УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
повышения квалификации специалистов по программе
Компьютерное моделирование и массивные вычисления в современной физике (72 час.)
Введение (0,5 час.).
Рассматривается применение методов компьютерного моделирования для решения широкого круга физических проблем: от устройства и эволюции Вселенной до атомного строения материалов. Особенностью моделируемых объектов является огромное число подлежащих описанию степеней свободы и обусловленная этим необходимость использования в расчетах высокопроизводительных компьютеров. Описываются современные принципы и перспективы подобных (массивных) расчетов, приводятся примеры их реализации на практике.
Представленная программа избыточна по отношению к запланированному объему занятий. Это дает возможность выбора заключительных разделов каждой темы с учетом интересов слушателей.
Тема 1: Расчеты из первых принципов и мультискэйлинговое моделирование в мате-риаловедении
1.1 Аннотация
1.2. Многомасштабное моделирование:
1.2.1 Обзор методов моделирования (1.5 часа)
1.2.2 От дефектов к ошибкам в приборах. (1.5 часа)
1.2.3 Практическое занятие: атомная отдача и дефекты в SiO2 (2 часа)
1.3. Локальная структура металлических сплавов: диффузионное рассеяние и атомные смещения.
1.3.1 Диффузионное рассеяние и синхротронные рентгеновские источники (2 часа)
1.3.2 Магнетострикция в Галфеноле (1 час)
1.3.3 Много-частичные химические корреляции в железо-никелевом сплаве (1 час).
1.3.4 Практическое занятие: расчет энергии сплава методом KKR. (2 часа)
1.4. Дефекты в полупроводниках и поведение приборов
1.4.1 Введение в расчеты дефектов из первых принципов (1 часа)
1.4.2 Рассеяние горячих электронов и конфигурация дефектов в GaN, AlSb. (2 часа)
1.4.3 Практическое занятие: расчет уровня перехода заряда в GaN (2 часа)
1.5. Проблема описания атомных механизмов в материалах для мемристора
1.5.1 Мемристор,- четвертый элемент или основы работы (2 часа)
1.5.2 Использование ZnO для мемристора. (2 часа).
1.5.3 Практическое занятие: кинетическое Монте-Карло и диффузия вакансий в ZnO для мемристора. (2 часа)
1.6. Графен,- материал будущего или поиск ниши для применения. (2 часа)
Тема 2: Гравитационные волны: генерация, распространение и попытки регистрации
2.1. Аннотация
2.2. Гравитационные волны - тёмная сторона Вселенной (обзорная лекция). (2 час)
2.3 Введение в теорию поля (2 часа)
2.4 Специальная теория относительности (2 часа)
2.5 Нерелятивистская теория гравитации (1 час)
2.6. Введение в общую теорию относительности. (2 часа)
2.7 Теория гравитации в линейном приближении (2 часа)
2.8 Уравнения движения точечной массы в общей теории относительности (2 часа)
2.9. Теория гравитационных волн. (2 часа)
2.10. Астрофизические источники гравитационного излучения (2 часа)
2.11 LIGO - лазерная обсерватория-интерферометр гравитационных волн. (2 часа)
2.12 Основы анализа экспериментальных данных для LIGO. (2 часа)
2.13 Практический анализ данных: поиск сигнала от компактных систем двойных нейтронных звёзд и черных дыр. (2 часа)
Тема 3. Компьютерные модели в космологии: гравитационный коллапс в общей теории относительности
3.1. Введение в проблему коллапсирующей сверхновой. (2 часа)
3.2. Физика нейтронных звезд. (2 часа)
3.3. Уравнение Толмана-Оппенгеймера-Волкова (2 часа).
3.4. Уравнение состояния нейтронной звезды (2 часа)
3.5. Гравитационный коллапс в общей теории относительности (ОТО). (2 часа)
3.6. Методы моделирования двойных нейтронных звезд в ОТО:
3.4.1. 3+1 формализм, релятивистская гидродинамика. (2 часа)
3.4.2. Проблема начальных условий в ОТО. (2 час)
3.4.3. Гравитационные волны от двойных систем. (1 часа)
3.7. Создание стабильных конфигураций статичных и вращающихся нейтронных звезд с помощью программы RNS. (2 часа)
3.8. Обзор пакета для астрофизического моделирования Einstein Toolkit (2 часа)
3.9. Использование пакета Einstein Toolkit для моделирования эволюции изолированной нейтронной звезды в рамках ОТО. (2 часа)
3.10. Анализ и визуализация данных, полученных при моделировании нейтронной звезды (2 часа)
Тема 4. Подготовка кадров высшей квалификации в области физики: опыт США (10 часов)
4.1. Система высшего образования США в области фундаментальных наук (5 часов)
4.1.1. Структура высшего образования. Средняя школа и ВУЗ. Бакалавриат и магистратура. Требования к выпускникам школы. Правила приема в ВУЗы. Доступность высшего образования. Предпочтения абитуриентов в выборе профессии. Востребованность выпускников ВУЗов на рынке труда. Привлекательность исследовательской работы в области естественных наук.
