers |Sammelwerk=International Journal of Theoretical Physics |Band=21 |Nummer=6–7 |Datum=1982-06 |ISSN=0020-7748 |Seiten=467–488 |Sprache=en |DOI=10.1007/BF02650179}}</ref> der [[Physik]], das sich mit der [[Computersimulation]] physikalischer Prozesse beschäftigt. Weitere Bezeichnungen des Fachgebiets sind u. a. ''Computergestützte Physik'', ''Numerische Physik'', oder auch ''Physikinformatik''. Computerphysik ist ein Teil des [[Wissenschaftliches Rechnen|Wissenschaftlichen Rechnens]] und umgekehrt. Eng verwandte Fachgebiete sind die [[numerische Simulation]] und ganz generell die [[Modellierung und Simulation]].

Die Computerphysik wird in der [[Forschung und Entwicklung]] eingesetzt, teilweise auch als Teil der [[Rechnergestützte Entwicklung|rechnergestützten Entwicklung]].

== Beschreibung ==
Als Grundlage der Computerphysik dienen die Verfahren der [[Numerische Mathematik|numerischen Mathematik]] u. a. Die Computerphysik befasst sich mit Methoden, welche die [[Gleichung|Ausgangsgleichungen]], die ein [[physikalisches System]] beschreiben, numerisch oder [[Algebra|algebraisch]] mit dem [[Computer]] lösen oder auch mit der Simulation von [[Regelungstechnik|Regelsystemen]], was die Aufstellung von Gleichungen erübrigt. Aufgrund vergleichbarer Verfahren existiert eine enge Beziehung zur [[Computerchemie]], wodurch sie sich sehr stark gegenseitig beeinflussen. Werden in einer Anwendersoftware mehrere [[Modell (Wissenschaft)|Modelle]] oder Simulationen – bestehend aus [[Computerprogramm]]en oder Codes – angeboten oder kombiniert, spricht man umgangssprachlich auch von ''Multiphysik''-Anwendungen.

Der Nobelpreis in Chemie ging 1998 an [[Walter Kohn]] "für die Entwicklung der [[Dichtefunktionaltheorie]]" und an [[John Anthony Pople|John A. Pople]] für seine Beiträge zur „Entwicklung von computergestützten Methoden in der Quantenchemie“.<ref>{{Literatur |Autor=John A. Pople |Titel=Quantenchemische Modelle (Nobel-Vortrag) |Sammelwerk=Angewandte Chemie |Band=111 |Nummer=13–14 |Datum=1999-07-12 |ISSN=0044-8249 |Seiten=2014–2023 |DOI=10.1002/(SICI)1521-3757(19990712)111:13/14<2014::AID-ANGE2014>3.0.CO;2-C}}</ref> (vgl. auch die [[theoretische Chemie]], welche sich mit Computersimulation beschäftigt.) Beispielsweise konnten Forscher durch computergestützte Simulation die [[Kernfusion]] durch [[Trägheitsfusion]] unterstützen.<ref>{{Literatur |Autor=M. M. Marinak et al. |Titel=How numerical simulations helped to achieve breakeven on the [[National Ignition Facility|NIF]] |Sammelwerk=Physics of Plasmas |Band=31 |Nummer=7 |Datum=2024-07-01 |ISSN=1070-664X |Sprache=en |Online=https://pubs.aip.org/pop/article/31/7/070501/3304111/How-numerical-simulations-helped-to-achieve |Abruf=2025-01-13 |DOI=10.1063/5.0204710}}</ref> An die Computerphysik angrenzende Wissenschaften sind bspw. die [[Materialwissenschaft und Werkstofftechnik|Materialwissenschaften]], [[Quanteninformatik]] oder auch [[Bioinformatik]].

