计算物理以计算机为工具，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，是物理学的重要组成部分。计算物理是过去二十年来物理学中发展最迅速的一个领域，在物理学的各个分支学科中发挥了极其重要的作用，已成为与实验物理和理论物理同等重要并可持续发展的二级学科。计算物理是物理学研究的重要方向，已成为解决传统理论物理所无法解决的问题、替代或减少实验成本、揭示新的物理效应和规律的必要手段。同时，计算物理的发展也对材料、信息、能源、化学、生物学科及其应用的发展起到推动作用，在国家科技与国防战略发展中至关重要。

计算物理学的前沿研究领域

物理学是研究宇宙中物质产生、演化、相互作用及内在运动规律的基础科学，涉及从微观到宏观、少体到多体、零温到高温及超高压和极强场等极端条件下的各种现象。计算物理学是物理学、数学和计算机科学与技术交叉融合的产物，兼具基础研究与应用研究的双重属性。目的是从物理学原理出发，以数学为依据，通过发展各种计算方法或算法，开发软件，并通过大规模的科学计算，解决各种时间、空间和能量尺度上的物理问题。

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按照研究的对象和特点，计算物理学分为计算统计物理、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、计算等离子体物理等七个子学科。这些子学科存在一定的交叉，但面向不同的物理体系，在问题表述、研究方式和应用前景等方面呈现各自的边界范畴和困难挑战。

1计算统计物理

计算统计物理通过建立物理体系在特定外在环境下的统计模型，发展相应的算法，从物质微观状态的概率分布出发，描述系统的稳态结构和动态演化，建立系统涨落现象等微观动力学与宏观有序运动之间的联系及规律。研究既涉及统计模型的相变及其临界行为、普适类等，也包括统计模型及其基本特性在网络、神经、生命、经济、大分子及机器学习等体系中的应用，并为计算机在互联网、大数据、云计算、人工智能及社会复杂体系等领域的应用提供物理依据。

2计算凝聚态物理

计算凝聚态物理针对以固体材料为主的凝聚态物质，研究组成这些材料的原子空间结构及其与电子电荷、自旋和轨道自由度的耦合，并发展相应的计算方法。主要从量子力学出发，在原子层次上设计和确定具有不同功能、不同结构和不同组分的材料体系，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，解决多电子相互作用系统中出现的强关联量子问题，寻找不同竞争因素导致的各种演生量子现象，研究系统在光、电、磁、压强等外场调控下产生的物理效应，揭示导致这些效应的物理机理。

3计算软凝聚态物理

计算软凝聚态物理从经典或半经典的动力学描述和统计物理的理论框架出发，发展分子动力学、蒙特卡洛方法、机器深度学习等算法，研究非固态物质、活性物质和生命体系中的动力学相变、相分离、自组织（自组装）、流变、群集运动等体系的复杂性、非平衡特性和普适性，探索协同效应下非常规的统计规律与集体行为。这些体系包括但不限于泡沫、胶体、颗粒物、高分子、液晶、非晶及生命体等。

4计算原子分子物理

计算原子分子物理从量子力学和量子电动力学出发，针对不同能量、时间和空间尺度上的问题，通过计算模拟，确定原子与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、强外场和超冷等极端条件下，物理效应产生的机理及其调控手段，为国家在精密测量、惯性或磁约束聚变（magneticconfinementfusion，MCF）、天体物理观测、武器物理等领域的重大战略需求提供物理依据。

5计算核物理

计算核物理主要针对多种相互作用和多自由度耦合的核子系统，通过计算模拟确定原子核的结构、衰变、反应及相互作用的基本参数。主要是运用格点QCD与第一性原理计算方法，研究未知核数、核力和关联效应等方面的基本科学问题，解决原子核聚变、裂变等动力学演化过程的微观机理，并针对国家在核能、核医学、核天体物理观测等方面的重大战略需求，开展核技术基础及应用研究。

6计算高能物理

计算高能物理主要是在标准模型（包括QCD和电弱统一理论）理论框架下开展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反应过程给出精确理论预言，结合高能加速器上的实验现象，可以精确检验标准模型并探索超出标准模型的新物理。格点QCD采用蒙特卡洛数值模拟研究强相互作用非微扰性质，如强子质量谱、强子结构、强子–强子相互作用及夸克禁闭等，并为标准模型精确检验和新物理寻找提供关键的非微扰参数。高性能计算和深度学习方法在高亮度和高精度实验装置产生的海量数据的分析和处理等方面也有重要应用。

7计算等离子体物理

计算等离子体物理针对多时空尺度上波–波、波–粒子和粒子–粒子之间非线性相互作用下的复杂体系，通过对麦克斯韦方程和等离子体状态方程的计算与模拟，研究高能量密度的约束聚变等离子体、惯性约束聚变（inertialconfinementfusion，ICF）等离子体、强激光等离子体、空间等离子体和低温等离子体等体系的反应过程及机理。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等领域的应用，也推动了低温等离子物理在航天航空、材料加工、微电子、新材料制备和新能源等领域的应用。

