物理学是物理学的重要组成部分，它以计算机为工具，以计算方法和计算软件为手段，研究和发现物质结构及其运动规律。计算是近二十年来物理学中发展最快的领域，它在物理学的各个分支中起着极其重要的作用。它已经成为与实验物理和理论物理同等重要和可持续发展的两个学科。计算物理是物理学研究的一个重要方向，已经成为解决传统理论物理无法解决的问题、替代或降低实验成本、揭示新的物理效应和规律的必要手段。同时，计算物理的发展也促进了材料、信息、能源、化学、生物及其应用的发展，对国家科技和国防战略的发展至关重要。
计算物理的前沿研究领域
物理学是研究宇宙中物质的产生、演化、相互作用和内部运动规律的基础科学，涉及微观到宏观、少体到多体、零温到高温、超高压、极强场等极端条件下的各种现象。计算物理是物理学、数学和计算机科学技术交叉融合的产物，具有基础研究和应用研究的双重属性。目的是基于物理学原理，通过开发各种计算方法或算法，开发软件和大规模科学计算，解决时间、空和能量尺度上的各种物理问题。
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根据研究对象和特点，计算物理学分为七个子学科:计算统计物理、计算凝聚态物理、计算软凝聚态物理、计算原子分子物理、计算核物理、计算高能物理和计算等离子体物理。这些子学科在一定程度上存在交叉，但它们面对不同的物理系统，在问题表达、研究方法和应用前景等方面呈现出各自的边界范畴和艰难挑战。
1计算统计物理学
计算物理通过建立特定外部环境下物理系统的统计模型并开发相应的算法，从物质微观状态的概率分布出发，描述物理系统的稳态结构和动态演化，建立系统的涨落等微观动力学与宏观有序运动之间的关系和规律。研究不仅涉及统计模型的相变、临界行为和普适性，还涉及统计模型及其基本特征在网络、神经、生命、经济、大分子和机器学习等系统中的应用，为计算机在互联网、大数据、云计算、人工智能和社会复杂系统等领域的应用提供物理基础。
2计算凝聚态物理
计算凝聚态物理以主要由固体物质组成的凝聚态物质为研究对象，研究原子空之间的结构及其与电子电荷、自旋、轨道自由度的耦合，发展相应的计算方法。从量子力学出发，在原子水平上设计和确定不同功能、不同结构、不同组成的材料体系，计算这些材料的电子能带结构及其与晶格的相互作用，确定材料的基本特性。在此基础上，解决了多电子相互作用体系中的强关联量子问题，寻找了由不同竞争因素引起的各种演化量子现象。研究了系统在光、电、磁、压等外场控制下的物理效应，揭示了导致这些效应的物理机制。
3计算软凝聚态物理
计算凝聚态物理基于经典或半经典的动力学描述和统计物理的理论框架，发展了分子动力学、蒙特卡罗方法和机器深度学习等算法。它研究非固体物质、活性物质和生命系统中动态相变、相分离、自组织、流变学、团簇运动等系统的复杂性、非平衡特性和普遍性，探索协同效应下的非常规统计规律和集体行为。这些系统包括但不限于泡沫、胶体、颗粒、聚合物、液晶、无定形和活生物体等。
4计算原子和分子物理学
计算分子物理从量子力学和量子电动力学出发，针对能量、时间和空不同尺度下的问题，通过计算模拟确定原子和分子的结构及其与外场的相互作用，研究有限原子或分子等少体系统在高温稠密、强外场、超冷等极端条件下物理效应的机理和控制手段。，在精密测量、惯性或磁约束聚变、天体物理观测等方面对国家有帮助。
5计算核物理
计算物理主要是针对具有多重相互作用和多自由度耦合的核系统，通过计算模拟来确定原子核结构、衰变、反应和相互作用的基本参数。主要利用晶格QCD和第一性原理计算方法，研究未知核数、核力和关联效应等基础科学问题，解决原子核聚变、裂变等动态演化过程的微观机制，根据国家在核能、核医学、核天体物理观测等方面的重大战略需求，开展核技术基础和应用研究。
6计算高能物理学
计算高能物理主要在标准模型理论框架下进行量子场论的微扰和非微扰计算。量子场论的高阶微扰计算可以对高能粒子的反应过程给出准确的理论预测。结合高能加速器上的实验现象，可以精确检验标准模型，探索标准模型之外的新物理。晶格QCD利用蒙特卡罗数值模拟研究强相互作用的非微扰性质，如强子质谱、强子结构、强子-强子相互作用和夸克禁闭等。，为标准模型的精确检验和新物理的探索提供了关键的非微扰参数。高性能计算和深度学习方法在分析和处理高亮度、高精度实验装置产生的海量数据方面也有重要应用。
7计算等离子体物理学
计算等离子体物理是针对在多时间空尺度上，波-波、波-粒子、粒子-粒子之间存在非线性相互作用的复杂系统。通过计算和模拟麦克斯韦方程和等离子体状态方程，研究了高能量密度约束聚变等离子体、惯性约束聚变等离子体、强激光等离子体、空间等离子体和低温等离子体的反应过程和机理。计算等离子体物理的研究不仅推动了高能量密度物理在约束聚变、激光加速和实验室天体物理中的应用，也推动了低温等离子体物理在航空航天空、材料加工、微电子、新材料制备和新能源中的应用。
