Кіріспе

Физика мен астрономияда N денелік модельдеу - денелік күштердің әсерімен, әдетте, ауырлық күші сияқты денелік жүйелердің модельдеуі. N денелік симуляциялар астрофизикада кеңінен қолданылатын құралдар болып табылады, Жер, Ай, Күн жүйесі сияқты бірнеше денелік жүйелердің динамикасын зерттеуден бастап ғаламның ірі масштабтағы құрылымының эволюциясын түсінуге дейін. Физикалық космологияда N денелік симуляциялар галактикалық талшықтар мен галактикалық галолар сияқты қараңғы материяның әсерінен пайда болатын сызықтық емес құрылымның қалыптасу процестерін зерттеу үшін қолданылады. Жұлдыз шоғырларының динамикалық эволюциясын зерттеу үшін тікелей N денелік симуляциялар қолданылады.

Бөлшектердің табиғаты

Симуляциямен өңделген "бөлшектер" табиғаты жағынан бөлшекті физикалық объектілерге сәйкес келуі немесе болмауы мүмкін. Мысалы, жұлдыз шоғырының N денелік симуляциясында әр жұлдызға бір бөлшек болуы мүмкін, сондықтан әрбір бөлшектің белгілі бір физикалық мәні бар. Екінші жағынан, газ бұлтының симуляциясы әрбір атом немесе газ молекуласы үшін бір бөлшекті қамтамасыз ете алмайды, өйткені бұл әр мол материалы үшін e = 23 бөлшектің реті бойынша қажет болады (Авогадро тұрақтысын қараңыз), сондықтан бір ғана 'бөлшек' газдың әлдеқайда үлкен мөлшерін білдіреді (көбінесе тегістелген бөлшектер гидродинамикасын қолдану арқылы жүзеге асырылады). Бұл шаманың физикалық мәні болуы шарт емес, бірақ ол дәлдік пен басқаруға болатын компьютерлік талаптар арасындағы келісім ретінде таңдалуы керек.

Қара материяның симуляциясы

Қара материя галактикалардың пайда болуында маңызды рөл атқарады. Қара материя бөлшектерінің тығыздығы f (фазалық кеңістікте) уақыт эволюциясын соқтығысусыз Болцман теңдеуімен сипаттауға болады. Теңдеуде жылдамдық, ал Φ - Пуассон теңдеуімен берілген гравитациялық потенциал. Бұл екі қосарланған теңдеулер қараңғы материя бөлшектерінің бастапқы шарттарын анықтағаннан кейін Фридман теңдеулерімен реттелетін кеңейіп жатқан фонды Ғаламда шешіледі. Қара материя бөлшектерінің орналасуы мен жылдамдығын бастау үшін қолданылатын әдеттегі әдіс біркелкі Картезиан торлары немесе шыны тәрізді бөлшектер конфигурациясында қозғалатын бөлшектерді қамтиды. Бұл сызықтық теорияның немесе төменгі тәртіптің бұзылу теориясының шамасын пайдалану арқылы жасалады.

N-денелердің тікелей гравитациялық симуляциялары

Тікелей гравитациялық N денелік симуляцияларда өзара гравитациялық күштердің әсерінен N бөлшектердің қозғалысы теңдеулері сандық түрде оңайлатуды көздеместен интеграцияланады. Бұл есептеулер жеке нысандар арасындағы өзара әрекеттесулер, мысалы жұлдыздар немесе планеталар, жүйенің эволюциясы үшін маңызды болған жағдайларда қолданылады. Бірінші тікелей гравитациялық N денелік симуляцияларды 1941 жылы Лунд обсерваториясында Эрик Холмберг жүргізді, ол жарық таралуы мен гравитациялық өзара әрекеттесу арасындағы математикалық балама арқылы галактикаларды кездестірудегі жұлдыздар арасындағы күштерді анықтады: жарық шамдарын жұлдыздардың орналасуына қойып, жұлдыздардың орналасуындағы бағыттағы жарық ағынын фотоэлементпен өлшеді, қозғалыс теңдеулерін О ((N) күшпен біріктіруге болады. Алғашқы таза есептеулік симуляцияларды Себастьян фон Хоернер Германияның Гейдельберг қаласындағы Astronomisches Rechen Institut-та жасаған. Кембридж университетіндегі (Ұлыбритания) Сверре Аарсет өзінің бүкіл ғылыми өмірін адаптивті (иерархиялық) уақыт қадамдарын, Ахмад Коэн көрші схемасын және жақын кездесулерді реттеуді қолданатын астрофизикалық қосымшалар үшін жоғары тиімді N дене кодтарының сериясын дамытуға арнады. Регларизация - бұл бір-біріне кездейсоқ жақын келетін екі бөлшектің Ньютонның гравитациялық заңындағы сингулярлықты жою үшін математикалық амал. Сверре Аарсеттің кодтары жұлдыз шоғырларының, планеталық жүйелердің және галактикалық ядролардың динамикасын зерттеу үшін қолданылады.

