Monday, July 8, 2013

الفيزياء العددية


الفيزياء العددية هي احد فروع العلوم العددية التي تعرف ايضا باسم الحاسوبية العلمية و التي ظهرت و تبلورت خلال 30-40 
.سنة الاخيرة مع التقدم الهائل الذي حصل في التكنولوجيا الرقمية خاصة في الولايات المتحدة الامريكية

   


يمكن اعتبار الفيزياء العددية قسم من اقسام الفيزياء النظرية او يمكن اعتبارها جسر يربط بين الفيزياء النظرية و الفيزياء التجريبية و هناك حتي من يعتبرالفيزياء العددية  تخصص  قائم لخدمة الفيزياء التجريبية لا حسب. تقليديا هناك مقاربتان متكاملتان, علي الاقل منذ عصر نيوتن, للفيزياء. فهناك من ناحية المقاربة النظرية و من ناحية اخري هناك المقاربة التجريبية. في رأي المؤلف هناك الكثير الان, خاصة من العاملين في هذا المجال و من غيرهم, من يعتبر انه توجد مقاربة ثالثة منفصلة و مختلفة للفيزياء هي المقاربة العددية. من وجهة النظر هذه فان الفيزياء العددية هي حقل منفصل بذاته غير مرتبط بالضرورة بالحقلين النظري و التجريبي. رغم هذا فان وجهة النظر التي سوف نتبناها في هذه المقالة هو الراي الاول الذي يعتبر ان الفيزياء العددية هو فرع من فروع الفيزياء النظرية. في الفيزياء العددية يتم مزج عناصر من الفيزياء و خاصة الفيزياء النظرية و عناصر من الرياضيات التطبيقية مثل التحليل العددي مع عناصر من علوم الحاسوب مثل البرمجة من اجل هدف واحد هو حل مسالة فيزيائية معينة ليس لها حل كامل او حل معروف



اهم استعمالات الكمبيوتر في الفيزياء هو اجراء المحاكيات
 (جمع محاكاة)
العددية. المحاكيات العددية تلائم اكثر
المسائل الفيزيائية التي تتحكم فيها معادلات رياضية غير خطية و التي لا تتوفر في معظمها علي حل تحليلي مضبوط. نقطة البدء لاي محاكاة عددية هو نموذج مثالي للجملة الفيزيائية قيد الدراسة و من الطبيعي اننا نريد ان
نتأكد ما اذا كان تصرف هذا النموذج منسجم مع المشاهدة او لا في حالة توفر نتائج تجريبية للمقارنة اما في حالة عدم توفر اي نتائج تجريبية فان الهدف هو استشراف ما يمكن ان تعطيه التجربة اذا ما اجريت. الخطوة الاولي من اجل تحقيق هذا الهدف هو ايجاد خوارزمية رياضية من اجل انجاز هذا النموذج نظريا و ايضا علي الكمبيوتر. تنفيذ
 هذا الانجاز علي كمبيوتر هو ما نسميه بالمحاكاة العددية و هو يعتمد علي ترجمة الخوارزمية الرياضية الي شفرة مكتوبة باحدي لغات البرمجة يمكن للكمبيوتر ان يفهمه. المحاكيات العددية هي اذن تجارب افتراضية.فمثلا يلعب النموذج الرياضي في المحاكاة العددية بالضبط دور العينة في التجربة المعملية اما الخوارزمية اوالشفرة التي تستعملها المحاكاة العددية فهي تقوم بدور جهاز القياس في التجربة المعملية. قبل البدء في استعمال المحاكاة العددية في الدراسة الفيزيائية فانه علينا اختبار او معايرة الشفرة تماما كما اننا نقوم بمعايرة جهاز القياس في التجربة المعملية قبل البدء في اجراء اي قياس. القياس الذي نقوم به في التجرية المعملية  يقابله الحساب الذي تجريه المحاكاة العددية واخيرا نختتم كلا العمليتين بنفس الأمر و هو تحليل المعطيات
 

من الواضح جدا و من الطبيعي ان اهم وسائل الفيزياء العددية هي لغات البرمجة. في معظم المحاكيات العددية التي نجدها في الاعمال البحثية الفيزيائية تكتب الشفرات في احدي اللغات المجمعة مثل الفرترون
او لغة سي.  في هذه المحاكيات يمكن ايضا عند الحاجة مناداة مكتبات الروتينات العددية مثل لاباك و غيرها. استعمال البرمجيات العددية الجاهزة مثل ماتلاب و ماثيماتيكا في هذه المحاكيات العددية, خاصة التي تعتمد علي طريقة المونتي كارلو, غير عملي بالمرة لانه يؤدي الي زمن سير طويل جدا للشفرة علي الكمبيوتر و هذا راجع بالخصوص الي كون البرمجيات الجاهزة
هي لغات مترجمة و ليست لغات مجمعة. ليس هناك ادني شك في ان البرمجيات الجاهزة مفيدة للغاية في الحسابات العددية
التي لا تعتمد علي التكرار لكنها غير ملائمة تماما في المحاكيات العددية التي تعتمد بالاساس علي تكرار نفس الخطوة عدد هائل من المرات





No comments:

Post a Comment