Angkat Tangan Anda dan Tanyakan: Apa itu 'Simulasi N-Body'?

Catatan: Kebanyakan orang tidak ingin menjadi orang yang tidak keren untuk mengangkat tangan dan mengajukan pertanyaan, tetapi dalam banyak kasus kita harus melakukannya. Postingan 'Angkat Tangan dan Bertanya' yang sesekali ini menyoroti “kata kunci” keren yang mungkin pernah Anda dengar. Tujuan saya bukan hanya untuk menjelaskan apa artinya (bahwa Anda dapat melihat ke atas), tetapi juga mengapa itu penting.

Apa artinya "N-body" - dan mengapa saya harus peduli?

Bagaimana para peneliti mengevaluasi pengobatan potensial untuk HIV dan AIDS?

Simulasi N-tubuh.

Bagaimana ahli astrofisika mempelajari perluasan alam semesta, dan sifat materi gelap?

Simulasi N-tubuh.

Bagaimana para ilmuwan ingin mengaktifkan fisika plasma studi fusi terkontrol?

Simulasi N-tubuh.

N-body secara harfiah berarti "N" (beberapa angka) dari "tubuh" (objek). Simulasi N benda adalah simulasi objek N dan interaksinya dari waktu ke waktu. Ingatlah, masing-masing dari N tubuh sibuk bergerak. Oleh karena itu, setiap benda memiliki arah, kecepatan, dan mungkin muatan. Saat kami berusaha untuk mensimulasikan gerakan mereka dari waktu ke waktu, kami akan memperbarui informasi mengenai setiap tubuh di setiap langkah waktu. Kita perlu mempertimbangkan apa yang terjadi pada masing-masing tubuh di setiap langkah waktu untuk menemukan di mana mereka untuk memulai simulasi langkah waktu berikutnya.

istock

Empat kekuatan - belum disatukan secara megah

Benda-benda tunduk pada empat "interaksi fundamental": nuklir kuat, nuklir lemah, elektromagnetik, dan gravitasi. Dua yang pertama memiliki gaya hanya pada jarak yang sangat pendek (subatomik). Interaksi gravitasi antar massa, dan interaksi elektromagnetik antar muatan, adalah contoh gaya jarak jauh. Gaya jarak jauh berkurang secara terbalik sebagai kuadrat jarak. Dengan kata lain, dua kali jarak berarti seperempat gaya. Dalam tempat sempit, kita mungkin perlu mempertimbangkan keempat gaya. Saat kita memperluas jarak, kita dapat mulai mempertimbangkan hanya gravitasi dan elektromagnetik. Pada jarak yang sangat jauh, hanya gaya gravitasi yang penting karena gaya elektromagnetik pada dasarnya saling meniadakan pada skala planet, bintang, dan galaksi.

Dengan asumsi kita mensimulasikan aktivitas banyak benda (N) kita, kita dapat menghitung semua gaya berpasangan dengan membuat perhitungan N2. Ini adalah jumlah komputasi yang tidak dapat diterima untuk sejumlah objek yang wajar, dan oleh karena itu hal yang menarik tentang "simulasi N-benda" adalah bagaimana menyederhanakan simulasi kita agar praktis untuk dihitung.

Perkirakan dengan mengelompokkan ke dalam beberapa wilayah (dekat vs. jauh)

Untuk mendapatkan yang terbaik dari kedua dunia, kita dapat menganggap tubuh kita menjadi beberapa wilayah, dan melakukan penghitungan berpasangan hanya pada benda dalam satu wilayah. Kita dapat fokus pada gaya dalam interaksi jarak dekat dalam suatu wilayah, dan menggunakan metode yang lebih cepat berdasarkan perkiraan medan jauh gaya jarak yang lebih jauh, yang hanya berlaku antara wilayah sistem yang terpisah dengan baik. Metode untuk mempercepat penyelesaian masalah benda-N terbagi dalam tiga kategori: metode jala-partikel (paling baik untuk benda-benda N yang berjarak seragam), metode kode pohon (lebih cocok daripada jala ketika benda sangat tidak seragam seperti bintang di galaksi) , dan metode multipol cepat (FMM, juga cocok untuk distribusi yang tidak seragam).

Untuk simulasi kosmik, di mana benda adalah bintang, planet, dll., Semua interaksinya bersifat gravitasi karena gaya lainnya tidak menjadi masalah. Simulasi benda-N gravitasi dapat digunakan untuk mensimulasikan mekanika langit seperti perluasan alam semesta, atau orbit planet dan komet.

Untuk dinamika molekuler, dinamika fluida, dan fisika plasma, di mana benda adalah molekul, atom, atau partikel subatomik, gaya selain gravitasi perlu dimasukkan, setidaknya dalam wilayah di mana benda paling dekat satu sama lain.

Dinamika molekuler dapat menyebabkan penyembuhan

Simulasi dinamika molekuler sangat penting dalam bidang biokimia dan biologi molekuler. Simulasi dapat melibatkan interaksi protein, asam nukleat, membran, virus, dan obat-obatan. Simulasi semacam itu dapat membantu kita memahami penyakit dan mengevaluasi kemungkinan penyembuhannya. Misalnya, obat anti-virus umumnya bekerja dengan mengganggu replikasi (menghentikan penyebaran virus) atau menghalangi pergerakannya di dalam tubuh (membuatnya tidak dapat melewati membran sel). Simulasi dapat membantu memahami keefektifan potensial dari perawatan semacam itu ketika digunakan dalam kompleksitas tubuh.

Simulasi N-body - teknik kunci

Untuk alasan apa pun, jika Anda memiliki sekumpulan objek yang berinteraksi satu sama lain, maka Anda memiliki masalah N-body. Konsep seputar cara mensimulasikan interaksi mereka merupakan topik yang luas, yang telah mendapat banyak perhatian. Mengetahui bahwa topik yang luas disebut "simulasi N-body" adalah langkah pertama untuk memahami cara memanfaatkan bidang yang dipelajari dan didukung secara kaya ini.

Jika Anda ingin menggali lebih dalam, berikut beberapa bacaan yang disarankan:

  • Simulasi N-Body - ini memiliki diagram yang bagus, Syracuse University
  • Dinamika Molekuler dan Masalah N-Tubuh, Universitas Buffalo, Departemen Fisika
  • Kursus singkat tentang metode multipol cepat, Universitas Canterbury dan Universitas New York
  • Kode Pemula untuk Simulasi N-Body (termasuk bab buku 25 halaman tentang topik dalam unduhan untuk kode), Institute for Advanced Study dan University of Tokyo Astronomy Dept.
  • Ringkasan N-Body Simulations, Princeton Physics Dept.
  • Perbandingan praktis Algoritma N-Body, Universitas Carnegie Mellon

Klik di sini untuk mengunduh uji coba gratis 30 hari Intel Parallel Studio XE Anda