有没有能模拟量子力学或相对论的物理引擎？ 第1页

相对论视觉化

在了解狭义相对论之后，人们也许会想到——
如果我以接近光的速度运动，世界在我眼中会变成什么样？
这也是许多物理学家的梦想。
遗憾的是，因为它远离生活，所以，人们很难获得直观经验。
但现在，有了计算机，我们完全可以实现这个梦想。
想象一下，如果我们以0.9倍光速飞驰……我们将看到一个什么样的世界呢？
通过计算机的模拟，我们将真实地感受到——接近光速飞驰的运动者，眼中的世界。
这将成为狭义相对论最棒的展现方式！
原来物理学，居然也可以这样栩栩如生……
——《叙事曲2：星空下的诺言》

• A Slower Speed of Light

2013年，麻省理工学院发布了一款第一人称视角的3D游戏《A Slower Speed of Light》（减慢光速）

这个游戏的主要玩法是在场景中吃掉100个魔法球，随着吃掉魔法球的增加，场景中的光速会逐渐接近玩家的步行速度，与相对论有关的各种效应就会逐渐强烈地显现出来。

游戏不但模拟了相对论引起的时空扭曲，还模拟了多普勒效应造成的频移，以及探照灯效应等现象，十分全面。

该游戏使用他们研发的 OpenRelativity 引擎制作。这是一个基于Unity的开源物理引擎，用来模拟相对论的各种现象。

• Velocity Raptor

2012年，麻省剑桥市的TestTubeGames小组制作了一个2D的FLASH游戏《Velocity Raptor》（速度猛龙）

这个游戏以2D的方式模拟了相对论的各种效应，玩家控制一只奔跑速度接近光速的小恐龙闯关，场景中有各种需要利用相对论效应的机关。

例如，一个火把只能燃烧12秒，但是你需要等待15秒对面的门才能打开，怎么办呢？跑！根据相对论，你在移动中时间会变慢，你就可以拿只能燃烧12秒的火把经过15秒之后才能打开的门了。游戏中你可以很清晰的看到随着你的运动，门上时钟的倒计时发生了什么样的变化。

一些门的开关需要使用多普勒频移让钥匙的颜色发生变化才能打开。

当然，相对论造成的时空扭曲非常直观的显现出来，包括经典的“车库悖论”等现象。

游戏还提供了基于“测量”（上帝视角）的相对论效应以及基于“视觉”（主观视角）的相对论效应。

为什么大部分游戏中不考虑相对论的物理效果

很重要的一点是，相对论模拟只能适用于单人游戏，在网络多人游戏中是无法使用的。因为多人游戏中无法模拟相对论造成的时间膨胀，你无法做到让不同人的时间流逝速度不同。

假如，在一个网游里，我和你说，你冲过去和敌人战斗，一分钟之后撤退回来。然后你就冲过去了，你过了1分钟后你跑回来了，但是我感觉我等了你2分钟。这在网络游戏里是不可能实现的。

量子力学

• Quantum Moves

2016年，丹麦奥胡斯大学开发了一款模拟量子力学的小游戏《Quantum Moves》（量子移动）

这个游戏模拟的是通过激光移动原子。在量子力学中，微观粒子有波动性，所以它的性质有些像液体，会在量子阱中“流动”。这个游戏模拟的就是激光的操作，通过改变激光的位置和强度，把原子搬运到目标区域。微观粒子有一些奇特的性质，比如“量子隧道”等效应，在游戏中都有被模拟出来。

游戏会根据玩家过关的时间和效率来计算分数，并将成绩和动作上传到官方排行榜。玩家要尽可能快地完成操作，又要避免动作太猛使原子洒出来。有趣的是，官方通过收集排行榜中玩家高手的动作，将之输入到实验室中真正的量子阱激光器上，就真的提升了激光器操作的效率，比他们原来自己写的动作厉害多了。

这个游戏的1代已经完成了使命，下架了。后来又出了2代，自带一些动作编辑工具，除了鼠标拖拽之外，还可以对录制的动作进行修整，进一步提高分数。

基于量子力学的物理引擎肯定是能做的，但是拿来做游戏嘛......我只能告诉你，帧率会很感人。

我基本上每天都在用电脑做基于量子力学的计算，结果大概是这样的：

以上是一个基于密度泛函理论（一种量子力学理论）的动力学模拟，视频中灰色/白色的球分别是钨/氢原子。

这个视频一共有四千帧，是我用一颗E5-2670V3（含12个物理cpu核心）用了一周算出来的。换算下来，大约0.0066帧/s。

玩个游戏，fps起码得有30帧/s吧。那么你至少需要5万颗cpu并行运算才行，而且考虑到并行规模越大效率往往越低，实际上需要的cpu数目只会更高。

哦，对了。更绝望的是，很多量子力学模拟的复杂度都在O(N^3)甚至更高。视频中我只模拟了180个原子，如果你想模拟1800个原子的话，计算时间大约要x1000。

想要玩这样的游戏？少年，买个太湖之光吧。