علوم محاسباتی، سومین شاخه از پژوهش

 قسمت اول

وقتی یکی از برترین ژورنال های ریاضی جهان به نام  Mathmatical Intellingencer را که در سال 2007 در زوریخ کشور سوئیس به چاپ رسیده است ورق می زنیم، به مقاله ای بر می خوریم که نویسنده آن یک دانشمند ایرانی به نام پروفسور هاشم رفیع تبار است؛ یکی از چهره های ماندگار علمی کشورمان که به کسب افتخاری دیگر دست زده و مقاله ایشان در میان برترین مقالات علمی جهان جای گرفته است.

معرفی علم محاسبات

با ظهور خطوط مشی محاسباتی کارآمد در مقیاس های بزرگ و خصوصی، مدل سازی رایانه ای و شبیه سازی عددی به ابزار بسیار مهم  پژوهشی با کارآمدی بالا در تقریبا تمام شاخه های علوم پایه و کاربردی از علوم فیزیک و زیست شناسی گرفته تا علوم مهندسی و علوم پزشکی-داروئی تا علم اقتصادی تبدیل شدند.

محدوده کاربرد شبیه سازی های رایانه ای در دو دهه گذشته فوق العاده بوده است به طوریکه در کشورهای پیشرفته به رشته ای جدید و مستقل که علوم محاسباتی خوانده می شود بدل شده و این رشته هیئت علمی، آزمایشگاه، مرکز تحقیقاتی و انستیتوی مربوط به خود را دارد.

علوم محاسباتی دو شاخه سنتی تحقیق را تعریف می کند: تئوری با ساختار تحلیلی (analytical thepry-building) و آزمایشات با پایه آزمایشگاهی(laboratory-based experimentation) و اکنون خود نیز به سومین شاخه تحقیق بدل شده است. این همچنین به "محاسبات آزمایشی" مربوط می شود، جائیکه برنامه کامپیوتری کدی را برای یک برنامه که به منظور حل یک مشکل مدل سازی بسیار پیچیده نوشته شده است بدست داده و آزمایشگاهی خوب سازماندهی و تعریف شده را برای اینکه دانشمند محاسباتی که در شاخه خاصی از علم کار می کند بتواند آزمایش های عددی گسترده خود به صورت کنترل شده و از نظر اقتصادی با صرفه انجام دهد در اختیار می گذارد.

در این آزمایشات می توان بر روی یک سیستم نمونه در شرایط اولیه و مرزی تحقیق کرد، عملکرد نیروهای موثر بر دینامیک سیستم می تواند به طور ارزشمندی تفکیک و به طور جز به جز در یک دقیقه از لحاظ سیستماتیک مطالعه شود. شبیه سازی عددی می تواند محقق را با مسائل پیش بینی نشده ایی مواجه کند، بوجود آوردن زمینه ایی برای آزمایش تئوری ها و پیش بینی ها و دادن سر نخ به محققان آزمایشگاهی درباره اینکه کدام نوع از پدیده ها ممکن است رخ دهد می تواند کمک باشد. یک مدل سازی عددی می تواند برای فراهم ساختن شرحی کامل از نتایج منطقی که از فرض های اولیه خاص، داده های ورودی و تئوری های فیزیکی بکار گرفته شده برای شرح صور انرژی و دینامیک سیستم (که مولد مقدار فراوانی از اطلات مفید بوده و در مواردی که راه دیگری برای بدست آوردن آنها نیست ترسیم می شوند) استنباط می شوند؛ بکار رود.

بدیهی است که با افزایش پیشرفت ها درفناوری های محاسباتی نرم افزارها و سخت افزارها و مخصوصا با توجه به تعاملی که می توانند با زمینه های علوم و فناوری نانو داشته باشند می توان حدس زد که از نظر کاربردی هیچ محدودیتی و مشکلی در نوع ، اندازه و حل پیچیدگی مشکلاتی که در پی علوم محاسباتی بوجود می آید وجود ندارد؛ مثلا از نمونه پیش بینی کننده وقوع زمین لرزه گرفته تا مدل سازی انتشار آتش درون موتور جت، از مدل سازی شکافت هسته در مواد تا مدل سازی خواص مکانیکی، گرمایی و الکتریکی مواد بسیار کوچک با ساختاری عجیب همچون کربن نانوتیوب ها . اغراق نیست که بگوییم ما در حال کسب تجربه هستیم و برای مدت طولانی به این کار ادامه می دهیم، تا انقلاب عددی عظیمی در علوم  فیزیکی و بیولوژیکی و زمینه های مرتبط تکنولوژیکی با آنها رخ دهد.

نویسنده: پروفسور هاشم رفیع تبار