Merk: De fleste vil ikke være den ukjølige som løfter hånden og stiller et spørsmål, men i mange tilfeller burde vi virkelig gjøre det. Disse sporadiske innleggene 'Løft hånden og spør' fremhever kule "buzzwords" du kanskje har hørt. Målet mitt er ikke bare å forklare hva de mener (at du kan slå opp), men også hvorfor de har betydning.
Hva betyr "N-kropp" - og hvorfor skulle jeg bry meg?
Hvordan vurderer forskere potensielle kurer for HIV og AIDS?
N-kropps simuleringer.
Hvordan studerer astrofysikere utvidelsen av universet, og naturen til mørk materie?
N-kropps simuleringer.
Hvordan studerer forskere som ønsker å aktivere kontrollert fusjon plasmafysikk?
N-kropps simuleringer.
N-kropp betyr bokstavelig talt "N" (noe antall) "kropper" (objekter). En simulering av N-kropper er en simulering av N-objekter og deres interaksjoner over tid. Husk at hver av N-kroppene er opptatt med å bevege seg rundt. Derfor har hver kropp en retning, hastighet og kanskje en ladning. Når vi søker å simulere deres bevegelse over tid, vil vi oppdatere informasjonen om hver kropp i hvert tidstrinn. Vi må vurdere hva som skjer med hvert av kroppene i hvert gangstrinn for å finne hvor de er for starten på vår neste gangstrinnsimulering.
istockFire krefter - enda ikke storslått enhetlig
Kroppene er utsatt for fire "grunnleggende interaksjoner": sterk kjernefysisk, svak kjernefysisk, elektromagnetisk og gravitasjon. De to første har krefter bare på utrolig korte avstander (subatomisk). Gravitasjonsinteraksjon mellom massene, og det elektromagnetiske samspillet mellom ladninger, er eksempler på langdistansekrefter. Langtrekkekrefter reduseres omvendt som kvadratet på avstanden. Med andre ord betyr dobbelt avstand en fjerdedel av kraften. Innenfor trange kvartaler må vi kanskje vurdere alle fire kreftene. Når vi utvider avstanden, kan vi begynne å vurdere bare gravitasjon og elektromagnetisk. På svært store avstander er det bare gravitasjonskrefter som har betydning fordi elektromagnetiske krefter i det vesentlige avbryter hverandre på skalaen til planeter, stjerner og galakser.
Forutsatt at vi simulerer aktiviteten til våre mange (N) legemer, kunne vi beregne alle parvise krefter ved å gjøre N2-beregninger. Dette er en uakseptabel mengde beregning for et rimelig antall objekter, og derfor blir en interessant ting med "N-kroppssimuleringer" hvordan vi kan forenkle simuleringene våre for å gjøre dem praktiske å beregne.
Omtrentlig etter gruppering i regioner (nær vs. langt)
For å få det beste fra begge verdener, kan vi vurdere kroppene våre i regioner, og bare utføre parvise beregninger på legemer i en enkelt region. Vi kan fokusere på kreftene i nærtliggende interaksjoner i en region, og bruke en raskere metode basert på en langt felt-tilnærming av lengre avstandskrefter, som bare gjelder mellom regioner i systemet som er godt skilt. Metoder for å øke hastigheten på å løse N-kroppsproblemer faller inn i tre kategorier: partikkelmaskemetoder (best for jevnt fordelte N-kropper), trekodemetoder (bedre egnet enn maske når kropper er svært ujevne, for eksempel stjerner i en galakse) , og raske multipolmetoder (FMM, også godt egnet for ikke-ensartede distribusjoner).
For kosmiske simuleringer, hvor kropper er stjerner, planeter, etc., er interaksjonene alle gravitasjonsmessige, da de andre kreftene ikke betyr noe. Gravitasjons N-kroppssimuleringer kan brukes til å simulere himmelmekanikk som utvidelse av universet, eller banene til planeter og kometer.
For molekylær dynamikk, væskedynamikk og plasmafysikk, der legemer er molekyler, atomer eller subatomære partikler, må andre krefter enn gravitasjon inkluderes, i det minste i en region der legemer er nærmest hverandre.
Molekylær dynamikk kan føre til kurer
Simuleringer av molekylær dynamikk har stor betydning innen biokjemi og molekylærbiologi. Simuleringene kan involvere interaksjoner mellom proteiner, nukleinsyrer, membraner, virus og medisiner. Slike simuleringer kan hjelpe oss med å forstå sykdommer og evaluere potensielle kurer. For eksempel fungerer et antiviralt medikament vanligvis ved enten å forstyrre replikasjon (stoppe et virus fra å utfolde seg) eller blokkere dets bevegelse i kroppen (slik at det ikke kan passere gjennom cellemembraner). Simuleringer kan bidra til å forstå den potensielle effektiviteten til slike behandlinger når de brukes i kroppens kompleksitet.
N-kroppssimuleringer - en nøkkelteknikk
Av en eller annen grunn, hvis du har en samling objekter som samhandler med hverandre, har du et N-kroppsproblem. Konsepter rundt hvordan de kan simulere deres interaksjoner utgjør et bredt tema som har fått mye oppmerksomhet. Å vite at det brede emnet kalles "N-body simuleringer" er det første trinnet for å forstå hvordan man kan utnytte dette rikt studerte og støttede feltet.
Hvis du vil grave litt dypere, er det noen anbefalte målinger:
- N-Body Simulations - dette har fine diagrammer, Syracuse University
- Molecular Dynamics and the N-Body Problem, University of Buffalo, Physics Dept.
- Et kort kurs om raske flerpolede metoder, University of Canterbury og New York University
- Starter Code for N-Body Simulations (inkluderer et 25-siders bokkapittel om emnet i nedlastingen for koden), Institute for Advanced Study og University of Tokyo Astronomy Dept.
- N-Body Simulations oversikt, Princeton Physics Dept.
- En praktisk sammenligning av N-Body Algorithms, Carnegie Mellon University
Klikk her for å laste ned en gratis 30-dagers prøveversjon av Intel Parallel Studio XE