Жалпы салыстырмалылық симуляциялары

Көптеген симуляциялар жеткілікті үлкен, сондықтан жалпы салыстырмалылық теориясының Фридманн Лемайтр Робертсон Уокер космологиясын құрудағы әсері маңызды. Бұл симуляцияға комовингтік координаттар жүйесіндегі арақашықтықтың (немесе масштабтық фактордың) эволюцияланатын өлшемі ретінде енгізілген, бұл бөлшектердің комовингтік координаттарда баяулауына әкеледі (оның себебі олардың физикалық энергиясының қызылға ауысуы). Алайда, жалпы салыстырмалылық теориясының және гравитацияның шекті жылдамдығының үлесін ескермеуге болады, өйткені симуляция үшін жарық қиылысу уақытына қарағанда типтік динамикалық уақыт шкалалары ұзын, ал бөлшектер мен бөлшектердің жылдамдықтары келтіретін кеңістік-уақыт қисықтығы кіші. Бұл космологиялық симуляциялардың шекаралық шарттары әдетте мерзімді (немесе тороидтық) болады, сондықтан симуляция көлемінің бір жиегі қарама-қарсы жиегімен сәйкес келеді.

Есептеуді оңтайландыру

N денелік симуляциялар қағидаты бойынша қарапайым, өйткені олар Ньютондық гравитациядағы бөлшектердің қозғалысын анықтайтын 6N қарапайым дифференциалдық теңдеулерді интеграциялауды қамтиды. Іс жүзінде, қатысатын бөлшектердің саны әдетте өте үлкен (типілі симуляцияларға көптеген миллион, мыңжылдық симуляцияға он миллиард кіреді) және есептеуді қажет ететін бөлшектер арасындағы өзара әрекеттесулер саны N2 шамасында өседі, сондықтан дифференциалдық теңдеулерді тікелей интеграциялау есептеуді өте қымбатқа соғады. Сондықтан, әдетте бірнеше тазартулар қолданылады. Сандық интеграция әдетте кішігірім уақыт кезеңдерінде, мысалы, секіріп интеграциялау әдісін қолдана отырып орындалады. Алайда, барлық сандық интеграция қателерге әкеледі. Кішігірім қадамдар қателерді азайтады, бірақ баяу жүреді. Leapfrog интеграциясы шамамен 2 -ші реттік уақыт қадамы, басқа интеграторлар, мысалы RungeKutta әдістері 4-ші реттік дәлдікке немесе одан да жоғары болуы мүмкін. Ең қарапайым түзетулердің бірі - әр бөлшектің өзімен бірге уақыт-кезеңінің өзгермелісі бар, сондықтан әртүрлі динамикалық уақытпен бөлшектердің барлығы ең қысқа уақытпен алға эволюциялануға тиіс емес. Мұндай симуляциялардың есептеу уақытын қысқарту үшін екі негізгі шамалау схемасы бар. Бұл есептеу күрделілігін O ((N log N) немесе одан да жақсы, дәлдік жоғалту арқылы азайта алады.

