בפיזיקה, תאוריות פיזיקליות מבוססות על מודלים מתמטיים, אשר יכולות לספק חיזוי מדויק להתנהגות מערכת פיזיקלית כלשהי. לרוע המזל, במקרים רבים לא ניתן לפתור את המודל המתמטי עבור המערכת, בצורה שהפתרון יתן חיזוי יעיל. במקרים כאלה, משתמשים בקירובים נומריים. פיזיקה חישובית היא הענף המדעי, העוסק בפתרון מערכות פיזיקליות בעזרת קירובים מתמטיים. הפתרון למערכת הפיזיקלית יינתן על ידי ביצוע אלגוריתם כלשהו. בהרבה מהאלגוריתמים, יחד עם התוצאה, תהיה גם הערכת שגיאה של התוצאה.
קיים דיון לגבי הסטטוס של חישוב הנעשה על ידי אלגוריתם כזה. יש המתייחסים לתוצאת החישוב כאל תוצאה תאורטית, בעוד אחרים מתייחסים אליו כאל ניסוי שבוצע על ידי מחשב. דעה שלישית מתייחסת לתוצאת הקירוב כאל שילוב של השניים. פיזיקה חישובית אינה מדברת על מקרים בהם מחשבים משמשים למדידת תוצאות ושמירתן.
האתגרים בפיזיקה חישובית.
באופן כללי, פתרון מדויק של מערכות פיזיקליות הוא קשה מאוד. הסיבות לכך מגוונות: חוסר בפתרון אנליטי/אלגברי, תורת הכאוס ועוד. אפילו בעיות הנראות כפשוטות, כמו חישוב אורך הגל של אלקטרון הסובב גרעין, כאשר כל המערכת מצויה בשדה חשמלי חזק (נקרא אפקט שטארק), עלולות להצריך מאמץ גדול כדי למצוא אלגוריתם פרקטי שיחשב את פתרון המערכת (בהנחה שניתן למצוא אלגוריתם כזה). היכולת לתרגם תאוריה לאלגוריתם דורש ידע תאורטי מעמיק בפיזיקה או במתמטיקה (לפעמים בשניהם), ואינה פשוטה כלל. כאשר אין אלגוריתם כזה, לפעמים אין מנוס וצריך להשתמש בטכניקות "כוח גס" (באנגלית - brute force), שמבחינה סיבוכית הן מאוד לא יעילות, ולכן לפעמים לא ישימות. לפעמים ניתן להשתמש בתאוריה מתמטית מתקדמת (אפקט שטארק למשל, נפתר על ידי תורת ההפרעות).
בנוסף, בעיות רב גופיות דורשות כח חישובי גדול. גודל מערכת מקרוסקופית הוא בדרך כלל מסדר גודל של formula_1 חלקיקים (סדר גודל של קבוע אבוגדרו), ולכן זוהי בעיה לא פשוטה. בדרך כלל, פתירת בעיות במכניקה קלאסית עם formula_2 גופים, תהיה בסיבוכיות של formula_3 בריבוע, בעוד פתירת בעיה במכניקה קוונטית עם formula_2 גופים, תהיה בסיבוכיות אקספוננציאלית ב-formula_2 (כלומר, סדר גודל של formula_6).
לסיכום, מערכות פיזיקליות רבות הן לא-ליניאריות במקרה הטוב, ובמקרה הרע הן כאוטיות, וזה מוביל לכך שקשה מאוד להבטיח שהשגיאה נומרית לא גדלה, עד המצב בו הפתרון שקיבלנו הוא חסר משמעות (למשל, אם קיבלנו כי אורך הגל של גל אלקטרומגנטי מסוים הוא 500nm, עם שגיאה של 200nmformula_7, זה אומר שהאורך גל יכול בספקטרום הנראה, או מחוצה לו באולטרה סגול או אינפרה אדום - בכל מקרה התוצאה שקיבלנו היא חסרת משמעות).
מתודות ואלגוריתמים נפוצים.
פיזיקה חישובית עושה שימוש במגוון רחב של שיטות נומריות על מנת לפתור סוגים רבים של בעיות. נזכיר את הבעיות הבולטות ואת צורת הקירוב הנפוצה עבורם:
כאמור, זאת רק רשימה קצרה מבין הבעיות אשר פיזיקה חישובית נדרשת להן, והשיטות לפתרונן.
ענפים.
