Co to jest fizyka ilościowa?
Fizyka ilościowa jest gałęzią fizyki, która obejmuje badania polegające na powtarzaniu pomiarów i matematycznej analizie wyników eksperymentalnych. Różni się on od niektórych gałęzi fizyki teoretycznej, na przykład takich jak mechanika kwantowa lub teoria strun, w których znacznej części podstawowej teorii nie można przetestować w prawdziwym świecie lub w laboratorium na Ziemi z obecną technologią od 2011 r. Dowolna dziedzina badań ilościowych, takich jak fizyka ilościowa, wyciąga wnioski z analizy statystycznej dużych ilości danych eksperymentalnych. Dane te są często tak rozległe i złożone, że komputery służą do modelowania matematycznego danych w celu lepszej interpretacji. Przykładem zastosowania fizyki ilościowej może być badanie klimatu prowadzone na superkomputerach w celu przewidywania zmian klimatycznych wynikających z różnych naturalnych sił termodynamicznych występujących na Ziemi, na Ziemi lub w jej pobliżu, a także na podstawie zmian aktywności słonecznej w długim okresie czasu .
Podstawą badania fizyki jest pomiar zmian materii i energii, co sprawia, że większość fizyków bada fizykę ilościową w takiej czy innej formie. Badanie ilościowe jest również ważne w fizyce, ponieważ wielu praw fizycznych, takich jak prędkość światła lub przyciąganie grawitacyjne Ziemi, nie można ilościowo zdefiniować jedynie na podstawie obserwacji człowieka za pomocą pięciu zmysłów. Można obserwować spadające ciało, ale bez dokładnego pomiaru prędkości opadania nie uzyskuje się wyraźnego obrazu tego, jak silna jest grawitacja. Dlatego fizyka badań ilościowych wykorzystuje matematykę jako abstrakcyjny sposób rozumienia sił działających we wszechświecie.
Procesy wymagające badań ilościowych nie zawsze mają jednak odzwierciedlać codzienną rzeczywistość. Fizyka określa idealne warunki, w których materia, energia, przestrzeń i czas oddziałują poprzez powtarzane pomiary i obserwacje, a następnie określa prawdopodobieństwo wystąpienia zdarzeń. Zastosowane do tego równania fizyki opierają się na abstrakcyjnych pojęciach matematycznych, które są sprawdzone tylko w przypadku dużej liczby powtarzanych eksperymentów. Na przykład fizyka ilościowa może przewidzieć pole powierzchni kulistej planety w kosmosie, ale w świecie przyrody nie ma czegoś takiego jak idealna kula lub inny idealny geometryczny kształt, więc proces ten jest do pewnego stopnia przybliżeniem .
Idealne reprezentacje w fizyce, takie jak trajektoria balistyczna pocisku w powietrzu, oparte są na fizycznych zasadach ilościowych przyciągania grawitacyjnego i oporu powietrza, ale mogą jedynie przewidzieć ogólną trajektorię pocisku, a nie faktyczne, dokładne miejsce, w którym wyląduje. Używanie równań i formuł w fizyce ilościowej często obejmuje uśrednianie niektórych zmiennych, które wchodzą w grę, lub używanie skrótów matematycznych w celu zanegowania ich wpływu na równanie. Wynika to z tego, że celem jest zrozumienie zasad natury w stosunku do określonych, losowych zastosowań.
Fizyka obliczeniowa często uzupełnia fizykę ilościową w laboratorium, gdzie równania nie mogą być formalnie ani odpowiednio przetestowane w eksperymentach w świecie rzeczywistym. Często algorytmy są wykorzystywane do usprawnienia takich obliczeń. Algorytmy to zestaw reguł matematycznych używanych przez komputer w celu zmniejszenia liczby obliczeń potrzebnych do rozwiązania problemu aż do skończonej serii kroków. Komputerowe wspomaganie fizyki ilościowej jest zwykle stosowane w obszarach, w których zachodzą bardzo złożone interakcje, takich jak inżynieria materiałowa, badania akceleratora jądrowego i dynamika molekularna w biologii.