== Geschichte ==
{{Siehe auch|Computersimulation#Geschichte|Rechnergestützte Entwicklung#Geschichte|Prozessorarchitektur#Geschichte}}
Die Anfänge der Fachdisziplin hängen stark mit der Entwicklung von Rechenmaschinen (heute: [[Computer]]n) ab den [[1940er]] Jahren zusammen. In kurzer Zeit wurden [[Elektronenröhre|Vakuumröhren]]-basierte Rechner wie bspw. die Britischen Rechner [[Small-Scale Experimental Machine|„Manchester Baby“]] oder [[Colossus]] zügig durch elektronische Rechner ersetzt. Die ersten Ansätze für physikalische Berechnungen und Simulation fanden im Verlauf des Zweiten Weltkriegs als Teil des [[Manhattan-Projekt]]s bspw. auf der Maschine [[ENIAC]] statt.<ref>{{Literatur |Autor=B. J. Archer |Titel=The Los Alamos Computing Facility During the Manhattan Project |Sammelwerk=Nuclear Technology |Band=207 |Nummer=sup1 |Datum=2021-12-03 |ISSN=0029-5450 |Seiten=S190–S203 |Sprache=en |DOI=10.1080/00295450.2021.1940060}}</ref> Seither findet ein rasanter Fortschritt bei der Rechentechnik, -leistung und auch bei der Entwicklung der physikalischen Lösungsmethoden statt. Die Fachzeitschrift Computer Physics Communications (CPC) feiert im Jahr 2020 ihr 50-jähriges Bestehen.<ref>{{Literatur |Autor=N.S. Scott, A. Hibbert, J. Ballantyne, S. Fritzsche, A.L. Hazel, D.P. Landau, D.W. Walker, Z. Was |Titel=CPC’s 50th Anniversary: Celebrating 50 years of open-source software in computational physics |Sammelwerk=Computer Physics Communications |Band=252 |Datum=2020-07 |Seiten=107269 |Sprache=en |Online=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0010465520300886 |Abruf=2024-08-29 |DOI=10.1016/j.cpc.2020.107269}}</ref> Einige Hersteller, wie [[Bull (Computerhersteller)|Bull]], [[Cray]], oder IBM sind spezialisiert auf wissenschaftliches Rechnen. Die meisten Großforschungslabors betreiben eine Großcomputeranlage. Viele der Maschinen aus dem Bereich [[Hochleistungsrechnen]] werden für Computerphysik u. a. verwendet. Die Benutzer teilen sich dabei die freie Rechenzeit. Eines der bekanntesten Forschungsnetzwerke in dem Bereich ist das Centre Européen de Calcul Atomique et Moléculaire (CECAM), welches seit 1967 die Entwicklung begleitet.

== Arbeitsweise ==
Die computergestützte Physik untersucht physikalische Probleme, die sich in der Regel zwar mit Gleichungen beschreiben lassen, deren Lösung sich aber nicht direkt in einer geschlossenen Formel berechnen lassen. Solche geschlossenen Lösungen existieren nur für sehr wenige idealisierte Systeme wie z. B. [[Keplerproblem]], [[Wasserstoffatom]] oder zweidimensionales [[Ising-Modell]].

Grundlage jeder Simulation ist ein [[Physikalische Modellierung|physikalisch]]-[[Mathematisches Modell|mathematisches]] [[Modell]], das die Wirklichkeit im Rahmen gewisser [[Approximation|Näherungen]] beschreibt. Der Computer dient zur Realisierung des modellierten Systems und zur Messung physikalischer Größen sowie zur Bestimmung der Auswirkungen der Modellparameter. Computergestützte Physik umfasst ggf. auch die Anpassung der Soft- und Hardware an das zu lösende Problem.

Das Spektrum der benötigten Rechenressourcen reicht von einigen Millisekunden bis zu monatelangen Rechnungen auf Workstations, [[Großrechner]]n oder [[Supercomputer]]n bis zu Stunden oder Tagen auf gewöhnlichen Computern.

== Mathematische Problemtypen ==
Viele Computersimulationen physikalischer Systeme lassen sich auf die Lösung der folgenden mathematischen Probleme zurückführen:
* Lösung von [[Differentialgleichung]]en oder [[Integro-Differentialgleichung]]
* Lösung von [[Eigenwert]]- und Eigenvektor-Problemen
* [[Lineare Algebra]], darunter verschiedene Matrizenoperationen, z. B. [[Inverse Matrix|Matrixinvertierung]]
* Berechnung von [[Integralrechnung|Integralen]]

== Modellierungs- und Simulations-Methoden ==
Zu den gängigsten Verfahren und Methoden der computergestützten Physik zählen:
* Dichtefunktionaltheorie (DFT)
* [[Finite-Differenzen-Methode]] (FD)
* [[Finite-Elemente-Methode]] (FEM)
* [[Finite-Volumen-Verfahren|Finite-Volumen-Methode]] (FVM)
* [[Molekulardynamik]] (MD)
* [[Monte-Carlo-Simulation]] (MC), z. B. mittels des [[Metropolisalgorithmus]]
* [[Spektralmethode]]

== Programmiersprachen ==
Die bekanntesten Programmiersprachen für physikalische Probleme sind [[Fortran]], [[C (Programmiersprache)|C]], [[C++]], und mittlerweile auch [[Python (Programmiersprache)|Python]]. Bekannte Sprachen, Schnittstellen, oder Software zum parallelisieren sind z. B. [[OpenMP]], [[Message Passing Interface]] (MPI) oder das [[CUDA]]-Framework, welches die Auslagerung von Rechenoperationen auf [[Grafikprozessor|GPUs]] des Herstellers NVIDIA ermöglicht. Zur Visualisierung, bzw. graphischen Darstellung der Ergebnisse, werden [[VisIt]], [[Visualization Toolkit|VTK]], [[Origin (Software)|Origin]], [[Gnuplot]] und viele Andere verwendet.

Zu den bekanntesten Hochsprachen und Software-Werkzeugen werden [[Matlab|MATLAB]], [[Maple (Software)|Maple]] und [[Mathematica]] gezählt. Von Unternehmen existieren kommerzielle Software-Applikationen wie z. B. von [[Ansys (Unternehmen)|ANSYS]], [[COMSOL Multiphysics]] oder [[Dassault Systèmes]].