表计算物理常用的计算方法

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近二十年来，一批高性能计算机或机群应运而生，我国计算物理的研究规模大幅扩大，研究工作的质量也显著提高，大幅缩小了与国际先进水平的差距，并在部分领域或方向实现了超越。但同时，我国计算物理在物理学的各个分支学科中发展不平衡，特别是在计算方法、计算软件和数据库的建设与发展上落后于西方发达国家，存在过度依赖商用软件的问题，制约了原始创新强、有特色性研究工作的开展，成为阻碍我国计算物理竞争力进一步提升的主要原因。

为了准确并系统地了解计算物理的发展历史和现状，客观总结我国在计算物理发展方面的优势及与国际先进水平的差距，正确掌握计算物理的发展趋势和规律，充分借鉴国际计算物理领域发展的成功经验，对我国计算物理未来的发展方向特别是人才队伍、计算的软硬件平台、科研资助及管理模式做好顶层设计和布局，中国科学院数学物理学部于年11月启动了“计算物理战略研究”项目。年1月，该项目被进一步提升为国家自然科学基金委员会与中国科学院联合组织的学科发展战略研究项目。《计算物理学》就是这两个战略研究项目成果的结晶。

《计算物理学》力图通过对历史的考察和实例的分析及梳理，对计算物理发展的脉络与趋势做出科学和有战略价值的总结及展望，包含以下五章内容：第一章分析和讨论计算物理研究的科学意义与战略价值，阐述计算物理在整个科学体系及国家科技和国防战略发展中所处的地位与作用；第二章通过具体案例的分析，归纳总结计算物理发展的特点及学科发展的规律；第三章分析和讨论计算物理的发展现状与发展趋势，特别是我国在计算物理的学科、人才队伍及计算物理的软硬件平台建设上的优势和不足；第四章结合计算物理的发展现状与发展趋势，提出我国未来5～10年在计算物理方面亟待解决的基础性科学问题、发展思路和优先发展方向；第五章从基金资助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，提出推动计算物理发展的有效资助机制与政策建议。

本书是我国第一份计算物理学科发展战略报告。本书从计算物理的发展趋势出发，以我国计算物理发展的现状为基准，提出计算物理未来5～10年拟解决的关键科学问题和优先发展方向。但要强调的是，基础研究总是存在不可预见性，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，对学科发展的前瞻性预测总是存在不确定性，这些优先发展方向并不能涵盖计算物理发展的所有方面，也代表计算物理未来发展的必然趋势或重心。计算物理涵盖的内容广阔且发展十分迅速，在本书的撰写过程中，在全面反映战略报告的前瞻性和战略性的同时需要兼顾其科普性，仍需进一步完善。

计算物理学

国家自然科学基金委员会，中国科学院编

北京:科学出版社,.1

ISBN-7-03--9

丛书策划：侯俊琳牛玲

责任编辑：朱萍萍姚培培

内容简介

本书分析了计算物理学的学科发展任务和战略地位、学科的发展规律和态势；提出若干我国计算物理学发展亟待解决的基础科学问题及优先发展方向；针对制约计算物理学发展的关键政策问题，提出相应的资助机制和政策建议。

本书适合高层次的战略和管理专家、相关领域的高等院校师生、研究机构的研究人员阅读，是科技工作者洞悉学科发展规律、把握前沿领域和重点方向的重要指南，是科技管理部门重要的决策参考，同时也是社会公众了解计算物理学研究现状及趋势的权威读本。

目录速览

总序i

前言v摘要ixAbstractxix第一章计算物理的战略地位1第一节计算物理的定义和内涵1第二节计算物理在整个科学体系中的地位2第三节计算物理对推动其他学科及技术发展的作用.6第四节计算物理在国家科技战略发展中的作用7第二章计算物理学科发展的规律及历史.11第一节计算物理的研究内容和方法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第四节学科交叉状况19第五节计算软件的开发及应用23第六节学科发展历史26第三章计算物理的发展态势62第一节计算物理的发展现状62第二节计算物理的发展趋势64第三节各分支领域的发展现状与发展趋势.66第四节存在的问题94第四章计算物理的发展思路与发展方向97第一节学科发展总体思路97第二节未来学科发展的重要研究方向99第五章推动计算物理学科发展的机制和建议第一节加强计算物理方法的发展.第二节加强计算物理软件平台的建设及商业化第三节充分发挥国家超级计算平台的作用第四节加强计算物理人才队伍的建设第五节设立计算物理重大研究专项，推动学科交叉参考文献关键词索引

（本文编辑：王芳）

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