Ағаш әдістері

Ағаш әдістерінде, мысалы, Барнс-Хат симуляциясында, октри әдетте көлемді кубикалық жасушаларға бөлу үшін қолданылады және тек жақын жасушалардан келетін бөлшектер арасындағы өзара әрекеттесулерді жеке-жеке қарастыру қажет; алыстағы жасушалардағы бөлшектер алыстағы жасушаның масса орталығына (немесе төменгі тәртіптегі көпполюсті кеңеюге) бағытталған бір үлкен бөлшек ретінде ұжымдық қарастырылуы мүмкін. Бұл параметрлер парамен байланысқан бөлшектердің санын азайтады. Симуляцияны бөлшектер арасындағы өзара әрекеттесуді есептеумен толып кетудің алдын алу үшін жасушаларды жасушасына көптеген бөлшектер кіретін симуляцияның тығыз бөліктеріндегі кіші жасушаларға тазарту керек. Бөлшектердің біркелкі бөлінбейтін симуляциялар үшін Каллахан мен Косараджуның жақсы бөлінген жұптар ыдырау әдістері тұрақты өлшеммен қайталану үшін оңтайлы O ((n log n) уақытты береді.

Бөлшектік тор әдісі

Тағы бір мүмкіндік - бұл бөлшектер тор әдісі, онда кеңістік торда дискреттеледі және гравитациялық әлеуетті есептеу мақсатында бөлшектер тордың айналасындағы 2x2 шыңдары арасында бөлінеді деп есептеледі. Ф потенциалдық энергиясын Пуассон теңдеуімен табуға болады, мұндағы G - Ньютонның тұрақтысы және тығыздық (жұлдыздық нүктелердегі бөлшектердің саны). Тез Фурье түрлендірмесінің бұл мәселені жылдамдық доменіне барып шешуге болады, онда Пуассон теңдеуінің қарапайым түрі бар, онда қозғалатын толқын саны және қалпақтар Фурье түрлендірмесін білдіреді. Енді гравитациялық өрісті көбейту арқылы және кері Фурье түрлендірмесін есептеу арқылы (немесе кері түрлендірмені есептеу арқылы және басқа әдісті қолдану арқылы) табуға болады . Бұл әдіс тордың көлемімен шектелгендіктен, тәжірибеде кіші тор немесе басқа әдіс (мысалы, ағашпен немесе қарапайым бөлшектік бөлшектік алгоритммен біріктіру) шағын масштабтағы күштерді есептеу үшін қолданылады. Кейде адаптивті тор қолданылады, онда симуляцияның тығыз аймақтарында тор жасушалары әлдеқайда кіші болады.

Арнайы жағдайларды оңтайландыру

Күн жүйесіндегі нысандардың бағытын нақты бағалау үшін бірнеше гравитациялық кедергілер алгоритмі қолданылады. Адамдар жиі жер серігін мұздатылған орбитаға шығарады. Жерді айналып жүрген спутниктің жолы Жердің ортасы бойынша 2 денелік эллипстік орбитадан басталып, Жердің жазықтығына, Күн мен Айдың гравитациялық тартуына, атмосфералық тартылуға және т.б. байланысты кішігірім түзетулерді қосу арқылы дәл модельдеуге болады. Жерсерік бағытын нақты есептеп шықпастан, мұздаған орбитаны табуға болады. Шағын планетаның, кометаның немесе алыс қашықтықтағы ғарыш кемесінің жолы Күнді айналдыратын 2 денелік эллипстік орбитадан басталып, олардың белгілі орбиталарындағы үлкен планеталардың гравитациялық тартуынан кішігірім түзетулер қосып, жиі дәл модельдеуге болады. Бөлшектердің жүйесінің ұзақ мерзімді жолдарының кейбір сипаттамаларын тікелей есептеуге болады. Кез келген бөлшектің нақты жолы аралық қадам ретінде есептелу қажет емес. Мұндай сипаттамаларға Ляпунов тұрақтылығы, Ляпунов уақыты, әр түрлі өлшеулер эргадикалық теориядан және т.б. жатады.

