Laskennallinen fysiikka

Laskennallisella fysiikalla tarkoitetaan tutkimusta, jossa pyritään ratkaisemaan fysiikan ongelmia käyttämällä laskentaan tietokoneita. Laskenta voi merkitä esimerkiksi matemaattisten yhtälöiden ratkaisemista numeerisesti tietokoneella, silloin kun analyyttinen ratkaisu ei ole mahdollista. Nykyään se kuitenkin yhä useammin on hyvin monimutkaista ja suurta tietokonekapasiteettia vaativaa fysikaalisten prosessien tietokonesimulointia eli pyrkimistä jäljitellä luonnossa tapahtuvaa prosessia tietokoneella.

Laskennallinen fysiikka eroaa käsitteenä sikäli muista fysiikan osa-alueista että sen määritelmä koskee ongelmien ratkaisutapaa. Tässä mielessä käsite voidaan rinnastaa käsittäisiin "kokeellinen fysiikka" ja "teoreettinen fysiikka". Ei kuitenkaan ole olemassa konsensusta siitä onko "laskennallinen fysiikka" rinnastettavissa samanarvoisena näihin kahteen vanhempaan käsitteeseen, vai onko se nähtävänä osana teoreettista fysiikkaa. Edellistä näkemystä voidaan puoltaa esimerkiksi toteamalla että laskennallisen fysiikan työskentelytapa eroaa nykyään useimmiten hyvin pitkälti perinteisestä puhtaan analyyttisen matemaattisesta ("kynä-ja-paperi") teoriasta. Jälkimmäistä näkemystä voi puolustaa esimerkiksi toteamalla että myös laskennallinen fysiikka perustuu pohjimmiltaan johonkin matemaattiseen yhtälöön tai algoritmiin, eikä siten peruslähtökohdaltaan eroa teoriasta.

Esimerkki tietokonesimuloinnista fysiikassa: nk. molekyylidynaaminen simulointi atomien liikkeestä, kupariatomi joka pommittaa kuparipintaa.

Joka tapauksessa laskennallinen fysiikka on sikäli mielekäs käsite, että vaikka sillä tutkitaan hyvinkin erilaisten fysiikan alojen ongelmia, perustuu suuri osa ratkaisumenetelmistä muutamaan perusalgoritmiin, joten menetelmien tuntemus ja kehitys voi luoda hyödyllisiä yhteyksiä eri fysiikan osa-alueiden ja lähitieteiden välillä. Esimerkiksi niin kutsuttua Metropolis Monte Carlo-algoritmia, joka alun perin kehitettiin tutkimaan kiinteän aineen sulamista [1], käytetään nykyään eri muodoissa lähes kaikilla fysiikan osa-alueilla, ja sen lisäksi laajalti kemiassa, matematiikassa, tietojenkäsittelytieteessä ja jopa taloustieteessä. Vastaavasti pohjimmiltaan samoja algoritmeja käytetään materiaalifysiikassa ja kemiassa atomien liikkeen simulointeihin, ja tähtitieteessä taivaankappaleiden liikkeen mallintamiseen. Lisäksi lähes kaikkia laskennallisia fyysikkoja yhdistää tietenkin tarve saada käyttöönsä ja osata käyttää supertietokoneita.

Tietokoneiden kehityksen myötä laskennallinen fysiikka on noussut erittäin merkittäväksi osaksi fysiikan tutkimusta, ja on useilla fysiikan osa-alueilla (esimerkiksi materiaalifysiikka) lähes täysin korvannut perinteisen, puhtaan analyyttisen teorian. Myös kokeellinen tutkimus on tavallaan muuttunut laskennalliseksi: hyvin moni mittausmenetelmä (esimerkiksi atomivoimamikroskopia) toimii järkevästi pelkästään tietokoneistetun datankeräyslaitteiston ansiosta.

Suomessa laskennallisia menetelmiä käytetään ja opetetaan kaikilla fysiikan laitoksilla, tosin vaihtelevassa laajuudessa, mutta kokonaisuutena sitä voidaan pitää korkeatasoisena. Tämän mahdollistaa pitkälti opetusministeriön omistama tieteen tietotekniikan keskus (CSC), joka tarjoaa kansainvälisesti hyvin kilpailukykyisen tietokonekapasiteetin tutkijoiden käyttöön.