|
| 1 | +# 第一个Fortran程序 |
| 2 | +本章会讲解一个简单的小程序，一方面能让你继续熟练使用你的编程环境，另一方面是让你对Fortran有初步的了解。 |
| 3 | + |
| 4 | +我们会尽可能详细地讲解每一行代码的含义，但是请放心，如果你对理解特定语句暂时感到困难，请直接跳过。通过后续章节循序渐进地学习，你最终还是可以学会相关语法。 |
| 5 | + |
| 6 | +在命令行中执行`fpm new first-fortran`创建新项目。在fpm项目的`src`目录中新建名为`Stern_Gerlach_experiment.f90`的文件（别忘了删除默认生成的.f90文件），并将以下内容写到该文件中： |
| 7 | +```fortran |
| 8 | +module Stern_Gerlach_experiment |
| 9 | + implicit none |
| 10 | + private |
| 11 | + public :: emit_atom |
| 12 | +
|
| 13 | +contains |
| 14 | +
|
| 15 | + subroutine emit_atom() |
| 16 | + real :: raw_number |
| 17 | + integer :: spin ! 0代表spin up，1代表spin down |
| 18 | +
|
| 19 | + call random_number(raw_number) ! raw_number的范围是[0,1) |
| 20 | + spin = nint(raw_number) ! 四舍五入得到0或1 |
| 21 | +
|
| 22 | + if (spin == 0) then ! 判断spin的值，若等于0，则执行下面语句 |
| 23 | + write (*, *) "Emit an atom with spin up." |
| 24 | + else ! 否则执行这一部分 |
| 25 | + write (*, *) "Emit an atom with spin down." |
| 26 | + end if |
| 27 | +
|
| 28 | + end subroutine |
| 29 | +
|
| 30 | +end module |
| 31 | +``` |
| 32 | +接下来修改`app`中的`main.f90`，将其中的内容改为： |
| 33 | +```fortran |
| 34 | +program main |
| 35 | + use Stern_Gerlach_experiment ! 引入模块，从而能够使用其中定义的变量及过程 |
| 36 | + implicit none |
| 37 | + integer, parameter :: emission_times = 5 ! 实验的观察次数 |
| 38 | + integer :: i |
| 39 | +
|
| 40 | + do i = 1, emission_times |
| 41 | + call emit_atom() |
| 42 | + end do |
| 43 | +
|
| 44 | +end program |
| 45 | +``` |
| 46 | +完成以上步骤后，在命令行中执行`fpm run`。如果项目能够成功编译并执行，你会在命令行中看到类似于这样的执行结果 |
| 47 | +``` |
| 48 | + Emit an atom with spin down. |
| 49 | + Emit an atom with spin up. |
| 50 | + Emit an atom with spin up. |
| 51 | + Emit an atom with spin down. |
| 52 | + Emit an atom with spin up. |
| 53 | +``` |
| 54 | +在详细解释代码之前，我们先简要介绍这段代码所描述的物理过程。这个小程序模拟的是[施特恩－格拉赫实验](https://zh.wikipedia.org/wiki/施特恩－格拉赫实验)。 |
| 55 | + |
| 56 | +电子具有自旋角动量，可以产生自旋磁矩。由于其自旋角动量的取值是量子化的，且仅有两种取值（我们将其分别标记为spin up和spin down），因而磁矩也仅有两种取向。因此，如果将含有未成对电子的原子束打向非均匀的磁场，其中的原子因磁矩的不同，会偏转产生不同方向的两束原子。这个实验使人们第一次观察到原子磁矩的量子化。 |
| 57 | + |