Екі бөлшектік жүйелер

Үлгілік симуляцияларда миллиондаған немесе миллиардтаған бөлшектер болса да, олар әдетте өте үлкен массасы бар, әдетте 109 күн массасы бар нақты бөлшектерге сәйкес келеді. Бұл екі бөлшектік қос жүйелердің пайда болуы сияқты бөлшектердің арасындағы қысқа аралықтағы өзара әрекеттесу мәселелерін туғыза алады. Бұл бөлшектер үлкен сандағы қара материя бөлшектерін немесе жұлдыздар топтарын бейнелейтіндіктен, бұл қос жұлдыздар физикалық емес. Бұған жол бермеу үшін, қысқа қашықтықта кері квадрат радиусы ретінде ауыспайтын, жұмсалған Ньютон күшінің заңы қолданылады. Көптеген симуляцияларды іске асыру үшін бұл өте табиғи түрде, симуляцияларды шекті өлшемді жасушаларда орындау арқылы жүзеге асырылады. Дискреттеу процедурасын бөлшектердің үнемі өздеріне жоғалу күшін тигізетіндей етіп жүзеге асыру маңызды.

Жұмсату

Жұмсақтандыру - бұл сандық айырмашылықтарды болдырмау үшін N денелік техникада қолданылатын сандық амал, өйткені бір бөлшек екіншісіне тым жақын келгенде (және күш шексізге дейін барады). Бұл әрбір бөлшектің реттелген гравитациялық потенциалын өзгертіп алынады (1/r емес), мұнда жұмсарту параметрі. Жұмшақтау параметрінің мәні симуляцияларды нақты жүргізу үшін жеткілікті кіші болуы керек.

N-денелік симуляциялардың нәтижелері

N денелік симуляция үлкен масштабтағы қара материяның таралуы мен қара материя галоларының құрылымы туралы мәлімет береді. Салқын қара материяның симуляцияларына сәйкес, қара материяның жалпы таралуы үлкен масштабта мүлдем біркелкі емес. Оның орнына, ол желіге ұқсас құрылымды көрсетеді, ол босқа, қабырғалардан, талшықтардан және галолардан тұрады. Сонымен қатар, симуляция галолардың концентрациясы мен масса, бастапқы флуктуация спектрі және космологиялық параметрлер сияқты факторлардың арасындағы байланыс галолардың нақты қалыптасу уақытына байланысты екенін көрсетеді. Әсіресе, массасы аз галолар ертерек пайда болады, нәтижесінде олардың пайда болған кездегі Ғаламның тығыздығының жоғары болуына байланысты концентрациясы жоғары болады. Галоның пішіні мүлдем шар тәрізді емес екені анықталды. Әдетте, галолар ұзартылған болып табылады және олардың орталықтарына қарай өрістеді. Алайда, қара материя мен бариондардың өзара әрекеттесуі қара материя галосының ішкі құрылымына әсер етеді. Шағын масштабтағы құрылымдарды зерттеу үшін қараңғы материя мен бариондарды үлгілейтін модельдер қажет.

Симуляцияларға бариондарды, лептондарды және фотондарды енгізу

Көптеген симуляция тек суық қара материяны ғана симуляциялайды, сондықтан тек гравитациялық күшті қамтиды. Симуляцияларға барион, лептондар мен фотондарды енгізу олардың күрделілігін күрт арттырады және көбінесе физиканың түбегейлі жеңілдетуін жасауға тура келеді. Алайда, бұл өте маңызды сала және көптеген заманауи симуляциялар қазір галактикалар пайда болу кезінде болатын процестерді түсінуге тырысады, бұл галактикалар бейімділігін түсіндіреді.

Есептеу күрделілігі

Рейф пен Тейт егер n дененің қолжетімділік мәселесі келесідей анықталса, онда: берілген n дененің белгіленген электростатикалық потенциал заңына сәйкес келетінін, дененің берілген уақыт аралығында мақсатты допқа жететінін анықтау, онда біз поли (n) бит дәлдікті талап етеміз және мақсатты уақыт поли (n) PSPACE-да. Екінші жағынан, егер мәселе дене ақырында мақсатты допқа жетеді ме деген болса, онда мәселе PSPACE-ге қиын. Бұл шектер сәулелерді іздеу үшін алынған ұқсас күрделілік шектеріне негізделген.