شبیه‌سازی فیزیکی

شبیه سازی فیزیکی

وقتی از شبیه‌سازی فیزیکی حرف می‌زنیم، از چه موجودی حرف می‌زنیم؟

خب قضیه کلاً از جای چندان خوب و صلح‌آمیزی شروع نشد؛ حالا می‌‌گویم چرا. ولی بهتر است از کمی قبل‌تر شروع کنیم. در زمان‌های خیلی قدیم، فیزیک‌پیشه‌ها دو دسته می‌شدند. آنهایی که «آزمایش‌گر» (تجربی‌کار) بودند و سر و کارشان با وسایل آزمایشگاه و اندازه‌گیری و دیدن پدیده‌های مختلف فیزیکی بود و آنهایی که «تئوری‌کار» یا «نظری‌کار» بودند و ابزار دستشان، قلم و کاغذ و دنیای ریاضیات بود. این دو دسته‌ی فیزیک‌پیشه‌ها، با یکدیگر همکاری تنگاتنگی داشتند. نظری‌کار‌ها سعی می‌کردند مدل‌های ریاضی سازگار را برای پدیده‌های فیزیکی‌ای که آزمایش‌گر‌ها در آزمایشگاه می‌دیدند درست کنند و تجربی‌کار‌ها یا‌‌ همان آزمایشگر‌ها، سعی می‌کردند با طراحی آزمایش‌های جدید و اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر، درستی مدل‌های نظری فیزیک‌پیشه‌های تئوری‌کار را بیازمایند.

خب طبیعی بود که کار در آزمایشگاه هزینه‌ی بیشتری می‌برد. تهیه و نگهداری مواد و وسایل آزمایشگاهی، نیاز به هزینه‌ی مالی زیادی داشت. همین‌طور هزینه‌ی اقدامات ایمنی برای حفظ سلامت آزمایش‌گر‌ها را هم باید در نظر گرفت. به همین دلیل خیلی از آزمایش‌ها را نمی‌شد انجام داد. چرا که مستلزم صرف هزینه‌ی خیلی بالایی بودند یا که خطر زیادی را می‌توانستند متوجه آزمایش‌گر‌ها بکنند. در دنیای تئوری‌کار‌ها و آنهایی که سر و کارشان با قلم و کاغذ بود هم مشکلاتی وجود داشت. جواب بسیاری از معادلاتی که در مدل‌سازی‌ها ظاهر می‌شدند را نمی‌شد به صورت تر و تمیز بر روی کاغد نوشت یا به عبارتی دیگر حل تحلیلی‌تر و تمیزی نمی‌شد برایشان پیدا کرد.

این مشکلات، جلو رفتن علم فیزیک را در بسیاری از زمینه‌ها دشوار کرده بود. این مشکل‌ها و دشواری‌ها پا بر جا بودند تا اینکه سر و کله‌ی کامپیوتر‌ها پیدا شد. حال سوال این است که کامپیو‌تر، چگونه به فیزیک‌پیشه‌ها در برطرف کردن این مشکلات کمک کرد و می‌کند؟

کامپیو‌تر موجودی است که می‌توان برایش برنامه نوشت. می‌توان با یک زبان برنامه‌نویسی، مثلاً سی‌پلاس‌پلاس یا جاوا یا پاسکال، به کامپیو‌تر دستور انجام کارهای پیچیده‌ای را داد. به عنوان مثال، می‌توان با کمک کامپیو‌تر و الگوریتم‌های مناسب، جواب‌‌ همان معادله‌های سخت فیزیک‌پیشه‌های تئوری‌کار را، با هر دقتی که مورد نیاز است، به صورت عددی به دست آورد. خب بدیهی است که دوستان مدل‌ساز چقدر با این کامپیوتر‌های دوست داشتنی انس می‌گیرند. یا اینکه می‌توان برنامه‌ای نوشت که دنیای آزمایشگاه ما را به صورت مجازی درست کند. با‌‌ همان قوانین فیزیکی که در دنیای واقعی وجود دارد. آن وقت می‌توان‌‌ همان آزمایش‌های پرهزینه و خطرناک را، به صورت مجازی انجام داد و از نتایجش بهره گرفت! بدون هیچ خطری. به این کار، استفاده از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری در فیزیک می‌گویند.‌‌ همان اول این نوشتار گفتم که قصه، از جای خوب و صلح‌آمیزی شروع نشد، دلیلش این است که اولین آزمایش پرهزینه و خطرناکی که با استفاده از کامپیو‌تر شبیه‌سازی شد، مربوط به ساختن بمب اتم بود. تصور کنید دانشمندانی که مشغول ساختن بمب اتم بودند، هر دفعه که نیاز به آزمایش موضوع جدیدی داشتند، یک نیمچه بمبی را می‌ساختند و آزمایشش می‌کردند! خب خدا را شکر با وجود کامپیو‌تر و شبیه‌سازی فیزیکی، نیازی به این کار نداشتند.

خب، این شروع کار بود. بعد از ظاهر شدن کامپیوتر‌ها، دیگر خیلی‌ها فیزیک پیشه‌ها را به دو دسته‌ی تجربی‌کار و تئوری‌کار تقسیم نمی‌کنند. در واقع سر و کله‌ی دسته‌ی سومی هم پیدا شده است که به آن‌ها می‌گویند فیزیک‌پیشه‌های «محاسباتی‌کار».