Was ist quantitative Physik?

Die quantitative Physik ist der Zweig der Physik, der die Forschung durch wiederholte Messung und mathematische Analyse experimenteller Ergebnisse umfasst. Es unterscheidet sich von einigen Zweigen der theoretischen Physik, wie zum Beispiel der Quantenmechanik oder der Forschung zur Stringtheorie, in denen ein Großteil der zugrunde liegenden Theorie in der realen Welt oder in einem Labor auf der Erde mit der aktuellen Technologie ab 2011 nicht getestet werden kann quantitativer Forschung wie die quantitative Physik leitet ihre Schlussfolgerungen aus einer statistischen Analyse großer Mengen experimenteller Daten ab. Diese Daten sind jedoch oft so umfangreich und komplex, dass Computer zur mathematischen Modellierung der Daten verwendet werden, um sie besser zu interpretieren. Ein Beispiel für die Anwendung der quantitativen Physik wären Klimastudien, die mit Supercomputern durchgeführt werden, um klimatologische Veränderungen durch verschiedene natürliche thermodynamische Kräfte vorherzusagen, die auf, in oder in der Nähe der Erde wirken, sowie durch Veränderungen der Sonnenaktivität über lange Zeiträume .

Das Studium der Physik im Kern ist die Messung von Änderungen in Materie und Energie, und dies veranlasst die meisten Physiker, die quantitative Physik in der einen oder anderen Form zu erforschen. Quantitative Studien sind auch in der Physik wichtig, da viele physikalische Gesetze, wie die Lichtgeschwindigkeit oder die Anziehungskraft der Erde, nicht nur durch menschliche Beobachtung mit den fünf Sinnen quantitativ definiert werden können. Es ist möglich, einen fallenden Körper zu beobachten, aber ohne die Sinkgeschwindigkeit genau zu messen, wird kein klares Bild darüber gewonnen, wie stark die Schwerkraft tatsächlich ist. Die quantitative Forschungsphysik nutzt daher die Mathematik als abstrakte Methode, um die im Universum wirkenden Kräfte zu verstehen.

Prozesse, die ein quantitatives Studium beinhalten, sollen jedoch nicht immer die alltägliche Realität abbilden. Die Physik bestimmt die idealen Bedingungen, unter denen Materie, Energie, Raum und Zeit durch wiederholtes Messen und Beobachten interagieren, und bestimmt dann die Wahrscheinlichkeit des Eintretens von Ereignissen. Die dafür verwendeten physikalischen Gleichungen basieren auf abstrakten mathematischen Konzepten, die sich nur bei einer großen Anzahl von wiederholten Experimenten als wahr erweisen. Die quantitative Physik kann zum Beispiel die Oberfläche eines kugelförmigen Planeten im Weltraum vorhersagen, aber es gibt keine perfekte Kugel oder eine andere perfekte geometrische Form in der natürlichen Welt, so dass der Prozess bis zu einem gewissen Grad eine Annäherung ist .

Ideale Darstellungen in der Physik, wie die ballistische Flugbahn einer Kugel durch die Luft, basieren auf quantitativen physikalischen Prinzipien von Gravitationskraft und Luftwiderstand, können jedoch nur eine allgemeine Flugbahn für eine Kugel vorhersagen, nicht den tatsächlichen, genauen Punkt, auf dem sie sich befindet es wird landen. Bei der Verwendung von Gleichungen und Formeln in der quantitativen Physik müssen häufig einige der Variablen herausgemittelt oder mathematische Abkürzungen verwendet werden, um ihre Auswirkung auf die Gleichung zu negieren. Dies liegt daran, dass das Ziel darin besteht, die Naturgesetze grundsätzlich besser zu verstehen als die spezifischen Zufallsanwendungen.

Die Computerphysik ergänzt häufig die quantitative Physik im Labor, wo Gleichungen in realen Experimenten nicht formal oder angemessen getestet werden können. Oft werden Algorithmen verwendet, um solche Berechnungen zu rationalisieren. Algorithmen sind ein Satz mathematischer Regeln, mit denen der Computer die Anzahl der zur Lösung eines Problems erforderlichen Berechnungen auf eine endliche Folge von Schritten reduziert. Computerunterstützung für die quantitative Physik wird in der Regel in Bereichen eingesetzt, in denen sehr komplexe Wechselwirkungen stattfinden, z. B. in der Materialwissenschaft, der Kernbeschleunigerforschung und der Molekulardynamik in der Biologie.

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