== Anwendungsgebiete ==
Computergestützte Physik wird inzwischen zur Forschung in nahezu allen Teilgebieten der Physik eingesetzt:
* [[Astrophysik]] und [[Kosmologie]], z. B. bei der Entstehung des Universums
* [[Biophysik]], z. B. bei der Simulation von [[Proteinfaltung]]en
* [[Festkörperphysik]], z. B. bei [[Phasenübergang|Phasenübergängen]]
* [[Meteorologie]] und [[Klimatologie]], z. B. bei [[Numerische Wettervorhersage|Wetter]]- und Klimasimulationen
* [[Neutronentransport|Neutronen]]- oder allg. Transportphänomene, z. B. für [[Kernreaktor]]en
* [[Numerische Strömungsmechanik|Strömungsmechanik]], z. B. bei Simulationen des [[Luftwiderstand]]es
* [[Plasmaphysik]], Kernfusion, [[Kernphysik]], [[Kernreaktion]]en, [[Atomphysik]]
* [[Quantenfeldtheorie]] / [[Gittereichtheorie]], z. B. bei der Gitterchromodynamik zur Erforschung der [[Starke Wechselwirkung|starken Wechselwirkung]]
* [[Statistische Physik]], z. B. beim Ising- oder [[XY-Modell]]
* [[Thermodynamik]], z. B. Systeme der [[Kondensierte Materie|kondensierten Materie]]

Aus den oben genannten Bereichen existieren dann Software-Applikationen.

== Codes ==
Bekannte Anwendersoftware aus der Computerphysik sind z. B. [[Vienna Ab initio Simulation Package]] (VASP), [[GAUSSIAN]], [[CASTEP]] usw.

== Literatur ==

=== Lehrbücher ===

* Franz J. Vesely, ''Computational Physics – An Introduction'', Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York-London 2001, ISBN 0-306-46631-7
* {{Literatur
|Autor=Nicholas J. Giordano, Hisao Nakanishi
|Titel=Computational Physics
|Auflage=2.
|Verlag=Pearson
|Ort=Upper Saddle River
|Datum=2006
|ISBN=0-13-146990-8
|Sprache=en
|Online=https://www.physics.purdue.edu/~hisao/book/}} (Fortran; Matlab)
* {{Literatur
|Autor=Alexander K Hartmann
|Titel=Big Practical Guide to Computer Simulations
|Auflage=2.
|Verlag=WORLD SCIENTIFIC
|Datum=2015
|ISBN=978-981-4571-76-0
|Sprache=en
|DOI=10.1142/9019}}
* {{Literatur
|Autor=Simon Širca, Martin Horvat
|Titel=Computational Methods in Physics
|Reihe=[[Graduate Texts in Physics]]
|Verlag=Springer International Publishing
|Ort=Cham
|Datum=2018
|ISBN=978-3-319-78618-6
|DOI=10.1007/978-3-319-78619-3}}
* {{Literatur
|Autor=Stefan Gerlach
|Titel=Computerphysik: Einführung, Beispiele und Anwendungen
|Auflage=2.
|Verlag=Springer Spektrum
|Ort=Berlin, Heidelberg
|Datum=2019
|ISBN=978-3-662-59245-8
|Umfang=290}}
* {{Literatur
|Autor=Harald Wiedemann
|Titel=Numerische Physik. Ausgewählte Beispiele der Theoretischen Physik mit C++
|Auflage=2.
|Verlag=Springer Spektrum
|Ort=Berlin
|Datum=2019
|ISBN=978-3-662-58185-8}}

=== Ältere Werke ===
* {{Literatur
|Autor=[[Steven E. Koonin]], Dawn Meredith
|Titel=Computational Physics
|Verlag=Addison-Wesley
|Ort=Reading, Mass
|Datum=1990
|ISBN=0-201-12779-2
|Online=https://archive.org/details/computationalphy0000koon}}
* {{Literatur
|Autor=Paul L. DeVries
|Titel=Computerphysik: Grundlagen Methoden Übungen
|Verlag=Spektrum Akad. Verl.
|Ort=Heidelberg, Berlin, Oxford
|Datum=1995
|ISBN=3-86025-336-0
|Umfang=432}} (1. Auflage: Fortran, 2. Auflage: Matlab)
* Bücher aus der ehemaligen, mehrbändigen Reihe ''Computational Methods in Physics'' (ca. 1970er; [[Academic Press]]; Hrsg.: [[Bernie Alder]])

== Weblinks ==
* [https://homepage.univie.ac.at/franz.vesely/cp_tut/nol2h/new/ Franz Vesely: Web-Tutorial „Computational Physics“]
* {{dmoz|World/Deutsch/Wissenschaft/Naturwissenschaften/Physik/Computergest%C3%BCtzt/|Computergestützte Physik}}

== Einzelnachweise ==
<references />
{{Normdaten|TYP=s|GND=4273564-6|LCCN=sh2022007579}}

[[Kategorie:Computerphysik| ]]
[[Kategorie:Physikalisches Fachgebiet]]
[[Kategorie:Ingenieurwissenschaftliches Fachgebiet]]

Computerphysik - Versionsgeschichte

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