Física Computacional: A Física do Presente (e do Futuro)

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Simulações: Ji-hoon Kim & Tom Abel.

Física Computacional (FC) é uma área multidisciplinar que combina Física, Matemática Aplicada e Ciência da Computação, com o objetivo de resolver problemas nas ciências naturais – sobretudo na Física.

Física Computacional e sua tríade de formação.
Física Computacional e sua tríade de formação.

Simulações computacionais começaram a ser usadas como ferramenta científica em Meteorologia e Física Nuclear logo após a Segunda Guerra Mundial, e têm se tornado indispensáveis num número crescente de áreas desde então.

“Física computacional é uma síntese de análise teórica, algoritmos numéricos e programação de computadores.” Traduzido de P. L. DeVries Am. J. Phys., vol. 64, 364 (1996).

Aqui já vale uma ressalva:

  • Física Atômica estuda os átomos;
  • Física Nuclear, os núcleos;
  • Física do Estado Sólido estuda os sólidos;
  • Física Computacional não estuda computadores.

A Física tenta entender o funcionamento do universo. Ela usa a Matemática como linguagem para “se comunicar” com a natureza, aqui entram as equações. Usando equações, são criados modelos que descrevem o comportamento do universo. Descrições exatas (analíticas) são muito raras em sistemas complexos – que são os mais comuns.

Geralmente usa-se a Física Computacional quando não se consegue resolver um problema analiticamente ou há muitos dados para serem processados.

Solução Analítica x Solução Numérica
Solução Analítica x Solução Numérica

Repare que na imagem acima há uma caneca (talvez com café). Mera coincidência?

Simulações computacionais também podem ser usadas como ferramenta de exploração dos famosos “experimentos pensados”, comumente usados em Física para checar ideias fundamentais e ilustrar suas consequências. Assim, se poupa tempo e dinheiro – que não são a mesma coisa.

Simulações

Física é uma ciência experimental, o que significa que é a natureza que dá a “palavra final” nas questões. Ao se tratar de simulação computacional, é perigoso dar a esta tanto “poder” quanto tem a própria natureza (uma simulação sem compromisso com a realidade está mais para um jogo de videogame que para uma simulação científica).

O objetivo da Física Computacional não é substituir teoria ou experimento, mas sim aumentar nossa compreensão acerca dos processos físicos.

Em que usualmente se aplica os conhecimentos de um físico computacional?

A FC é fundamental, por exemplo, para armazenamento, distribuição e análise dos dados experimentais captados pelo Large Hadron Collider (a maior e mais poderosa máquina já feita pela nossa espécie).

Abaixo, um vídeo sobre Astrofísica Computacional e uma lista com algumas áreas de atuação.

  • Mecânica Quântica;
  • Inteligência Artificial;
  • Cosmologia;
  • Neurociência;
  • Física de Partículas;
  • Astrobiologia;
  • Bioinformática;
  • Astrofísica;
  • Sistemas de Equações Diferenciais;
  • Teoria de Campos;
  • Previsão do Tempo;
  • Ciência dos Materiais;
  • Biologia Estrutural;
  • Mercado Financeiro;
  • Física Estatística;
  • Biofísica;
  • Fusão Nuclear;
  • Nanotecnologia;
  • Ciência Oceânica;
  • Bioquímica;
  • Automação Industrial;
  • E a lista segue…

Como ser um físico computacional?

Visto que um físico computacional é um físico que sabe Computação e não um “computeiro” que sabe Física, é preciso uma graduação em que o “carro chefe” seja Física.

Em algumas universidades brasileiras como a USP (campus de São Carlos) e a UFRGS (campus do Vale), há cursos de bacharelado em Física Computacional. Caso não seja possível entrar num destes cursos, a formação em Física (bacharelado) já é um começo, esta opção está presente em muitas universidades do Brasil.

Na USP, o curso tem duração de 4 anos. A intenção é que um graduado em FC saiba tanta Física quanto o bacharel de Física, porém o graduado em FC tem um arsenal computacional bem maior ao seu dispor.

“Desde que surgiram, […] os computadores são usados como ferramentas no trabalho científico. Atualmente é difícil indicar uma pesquisa científica em física que não envolva, de alguma forma, o uso da física computacional.”, explica o professor da USP, Gonzalo Travieso.

Se você gosta de física, computação (sobretudo programação) e desafios intelectuais, esse curso deve ser uma boa escolha.

Para mais informações, clique aqui.

Espero que tenha gostado. Obrigado pela atenção e até a próxima.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

  1. A Survey of Computational Physics – R. H. Landau, M. J. Páez e C. C. Bordeianu – Princeton University Press – 2008.
  2. An Introduction to Computational Physics – Tao Pang – Cambridge University Press – Second Edition, 2006.
  3. Computational Physics: An Introduction – Franz J. Vesely – Plenum Press – 1994.
  4. Computational Physics, Lecture Notes – Morten Hjorth-Jensen – University of Oslo – 2012.
  5. Computational Physics – Nicholas J. Giordano e Hisao Nakanishi – Pearson Education, Inc. – Second Edition, 2006.
  6. Computer Simulation in Physics and Engineering – Martin Oliver Steinhauser – Gruyter – 2012.

REFERÊNCIAS WEBGRÁFICAS

  1. Bacharel em Física: Física Computacional – UFRGS -<http://www.if.ufrgs.br/gra/computacional.html> – Acesso em Fevereiro de 2016.
  2. Computational Astrophysics – Stanford University – <http://kipac.stanford.edu/kipac/projects/computational_astrophysics> – Acesso em Fevereiro de 2016.
  3. Computational Physics Lectures: Modules, Quizzes & Slides – Oregon State University – <http://physics.oregonstate.edu/~rubin/Books/CPbook/eBook/Lectures/index.html> – Acesso em Janeiro de 2016.
  4. Computer Simulations in Science – Stanford Encyclopedia of Philosophy – <http://plato.stanford.edu/entries/simulations-science/> – Acesso em Fevereiro de 2016.
  5. O curso – IFSC/USP – <http://cursos.ifsc.usp.br/index.php/fisica-computacional> – Acesso em Fevereiro de 2016.
  6. What Computational Physics Is Really About – <http://www.wired.com/2015/11/what-computational-physics-is-really-about/> – Acesso em Janeiro de 2016.
  7. What is COMPUTATIONAL PHYSICS? Computation vs Theory vs Experiment in Physics – <http://phycomp.technion.ac.il/~phr76ja/doh/doh1.html> – Acesso em Fevereiro de 2016.
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