אפשרי למצוא ענף בפיזיקה חישובית עבור כל ענף מרכזי בפיזיקה. למשל, מכניקה חישובית או אלקטרודינמיקה חישובית. מכניקה חישובית כוללת גם הידרודינמיקה חישובית ומכניקת המוצק חישובית. כמו כן, פיזיקה חישובית לעיתים משיקה לכימיה חישובית, כאשר לפעמים הן משתמשות באותן שיטות, או כאשר פתרון נומרי למערכת רב-גופית במכניקת הקוונטים, מובילה למסקנות כימיות. במכניקת קוונטים תלויה בזמן, מעניין לפתור נומרית את משוואת שרדינגר בהינתן תנאי שפה ופוטנציאלים שונים, וכן להשתמש בתורת המסלול הקוונטי.
הענף בפיזיקה חישובית העוסק במצב מוצק, הוא ענף מרכזי וחשוב העוסק ישירות גם בהנדסת חומרים.
הענף העוסק בחומר מעובה, הוא מכניקה סטטיסטית חישובית, אשר עוסקת בסימולציה של מודלים ותאוריות שהן קשות לפתרון בצורה אחרת (כמו תהליך חלחול או מודל ספינים). ענף זה עושה שימוש גודל בשיטת מונטה קרלו ושיטות דומות. התפתחות ענף זה הביאה לתוצאות מחוץ לפיזיקה כמו הבנה של התפשטות אש ביער, התפשטות מחלות, תאוריות חברתיות ועוד.
ענף הנחשב אזוטרי הוא יחסות נומרית, העוסק במציאת פתרונות נומריים למשוואת השדה של איינשטיין, וכך גם הענף העוסק בפתרונות נומריים עבור פיזיקת חלקיקים.
עוד ענפים שכדאי להזכיר הם אסטרופיזיקה חישובית, העוסקת בבעיות ובתופעות אסטרופיזיקליות, וביופיזיקה חישובית (גם ענף של ביולוגיה חישובית), המיישמת מתודות ממדעי המחשב ופיזיקה, לבעיות גדולות ומסובכות בביולוגיה.
תוכנית ברקת
תוכנית "ברקת" החלה בשנת 2018 תחת חסות מנט"א- תא אקדמיזציה, במטרה למלא את הצורך במהנדסי נתונים ביחידות הטכנולוגיות של צה"ל. תוכנית "ברקת" היא תוכנית במסגרת העתודה אקדמית של צה"ל המכשירה את חניכיה בתואר שני בהנדסת נתונים בטכניון ובאוניברסיטת בר-אילן. בוגרי התוכנית משרתים בצה"ל תחת חמ"ן ואגף התקשוב כקצינים אקדמאיים ומבצעים שירות צבאי המורכב מ-32 חודשי שירות חובה ושלוש שנות שירות קבע.
משך התוכנית - בתוכנית ישנם 2 מסלולים: מסלול של 3 סמסטרים ללא תזה ומסלול של 4 סמסטרים כולל תזה.
מהלך התוכנית.
התוכנית היא תוכנית אינטגרלית עם מסלול האקדמיזציה, בשיתוף פעולה עם חמ"ן ואגף התקשוב. בסוף השנה הראשונה ללימודים, חניכי התוכנית מבצעים טירונות 02, אשר מטרתה להכשיר את המועמדים לקראת שירותם הצבאי. במהלך הלימודים, חניכי התוכנית מבצעים סיורים ביחידות הטכנולוגיות על מנת ללמוד ולהכיר את מקום שירותם העתידי ולהציג למועמדים את התפקידים אליהם הם מיועדים.
דרישות קבלה.
דרישות הקבלה לתוכנית הן גבוהות. על המועמדים להיות מתאימים למיון במסלול אקדמיזציה ומצטיינים. דרישות הקבלה הן:
המועמדים אשר יצאו מתאימים לאחר מעבר תהליך המיון, יכנסו ללימודי התואר השני באוניברסיטת בר-אילן או בטכניון, וימנו על אוכלוסיית העתודאים של צה"ל.
מאפיינים ייחודיים.
חניכי התוכנית מקבלים יחס אישי וליווי צמוד הן מחונכים מהיחידות הטכנולוגיות והן מאוניברסיטת בר-אילן והטכניון.
במהלך לימודיהם באוניברסיטה, בשל היותה תוכנית מצוינות, בנוסף למענק עידוד העתודה הרגיל בסך 10,500 ש"ח זכאים הלומדים בתוכנית למענק הצטיינות בסך של 5000 ש"ח.