桌子物理常用的计算方法
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在过去的二十年里，一批高性能计算机或集群应运而生。我国计算物理的研究规模大大扩大，研究工作的质量也显著提高，大大缩小了与国际先进水平的差距，在一些领域或方向上有所超越。但与此同时，我国计算物理在物理学各个分支的发展不平衡，特别是在计算方法、计算软件和数据库的建设和发展上，落后于西方发达国家。存在过度依赖商业软件的问题，制约了原始创新和有特色研究工作的开展，成为阻碍我国计算物理竞争力进一步提高的主要原因。
为了准确系统地了解计算物理的发展历史和现状，客观总结我国计算物理的优势和与国际先进水平的差距，正确把握计算物理的发展趋势和规律，充分借鉴国际计算物理的成功经验，对我国计算物理未来的发展方向，特别是人才队伍、计算软硬件平台进行顶层设计和布局， 科研经费和管理模式，中国科学院数学物理系于2014年11月启动了“计算物理战略研究”项目。 2018年1月，该项目进一步提升为国家自然科学基金委员会和中国科学院联合组织的学科发展战略研究项目。计算物理是这两个战略研究项目的结晶。
《计算物理》试图通过历史的考察和实例的分析梳理，对计算物理的发展做出科学的、战略性的总结和展望。包括以下五章:第一章分析讨论了计算物理研究的科学意义和战略价值，阐述了计算物理在整个科学体系和国家科技、国防战略发展中的地位和作用；第二章通过具体案例的分析，总结了计算物理发展的特点和学科发展的规律。第三章分析和讨论了计算物理的现状和发展趋势，特别是我国计算物理学科、人才队伍和软硬件平台建设的优劣势。第四章从计算物理的现状和趋势出发，提出了未来5 ~ 10年我国计算物理的基本科学问题、发展思路和优先发展方向。第五章从基金支持和国家科技政策方面分析了制约计算物理发展的关键因素，提出了促进计算物理发展的有效资助机制和政策建议。
本书是中国第一部关于计算物理发展的战略报告。本书立足于计算物理的发展趋势和我国计算物理的现状，提出了未来5 ~ 10年计算物理需要解决的关键科学问题和优先发展方向。但需要强调的是，基础研究总是存在不可预测性。科学家的好奇心和自由探索精神永远是计算物理发展的根本动力，学科发展的前瞻性预测永远存在不确定性。这些优先发展方向虽然不能涵盖计算物理发展的方方面面，但也代表了计算物理未来发展的必然趋势或重点。物理学内容广泛，发展迅速。在撰写本书的过程中，需要在充分体现其前瞻性和战略性的同时兼顾战略报告的科普性，仍需进一步完善。
计算物理学
中国科学院编辑的国家自然科学基金
北京:科学出版社，2022年1月。
国际标准书号978-7-03-070538-9
系列策划:侯和
编辑:朱姚
内容简介
本书分析了计算物理的学科发展任务和战略地位，以及学科发展规律和形势。提出我国计算物理发展中急需解决的一些基础科学问题和优先发展方向；针对制约计算物理发展的关键政策问题，提出了相应的资助机制和政策建议。
本书适合高层次战略与管理专家、相关领域高校师生、研究机构研究人员阅读。是科技工作者了解学科发展规律、把握前沿领域和重点方向的重要指南，是科技管理部门的重要决策参考，是公众了解计算物理研究现状和趋势的权威读本。
快速浏览目录
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引言ix摘要xix第一章计算物理的战略地位第一节计算物理的定义和内涵第二节计算物理在整个科学体系中的地位第三节计算物理在促进其他学科和技术发展中的作用第四节计算物理在国家科技战略发展中的作用第二章计算物理学科发展的规律和历史第十一节计算事物的研究内容和方法11。第二节计算物理发展的技术路线14。第三节人才培养特点16。第四节跨学科情况19。第五节计算软件的开发和应用。第六节学科发展史26页。第三章计算物理的发展趋势。第二节计算物理的发展趋势。第三节发展现状和各分支发展趋势. 66第四季度存在的问题94第四章计算物理的发展思路和方向97第一节学科发展的总体思路97第二节未来学科发展的重要研究方向99第五章促进计算物理发展的机制和建议131第一节加强计算物理方法的发展131第二节加强计算物理软件平台的建设和商业化133 第三节充分发挥国家超级计算平台的作用135第四节加强计算物理人才队伍建设137第五节设立计算物理重大研究项目促进交叉学科138参考文献140关键词索引161
[来源:科学出版社]
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