物理与计算机的关系分析

汪荣臻

摘要：随着人类对于物理学研究的不断发展，计算机及其相关技术应运而生，计算机可以说是目前人类所取得的最突出的科学成就之一。从计算机诞生到不断革新的发展历程中我们可以看到。物理学的发展为计算机技术奠定了坚实的基础，反过来计算机的出现又将为物理学的进步提供重要的动力。历史上每一计算机技术的变革与发展都离不开物理学的发展，而当前物理学的研究也再也离不开计算机的帮助，二者相辅相成，起着相互促进的作用。

关键词：物理学；计算机；关系分析

随着人类对于自然规律的认识越发深刻，逐渐地创建出了越发完善化的自然科学理论，其中就包括物理学，而为了更好地生存发展，人类又运用这些理论研究创造出了许多技术体系，其中最突出的就是计算机。计算机技术的发展为物理学乃至人类整体的科学研究进程大大提速。两者已然形成了一种互动动力，竞争发展的良性循环。

一、物理学对计算机的影响分析

（一）物理学是计算机硬件诞生的基础

人类创造的第一台电子管数字积分计算机ENIAC早在1944年就诞生于美国。并从19世纪50年代开始，计算机技术不断更新换代，到目前为止，我们所使用的计算机已经经历了四次重要革新。我们应当明确的是，数学是计算机软件的基础，而物理学则是计算机硬件的基础。没有物理的发展，就没有计算机硬件，那么相应的计算机计算的发展也无从提起。

（二）计算机是物理学发展成熟的必然产物

从牛顿开始，他所发明的微积分，发现的万有引力定律以及创立的经典光学理论，奠定了现代物理学发展的基础。之后，由數学家布尔以及德摩根发明了对于数理逻辑发展意义重大的布尔代数；法拉第创立电磁理论，赫兹发现电磁波，以爱因斯坦为代表的一大帮杰出的科学创立并不断发展了量子力学；最后，德福雷斯特所发明的电子三极管凭借其能够放大电信号的重要作用为计算机的发展贡献了卓越的力量。在这两百多年的时间里，无数物理学家为他们的研究工作贡献了毕生心血，也正应如此，电磁理论、量子力学、半导体理论这些重要的理论与技术为计算机的诞生奠定了坚实的基础，在这些理论发展所带来的巨大推动力下下，计算机应运而生。

二、計算机对物理学的影响分析

计算机技术的不断进步为物理学的进一步发展创造了极具效率的重要工具，它不仅能够帮助完成巨量的计算任务，更是深刻地影响了物理学的研究方法。这些影响主要就体现在以下三个方面：

（一）快速检验猜想

以往时代由于没有计算机的存在，物理学家要想验证一个物理学猜想需要一个极为漫长的过程，甚至大部分猜想穷极其一生的精力也难以完成。但计算机技术的出现完全的改变了这一情况，它凭借自身超高的运算速度与广阔的储存空间，为物理学家提出与物理系统运动规律相关的猜想，以及对其验证的工作都提供了巨大的帮助。他们可以凭借计算机系统进行模拟实验，在该系统中无论需要快速还是慢速的运动状态都可以实现，将其与系统实际的有限运动过程以及运动状态进行对比，从而得以不断地以更加有效地方式去修正并最终验证猜想，那么新的物理规律就可能因此诞生。可以说，计算机系统的强大功能为物理学家的相关研究贡献了不可磨灭的重要力量。

（二）模拟具有一定“仿真性”的物理系统运动场景

过去许多物理学家通过自身的努力已经验证了许多运动规律，创造了一些相对简单的物理系统，如果需要对其运动特征进行观察研究，以往就只能以物理实验的方式实现，而这种方式所需要的成本是比较高的，但随着计算机系统的诞生，我们近乎无需成本就可以通过这一工具来模拟具有一定“仿真性”的物理系统运动场景，例如水面波动、斜抛运动以及布朗运动等等。并且，这些物理过程都是可以随时重复直到完成研究目标为止的，这给物理学的实验研究方法创造了全新的空间。例如，我国某科技馆就在综合运用计算机系统以及投影仪等多种现代化工具的基础上创造了一个三维空间，在这个空间中形成了一个极为逼真的全息动态图像，通过这个动态图像，观察者可以直观而清晰地观察到原子弹爆炸的整个过程，而这在以往是无法想象的。毫无疑问，计算机技术的发展对于物理学研究做出了巨大的贡献。

（三）帮助实现对复杂理论的演算推导

最后，计算机技术的发展还为物理学的理论研究、复杂程度较高的计算工作、数学推导、函数曲线曲面绘制、对函数零点极值极点的求解都提供了极大的便利。以往的相关研究人员需要在这些繁琐枯燥的计算工作中耗费大量的精力，而如今有了计算机系统，他们可以真正地将所有精力都用以探寻物理系统的运动规律以及物理量的本质意义上。举例而言，无论是求解变系数常微分方程、超越代数方程求根，还是求逆矩阵或是进行因式分解，都可以交由计算机系统来进行操作，不仅能够确保准确性，其工作效率也是人为操作无法企及的。尤其是在当前物理学的研究重点转移到了量子力学之后，由于其理论中许多数学符号的演算推导过程极为复杂，但通过相应的计算机技术，凭借其具备的符号演算功能却能够轻松完成。

三、结语

综上所述我们可以看到，基于计算机这两百多年的发展历史，其每一次取得的重大技术突破无疑不是以物理学的发展作为前提的。计算机的各种硬件，无论是电子管、晶体管，还是后来出现的大规模集成电路，他们的出现都是物理学发展的产物，是物理学研究成果的实际体现。反过来我们同样能够看到，计算机计算的飞速发展不仅为相关的研究人员节省了大量的工作时间，提升其工作效率，对于物理学的研究方法本身也在起着重要的影响作用，这种有利的影响作用将持续下去并不断扩大，从而为未来物理学的进一步发展带来最强大的动力。

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