| 58 | +我们的第一个程序将依次「发射一个原子」，这个原子的自旋角动量是随机的，然后程序将观察结果打印到屏幕中。 |
| 59 | + |
| 60 | +首先来看`Stern_Gerlach_experiment.f90`。这个文件中的`module Stern_Gerlach_experiment`和`end module`，以及它们包含的内容，构成了一个Fortran模块（module）。模块就像一个工具箱，把关于同一个任务的变量、函数、子程序等都打包在一起，提供给使用这个模块的程序其他部分。`Stern_Gerlach_experiment`是模块的名字，表明这个模块会提供模拟施特恩－格拉赫实验的功能。 |
| 61 | + |
| 62 | +`implicit none`告诉编译器，在这个模块中的所有变量，都必须显式（explicit）地声明后才能使用。我们建议你在编写程序时，始终使用这个语句，可以有效地避免出现计算结果的错误。接下来的`private`语句，会隐藏模块中的定义的所有变量和函数等内容。明明模块是为了提供给他人使用的，为什么还要隐藏其中的内容呢？有两点原因： |
| 63 | +1. 首先模块中并非所有内容都是应当对外公开的，就像一台仪器，需要用外壳将其机身封装起来，使用者只会操作其外部的按钮。模块中也有一部分是仅供模块内部使用的，将其暴露在外，使用者可能会将其修改，导致错误的结果； |
| 64 | +2. 其次，一个设计良好的模块，在完成其功能的前提下，应尽可能减少对外提供的内容。这样可以减小使用者的记忆量，更加友好。 |
| 65 | + |
| 66 | +`public :: emit_atom`语句说明`emit_atom`这个功能是公开的，使用了这个模块的代码就可以调用`emit_atom`。 |
| 67 | + |
| 68 | +在这个模块中，我们只定义了一个子程序（subroutine）`emit_atom`。子程序和函数（function）都定义在模块的`contains`语句之后。与模块的定义非常相似，子程序定义在`subroutine emit_atom()`和`end subroutine`之中。`subroutine emit_atom()`中的括号用于放置虚参列表，不过该子程序并没有虚参，所以这里为空。 |
| 69 | +```fortran |
| 70 | +real :: raw_number |
| 71 | +integer :: spin ! 0代表alpha自旋，1代表beta自旋 |
| 72 | +``` |
| 73 | +这两行分别定义了一个`real`类型的变量`raw_number`和`integer`类型的变量`spin`，在该子程序后续内容中，我们可以使用`raw_number`和`spin`来储存数值，并用于计算、判断等操作。`real`类型的变量类似于数学中的实数，可储存包含小数部分的数值，也被称为「浮点数」；`integer`类型的变量则类似数学中的整数，不包含小数部分。我们定义的`spin`将可能取值`0`或`1`，分别表示spin up状态和spin down状态。 |
| 74 | + |
| 75 | +在Fortran中，`!`用于标记对代码的注释。从`!`开始一直到行尾的内容都是注释。注释对程序执行不起任何作用，它只是注解代码的功能，方便阅读者理解代码，提高代码的可维护性。我们鼓励读者适当地在代码中添加注释，无论是对于自己还是其他阅读代码的人，都是有好处的。 |
| 76 | + |
| 77 | +接下来则是子程序的具体执行部分。 |
| 78 | +```fortran |
| 79 | +call random_number(raw_number) ! raw_number的范围是[0,1) |
| 80 | +spin = nint(raw_number) ! 四舍五入得到0或1 |
| 81 | +``` |
| 82 | +我们首先调用了Fortran内置的子程序`random_number`，`raw_number`作为参数接收`random_number`执行产生的结果。`random_number`会随机产生均匀落在\\([0,1)\\)区间的浮点数，因此`raw_number`的数值就在这个范围里。 |
| 83 | + |
| 84 | +之后我们调用内置的函数`nint`根据`raw_number`的值四舍五入得到整数0或者1，并将该结果赋值给`spin`。这里的`=`表示赋值操作，将右边变量的值复制给左边的变量。 |
| 85 | + |
| 86 | + |
| 87 | + |
| 88 | + |
| 89 | + |
| 90 | + |
| 91 | + |
| 92 | + |
0 commit comments