浅谈物理学与计算机密不可分的关系

浅谈物理学与计算机密不可分的关系

摘要：物理学与计算机科学技术看似是两个截然不同的学科，其实有着千丝万缕的联系，可以说物理学与计算机的发展是相辅相成的，有着密不可分的关系。

关键词：物理学发展；计算机发展；密不可分

引言

近代物理学的发展已有三百多年的时间，计算机的诞生是物理学发展的必然结果，几十年来，计算机技术的高速发展又为物理学提供了强有力的支持，计算机技术与物理学相辅相成，相互促进，相互渗透，两者有高度的交叉性。回顾计算机的发展史，我们发现每一个阶段都是以物理学的发展变革作为前提的，再看近代物理学的历史，计算机扮演着一个不可替代的角色。

一丶物理学是计算机硬件的基础

现存计算机是基于经典力学研发而成的。1944年，美国国防部门组织了有莫奇利和埃克特领导的200多位专家研制小组，经过两年多的艰苦劳动，于1946年2月15日，在美国的宾夕法尼亚大学里研制出了人类的第一台电子管数字积分计算机ENIAC。1947年，美国的巴丁等几位科学家研制出了既小又可靠，并且不会变热，结构单一的晶体管。1953年，德克萨斯仪器公司和仙童公司都宣布研制成第一块集成电路。1954年，德克萨斯仪器公司首先宣布建成了世界上第一条集成电路生产线。随后美国贝尔实验室制成第一台晶体管计算机——TRADIC，使计算机体积大大缩小。

1958年，美国IBM公司制成全部使用集体管的计算机，第二代计算机诞生了。第二代计算机的运算速度比第一代计算机提高了近百倍。

60年代中期，随着集成电路的问世，第三代计算机诞生了，其标志产品是1964年由美国IBM公司生产的IBM360系列机。早期的INTEL8080CPU的晶体管集成度超过5000管/片，1977年以后在一个硅片上就可容纳数万个管子。80年代左右，IBM制成了第一代微型计算机8086.PIII的晶体管集成度有2800万个。

第四代计算机以大规模集成电路作为逻辑元件和存储器，使计算机向着微型化和巨型化方向发展。计算机的微处理器从早期的8086，发展到80286，80386，80486，奔腾（Pentium）奔腾二代（PentiumII）、奔腾三代（PentiumIII）及奔腾四代（PentiumIV）。

整个计算机的硬件基础就是物理，我们能看出物理在计算机发展中的地位，整个硬件的基础，没有硬件的发展，计算机在一定的程度上想往上提高不太可能。另外量子计算机正在技术攻关中。

二、物理研究成果在计算机上的应用

磁芯现代计算机内存贮器都是体积小，速度快的磁芯所组成，而磁芯的应用，则是物理学研究成果用于计算机的一个突出例子。1950年王安等人在《应用物理学》杂志上发表了磁性材料的有关论文，一年后，同一杂志发表了斯莱斯特应用这种材料于数字记录的文章。两年后，MIT的计算机就采用了这种磁芯作为内在存贮器，从此，陆续研制出了磁带，磁鼓，磁盘，软磁盘等，四十多年来，磁性材料一直是计算机的主要或辅助存储设备。

物理效应固体电子学中有场效应构成了MOS集成电路量子力学的隧道效应，发明的隧道二极管；六十年代初发现了约瑟夫逊效应，今天就已经有了高速度，低功耗的器件等等。

“荒诞不经”的黑洞计算机为了与时俱进，研究人员可以把物理学定律看作计算机程序，把宇宙

看作是一台计算机。黑洞计算机可能听起来荒诞不经，然而，宇宙学和基础物理学的研究人员正在证明它是一个有用的概念工具。如果物理学家能够在粒子加速器中创造黑洞（有预言认为10年之内可能实现），他们可能确实能观察到黑洞在执行运算。

量子计算机量子计算机（quantum computer）是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。量子计算机，早先由理查德·费曼提出，一开始是从物理现象的模拟而来的。可他发现当模拟量子现象时，因为庞大的希尔伯特空间使资料量也变得庞大，一个完好的模拟所需的运算时间就变得相当可观，甚至是不切实际的天文数字。理查德·费曼当时就想到，如果用量子系统构成的计算机来模拟量子现象，则运算时间可大幅减少。量子计算机的概念从此诞生。

量子计算机，或推而广之——量子资讯科学，在1980年代多处于理论推导等纸上谈兵状态。直到1994年彼得·秀尔（Peter Shor）提出量子质因子分解算法后，因其对于现在通行于银行及网路等处的RSA加密算法可以破解而构成威胁之后，量子计算机变成了热门的话题。除了理论之外，也有不少学者着力于利用各种量子系统来实现量子计算机。

半导体靠控制集成电路来记录和运算信息，量子电脑则希望控制原子或小分子的状态，记录和运算信息。

量子计算机的特点相应于经典计算机的以上两个限制，量子计算机分别作了推广。量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述，如二能级系统（称为量子比特（qubits）），量子计算机的变化（即量子计算）包括所有可能的玄正变换。

1.量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态，其相互之间通常不正交：

2.量子计算机中的变换为所有可能的玄正变换。得出输出态之后，量子计算机对输出态进行

一定的测量，给出计算结果。

由此可见，量子计算对经典计算作了极大的扩充，经典计算是一类特殊的量子计算。量子计算最本质的特征为量子叠加性和量子相干性。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算机的输出结果。这种计算称为量子并行计算。

三丶计算机对物理学的影响

随着计算机日新月异的发展，已经出现了物理与计算机科学相互交融的趋势。计算机诞生的一个促进因素，是物理学中有大量的计算问题。计算机研制出来以后，对解决物理学中的计算问题起了极大的作用。计算机技术的高速发展为物理学提供了强有力的计算工具，同时也对物理学研究方法产生了极大地影响，这种影响表现在三个方面：猜想检验，场景仿真，理论推导。

1.物理学猜想的检验

在没有计算机的时代，物理学猜想的检验是一个相当漫长的过程，甚至在一个人有限的生命周期中无法完成。有了计算机系统后，利用计算机系统海量的存贮能力和高速运算能力，我们可对复杂物理系统的运动规律做出猜想，并在计算机系统中作快速或慢速模拟实验并与系统实际的有限运动过程或运动状态进行对比以不断检验和修正猜想，有望最终发现物理规律。计算机系统的高速运算能力和强大的符号演算能力为物理学研究的猜想方法装上了飞翔的翅膀。

2.提供一定“仿真程度”的物理系统运动场景

对于很多相对简单、运动规律已知的物理系统，要让学习者观察研究其运动特征，我们既可以以一定的代价花较多的时间做物理实验，也可以花很小的代价在计算机系统上作快速或慢速仿真实验为研究者提供一定“仿真程度”的观察研究系统运动特征的“场景”。例如：布朗运动，斜抛运动，水面波动等。而且“仿真”物理过程，可以随时重复进行。这为物理学的实验研究方法扩大了事业。绵阳九院科技馆中利用计算机系统和投影仪在三维空间中形成十分逼真的全息动态图像，演示原子弹爆炸的全过