莱比锡大学的研究人员开发了一种高效的方法来研究具有远距离相互作用的系统，而这些系统此前一直令专家们感到困惑。这些系统可以是气体，甚至可以是固体材料，例如磁铁，其原子不仅与邻居相互作用，而且还与更远的地方相互作用。

WolfhardJanke教授和他的研究团队为此目的使用蒙特卡罗计算机模拟。这种以蒙特卡罗赌场命名的随机过程会生成随机系统状态，从中可以确定系统所需的属性。通过这种方式，蒙特卡罗模拟提供了对相变物理的深入见解。

研究人员开发了一种新算法，可以在几天内完成这些模拟，而使用传统方法需要几个世纪的时间。他们在《PhysicalReviewX》杂志上发表了他们的新发现。

当物理系统的宏观特性(例如压力或温度)不随时间变化时，该物理系统处于平衡状态。当环境变化使系统失去平衡并且系统寻求新的平衡状态时，就会发生非平衡过程。

“这些过程越来越成为全世界统计物理学家关注的焦点。虽然大量研究已经分析了具有短程相互作用的系统的非平衡过程的许多方面，但我们才刚刚开始了解远程相互作用的作用在这样的过程中，”Janke解释道。

远距离相互作用的诅咒

对于其组件仅与其短程邻居交互的短程系统，计算整个系统随时间的演化所需的操作数量随着其包含的组件数量线性增加。对于远程交互系统，每个组件都必须包含与所有其他组件(甚至远程组件)的交互。随着系统规模的增长，运行时间呈二次方增长。

Janke教授领导的科学家团队现已通过重构算法并巧妙组合合适的数据结构，成功降低了算法的复杂性。对于大型系统，这会大大减少所需的计算时间，并允许研究全新的问题。

新视野打开

本文展示了如何将新方法有效地应用于具有长程相互作用的系统中的非平衡过程。一个例子描述了最初无序的“热”系统中的自发有序过程，其中在温度突然下降之后，有序域随着时间的推移而增长，直到达到有序的平衡状态。

从日常生活中我们知道，当我们洗热水澡时，如果附近有一个寒冷的窗户，窗户上就会形成水滴。热蒸汽迅速冷却，液滴变大。一个相关的例子是受控较慢冷却速率的过程，其中涡流和其他结构的形成特别令人感兴趣，因为它们在宇宙学和固态物理学中发挥着重要作用。

此外，理论物理研究所的研究人员已经成功将该算法应用于相分离过程，例如，两种粒子自发分离。这种非平衡过程在工业应用和生物系统中细胞的功能中都发挥着重要作用。这些例子说明了这种方法论进步为基础研究和实际应用提供的广泛应用场景。

计算机模拟与实验和分析方法一起构成了现代物理学的第三个支柱。物理学中的大量问题只能通过分析方法来近似解决或根本无法解决。通过实验方法，某些问题通常很难解决，并且需要复杂的实验设置，有时需要持续数年。因此，近几十年来，计算机模拟对理解广泛的物理系统做出了重大贡献。

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