מחלת חניכיים
מחלת חניכיים (באנגלית: Periodontal disease או Periodontal Chronic disease) היא שם כללי למחלה הנובעת מתנאים דלקתיים המשפיעים על החניכיים- הרקמות המקיפות את השיניים. בשלב מוקדם של המחלה, מתפתחת דלקת חניכיים או ג'ינג'יביטיס (בלטינית: Gingivitis). בשלב זה, הנזק עדיין הפיך, החניכיים מתנפחים, מופיעה אדמומיות ואף דימום מקומי. בשלבים מתקדמים של המחלה מתפתחת דלקת חניכיים כרונית, הנקראת גם דלקת מסב-השן או פריודונטיטיס (לטינית: Periodontitis או Periodontal Disease), מחלה זו היא כרונית, וכתוצאה ממנה נגרם נזק למערכת התמיכה של השן, מתרחשת נסיגת חניכיים, עלולה להיגרם פגיעה בעצמות הלסתות הנושאות את השיניים, והשיניים עשויות להשתחרר או ליפול. מחלה זו מלווה בדרך כלל בריח פה לא נעים.
אפידמיולוגיה.
דלקת מסב-השן שכיחה מאוד, ונחשבת כמחלת השיניים השנייה הנפוצה ביותר בעולם, לאחר עששת, ובארצות הברית שכיחותה של המחלה היא 30-50% מהאוכלוסייה, אבל רק כ-10% מהאוכלוסייה לוקים בה בצורה חמורה.
כ-750 מיליון אנשים (כ-10.8% מהאוכלוסייה) לוקים בתצורת פריודונטיטיס כרוני כלשהו, נכון לשנת 2010.
כמו במקרים אחרים, הקשורים באופן ישיר להיגיינה וניטור רפואי בסיסי וטיפול, דלקת חניכיים נוטה להיות נפוצה יותר באוכלוסיות חלשות מבחינה כלכלית. הימצאותה יורדת עם עלייה ברמת החיים.
באוכלוסיית ישראל, אנשים ממוצא תימני, צפון-אפריקני, דרום-אסייתי או ים-תיכוני הם בעלי שכיחות גבוהה יותר של מחלת חניכיים מאשר אנשים ממוצא אירופי. ניתן לזהות דפוסים חברתיים בדיווחים להתפתחות פריודונטיטיס באוכלוסייה, כלומר, אנשים מתחתית הסולם החברתי-כלכלי סובלים מהמחלה לעיתים קרובות יותר מאשר אנשים מהקצה העליון של הסולם החברתי-כלכלי.
אטיולוגיה.
מחלת חניכיים כרונית היא דלקת של מֵסַב-הַשֵּׁן (לטינית: Periodontium), כלומר, הרקמות התומכות בשיניים. מסב-השן מורכב מארבע רקמות:
רקמת החניכיים (לטינית: Gingiva), מלט השן (לטינית: Cementum) - השכבה החיצונית של שורשי השיניים, העצם המכתשית - השקעים שאליהן השיניים עוגנות, ורְצוּעַת מֵסַב-הַשֵּׁן (לטינית: PDL), המהווה את סיבי רקמת החיבור הפועלים בין מלט השן לבין העצם המכתשית.
מחלת החניכיים נגרמת מזיהום חיידקי אופורטוניסטי כרוני, ופוגעת ברקמות אשר סובבות את השן ותומכות בה. גורם הסיכון העיקרי הוא היגיינת פה לא יעילה, כמו גם תזונה קלוקלת. גורמי סיכון נוספים הם סוכרת, איידס, היסטוריה משפחתית של מחלות חניכיים ותרופות מסוימות. המחלה מתפתחת בעקבות היווצרותם של חיידקי הרובד הדנטאלי (פלאק) שהם שכבה דביקה, עדינה וחסרת צבע, שנוצרת באופן תמידי על השיניים. במקרים רבים, מחלת החניכיים הכרונית מתפתחת מדלקת החניכיים השכיחה (ג'ינג'יביטיס).
עישון הוא גורם נוסף המגביר את הסיכוי להתרחשותה של דלקת חניכיים, במישרין או בעקיפין, ועשוי להפריע או להשפיע לרעה על הטיפול. זה נחשב על ידי מומחים רבים כגורם הסיכון החשוב ביותר עבור מחלת חניכיים כרונית. מחקרים הראו כי מעשנים סובלים יותר מדלדול עצם, מאובדן רקמות חיבור ומאובדן שיניים בהשוואה ללא-מעשנים. הסיבה לכך היא כי לעישון יש כמה השפעות על התגובה החיסונית, למשל, ירידה ביעילות ריפוי פצעים, דיכוי ייצור נוגדנים ועוד.