4.1.2. Организация учебного процесса в ВУЗе. Участие студента в формировании собственного учебного плана и графика учебного процесса. Основные компоненты процесса, их соотношение и роль. Контроль приобретенных знаний и компетенций. Итоговый контроль: выпускные работы.
4.2. Подготовка кадров высшей квалификации и организация научных исследований (5 часов).
4.2.1. Магистратура и аспирантура. Правила приема и вступительные испытания в аспирантуре. Сроки и стоимость обучения. Компоненты учебного процесса. Возможности аспиранта в планировании своего учебного процесса. Контроль успешности процесса обучения. Требования к диссертациям. Процедура защиты и присвоения степени. Изменение общественного статуса вследствие получения степени. Рынок труда в области научных исследований по физике. Повышение профессиональной квалификации после защиты.
4.2.2. Планирование и финансирование научных исследований. Программы научных исследований и принципы управления ими. Государственные субсидии и заказы корпораций. Виды финансовой поддержки исследовательских групп и отдельных ученых. Гранты, их виды и условия получения. Отчетность о выполненных работах. Система материального обеспечения исследований. Сотрудничество внутри страны и за ее пределами. Эффективность научных исследований. Индивидуальные оценки эффективности. Наукометрия. Достоинства и недостатки организации науки в США.
Методические указания
По теме 1
1.LAMMPS Molecular Dynamics Simulator, http://lammps.sandia.gov/
2.Quantum ESPRESSO, http://www.quantum-espresso.org/
3.Berkeley GW http://www.berkeleygw.org/
4.VASP, http://www.vasp.at/
По теме 2
5.B. S. Sathyaprakash and Bernard Schutz, Physics, Astrophysics and Cosmology with Gravitational Waves Living Rev. Relativity 12 (2009) http://relativity.livingreviews.org/Articles/lrr-2009-2/download/lrr-200...
По теме 3
6.http://einsteintoolkit.org/ - официальный веб-сайт open source software для астрофизического моделирования Einstein Toolkit, на котором можно найти его подробное описание и скачать последнюю версию.
7.https://wci.llnl.gov/codes/visit/ - официальный сайт визуализационного пакета VisIt
8.http://www.ee.surrey.ac.uk/Teaching/Unix/ - краткое введение в основы Linux
9.http://physicspmb.ukzn.ac.za/index.php/Gnuplot_tutorial - простой и удобный пакет для постоения графиков Gnuplot.
10.http://relativity.livingreviews.org/Articles/lrr-2008-7/ - обзорная статья Jose Font по методам моделирования релятивисткой гидродинамики
Литература
По теме 1:
11.Киттель Ч. Квантовая теория твердых тел. М.: Наука, 1967. -
12.Брандт Н.Б., Кульбачинский В.А. Квазичастицы в физике конденсированного состояния. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. 632 с.
13.Гантмахер В.Ф. Электроны в неупорядоченных средах. М.: Физматлит, 2-е изд исправленное и дополненное 2005 г. 232 с.
14.B. E. Warren, X-ray Diffraction. Dover, 1990
15.P. Y. Yu, M Cardona. Fundamentals of Semiconductors. Springer, 2005
16.G. D. Mahan. Many-Particle Physics. Springer, 2000.
17.M. Marder, Condensed Matter Physics. John Wiley and Sons, 2000.
По теме 2:
18.Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Теоретическая физика. Том II. Теория поля. М.: Наука, 1988 – 512 с.
19.Hartle J. B. Gravity. An Introduction to Einstein’s General Relativity. Benjamin Cummings, 2003. - 656 p.
20.Creighton J.D., Anderson W. G. Gravitational-Wave Physics and Astronomy: An Introduction to Theory, Experiment and Data Analysis, Wiley-VCH, 2011. - 381 p.
21.Bernardo, J. M. (2003). Bayesian Statistics. Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS). Probability and Statistics.. Oxford, UK: UNESCO, http://www.uv.es/~bernardo/BayesStat2.pdf
22.Sivia D., Skilling J. Data Analysis: A Bayesian Tutorial. Oxford University Press, 2006 - 264 p.
По теме 3:
23.Гинзбург В.Л. Теоретическая физика и астрофизика. Дополнительные главы. М.: Наука, 1981. – 503 с.
24.Гинзбург В.Л. Теоретическая физика и астрофизика. Дополнительные главы. М.: Наука, 1981. – 503 с.
25. Baumgarte T., Shapiro S. Numerical Relativity: Solving Einstein's Equations on the Computer, Cambridge University Press, 2010
26.Alcubierre M. Introduction to 3+1 Numerical Relativity, Oxford University Press, 2008
27.Arnett, D. Supernovae and Nucleosynthesis: An Investigation of the History of Matter, from the Big Bang to the Present, Princeton University Press, 1996
28.Kotake K. Multiple physical elements to determine the gravitational-wave signatures of core-collapse supernovae, 2011 ( http://arxiv.org/abs/1110.5107 )
29.Loffler F et al. The Einstein Toolkit: A Community Computational Infrastructure for Relativistic Astrophysics, Classical and Quantum Gravity, Volume 29, Issue 11, pp. 115001 (2012) (http://arxiv.org/abs/1111.3344)