Hesaplamalı fizik

Hesaplamalı fizik, fizikteki problemleri çözmek için sayısal analizin incelenmesi ve uygulanmasıdır. Tarihsel olarak hesaplamalı fizik, modern bilgisayarların bilimdeki ilk uygulamalarıdır ve günümüzde hesaplamalı bilimin bir alt kümesidir. Bazen teorik fizikin bir alt disiplini (veya yan dalı) olarak görülse de, bazıları bunu teorik ve deneysel fizik arasında bir ara dal olarak değerlendirir — hem teoriyi hem de deneyi destekleyen bir çalışma alanıdır.

Fizikte, matematiksel modellere dayanan farklı teoriler, sistemlerin nasıl davrandığına dair çok kesin öngörüler sunar. Ne yazık ki, belirli bir sistem için matematiksel modeli çözerek faydalı bir tahmin üretmek çoğu zaman mümkün değildir. Bu durum, sistemin kapalı form çözümü olmadığında ya da çözüm çok karmaşık olduğunda ortaya çıkabilir. Böyle durumlarda, sayısal yaklaşımlar gereklidir. Hesaplamalı fizik, bu sayısal yaklaşımlarla ilgilenen bir alandır: Çözümün yaklaşık değeri, sonlu (ve genellikle büyük) sayıda basit matematiksel işlem (algoritma) olarak yazılır ve bu işlemleri gerçekleştirmek ve yaklaşık çözümü, ayrıca ilgili hatasını hesaplamak için bilgisayar teknolojileri kullanılır.

Hesaplamanın bilimsel yöntem içindeki yeri konusunda bir tartışma bulunmaktadır.A molecular dynamics primer , Furio Ercolessi, Udine Üniversitesi, İtalya. Makale PDF . Bazen hesaplama, teorik fiziğe daha yakın bir alan olarak görülürken, bazıları bilgisayar simülasyonlarını "bilgisayar deneyleri" olarak değerlendirmektedir. Diğerleri ise bunu teorik ve deneysel fizik arasında bir ara dal veya farklı bir alan olarak kabul eder; teoriyi ve deneyi tamamlayan üçüncü bir yol olarak görürler. Bilgisayarlar, deneylerde veri ölçümü, kaydı ve depolanması için kullanılabilse de, bu durum açıkça bir hesaplamalı yaklaşım olarak kabul edilmez.

 Zorluklar 
Hesaplamalı fizik problemlerini tam olarak çözmek genelde çok zordur. Bunun temelde birkaç matematiksel sebebi vardır: cebirsel ve/veya analitik çözülebilirlik eksikliği, karmaşıklık ve kaos. Örneğin, atomun yörüngesindeki bir elektronun, güçlü bir elektrik alan altındaki dalga fonksiyonunu hesaplamak (Stark etkisi) gibi, görünüşte basit görünen bir problem, pratik bir algoritmanın formüle edilmesi için büyük çaba gerektirebilir (eğer böyle bir algoritma bulunabilirse). Tipik bir makroskopik sistem yaklaşık  bileşen parçacık içerir, bu da oldukça karmaşık ve büyük bir problemdir. Kuantum mekaniğine dayanan problemleri çözmek genellikle sistemin büyüklüğüne göre üstel derecededir ve klasik N-cisim problemi için ise N-kare derecesindedir. Son olarak, birçok fiziksel sistem en iyi ihtimalle doğası gereği doğrusal değildir (doğrusal olmayan sistemler), en kötü ihtimalle de kaotiktir. Bu da sayısal hataların, çözümü işe yaramaz hale getirecek seviyeye ulaşmadığından emin olmayı zorlaştırabilir.

 Yöntemler ve algoritmalar 
Hesaplamalı fizik, geniş bir problem sınıfı ile ilgilendiği için genellikle sayısal olarak çözdüğü farklı matematiksel problemler veya uyguladığı yöntemler arasında bölünmüştür. Bunlar arasında şunlar sayılabilir:

Kök bulma algoritması (örneğin Newton-Raphson yöntemi kullanılarak)
Doğrusal denklem sistemi (örneğin Alt-Üst (LU) ayrıştırma yöntemi kullanılarak)
Adi diferansiyel denklemler (örneğin Runge-Kutta yöntemleri kullanarak)
İntegral hesabı (örneğin Romberg yöntemi ve Monte Carlo integral hesabı kullanarak)
Kısmi diferansiyel denklemler (örneğin sonlu fark yöntemi ve rahatlama yöntemi kullanarak)
Matris özdeğer bulma problemi (örneğin Jacobi özdeğer algoritması ve Von Mises iterasyon yöntemi kullanarak)

Tüm bu yöntemler, modellenen sistemlerin fiziksel özelliklerini hesaplamak için kullanılır.

Hesaplamalı fizik, ayrıca hesaplamalı kimyadan da bir dizi fikir ödünç alır - örneğin, katıların özelliklerini hesaplamak için hesaplamalı katı hal fizikçileri tarafından kullanılan yoğunluk fonksiyonel teorisi, kimyagerlerin moleküllerin özelliklerini hesaplamak için kullandığı teori ile temelde aynıdır.

Ayrıca, hesaplamalı fizik, problemleri çözmek için  ayarlanmasını da kapsar (çünkü problemler genellikle çok büyük olabilir, işlem gücü ya da bellek talebi açısından).

Ayrıca, hesaplamalı fizik, problemleri çözmek için yazılım/donanım yapısının optimizasyonunu da kapsar (çünkü problemler genellikle işlem gücü veya bellek talepleri açısından çok büyük olabilir).

 Ayrıca bakınız 
 Fizik
 Matematiksel ve teorik fizik
 Hesaplamalı kimya
 Advanced Simulation Library

 Kaynakça