Co to jest fizyka obliczeniowa?

Fizyka obliczeniowa to dziedzina, która wykorzystuje zarówno istniejące wzory fizyczne, jak i algorytmy numeryczne do wykonywania obliczeń na dużą skalę za pomocą komputerów, które byłyby niezwykle czasochłonne i uciążliwe do wykonania ręcznie. Zasadniczo jest to gałąź fizyki zajmująca się tworzeniem modeli matematycznych i rozwiązań za pomocą komputerów i programowania. Modele matematyczne, które fizycy zamierzają stworzyć, często zawierają ogromne ilości informacji, które wymagają przetwarzania bardzo potężnych komputerów.

Dokładna klasyfikacja fizyki obliczeniowej w ogólnej dziedzinie fizyki jest często dyskutowana. Niektórzy uważają, że jest to gałąź fizyki teoretycznej, ponieważ zwykle wiąże się z obszarami fizyki, które są nadal głęboko teoretyczne, przy niewielkim solidnym wsparciu eksperymentalnym. Inni uważają, że należy to uznać za gałąź fizyki eksperymentalnej, ponieważ zwykle wykorzystywane dane pochodzą z eksperymentów. W większości jednak naukowcy zgadzają się, że mieści się gdzieś pomiędzy dwiema dyscyplinami i zawiera zarówno elementy teoretyczne, jak i eksperymentalne.

Współczesna fizyka opiera się w dużej mierze na komputerach, aby wypracować wiele złożonych matematycznych aspektów eksperymentów i teorii. Dziedziny fizyki, takie jak astrofizyka, mechanika płynów i fizyka akceleratora zależą od programowania i obliczeń. Na przykład w fizyce akceleratora komputery muszą monitorować, rejestrować i analizować ogromne ilości informacji za każdym razem, gdy cząstki zderzają się w akceleratorze cząstek. Obliczeniowa fizyka ciała stałego próbuje odkryć związek między właściwościami atomowymi ciał stałych a ich właściwościami na dużą skalę, analizując duże ilości informacji o ciałach stałych na poziomie molekularnym.

Istnieje wiele innych zadań rozwiązanych za pomocą obliczeń, które można luźno pogrupować w dziedzinie fizyki obliczeniowej. Często takie zadania, jak rozwiązywanie równań różniczkowych i całkowych lub ocena bardzo dużych macierzy, są wykorzystywane do obliczeń dotyczących układów fizycznych. Zadania te można łatwo zaklasyfikować jako czystą matematykę, czyli matematykę wykonywaną wyłącznie ze względu na matematykę. Jednak wykonywane w celu rozpoznania informacji związanych z fizyką mogą równie łatwo wpaść w kategorię fizyki obliczeniowej.

Wiele szkół oferuje kursy fizyki obliczeniowej, choć wszelkie instrukcje w tej dziedzinie odbywają się rzadko. Wstępne kursy uniwersyteckie mają na celu nauczenie podstawowych zasad programowania i sposobu ich zastosowania do problemów związanych z fizyką. Późniejsze kursy, często prowadzone na poziomie magisterskim, uczą, jak manipulować i rozwiązywać duże problemy złożone z dużych ilości danych za pomocą algorytmów i zaawansowanych praktyk programistycznych.