Die Computerphysik ist ein Teilgebiet der klassischen Physik, der sich mit der Simulation physikalischer Prozesse mithilfe von Computern auseinandersetzt. Dieses Teilgebiet, auch Physikinformatik genannt, bedient sich den Methoden und Verfahren der numerischen Mathematik.
In der Physik braucht man Simulationen, um Kenntnisse über zurückliegende oder vorliegende Ereignisse zu gewinnen, so kann man beispielsweise die Entstehung des Weltalls simulieren.
Aufgrund ihrer vielseitigen Einsatzmöglichkeiten sind Computer in der Physik nicht mehr wegzudenken. Sie erfüllen komplexe Rechenleistungen, für die die Menschen deutlich mehr Zeit aufwenden müssten.
In diesem Artikel erklären wir dir, welche Inhalte die Computerphysik umfasst, welche physikalischen Teilgebiete auf Berechnungen mit Computern zugreifen und was es sonst noch zu wissen gibt.
Was ist die Computerphysik?
Die Entwicklungen in der Computertechnologie hat dazu geführt, dass die Forscher und Forscherinnen neue Funktionen der Computer in verschiedenen Bereichen wie der Astrophysik, Meteorologie oder Geophysik nutzen konnten.
Mithilfe modernen Technik waren auch einmal neue Simulationen in verschiedenen Bereichen möglich und so konnten Prognosen zur Klimaentwicklung oder zu spezifischen Wettervorhersagen getroffen werden.
Aber wie genau funktionieren solche Simulationen, mit denen sich die Computerphysik beschäftigt?
Dabei geht es vor allem um physikalische Probleme, die sich mithilfe von Gleichungen beschreiben lassen, aber deren Lösung nicht direkt mit einer Formel berechnet werden kann.
Um eine Simulation aufstellen zu können, muss ein Computer zunächst die Ausgangsgleichungen, die ein physikalisches System beschreiben, mithilfe mathematischer Formeln der Algebra lösen.
Für eine Simulation wird also ein Modell einer Wirklichkeit aufgestellt, in dem man sich dieser möglichst annähert. Diese modellierte System soll dann mit einem Computer realisiert werden, um dann die physikalischen Größen zu messen.
Damit befasst sich die Computerphysik mit Berechnungen, die innerhalb von wenigen Millisekunden verarbeitet werden können, aber auch mit sehr komplexen Berechnungen, die monatelang dauern können.
Die Computersimulationen physikalischer Systeme erfolgen mithilfe numerischer mathematischer Berechnungen, wie den Differentialgleichungen, Integralrechnung oder der Lösung von Eigenwert-Problemen.
Auch die theoretische Physik nutzt die Methoden der Computational Physics.
Diese Teilbereiche nutzen die Computerphysik
Als methodischer Teilbereich findet die Computerphysik in vielen physikalischen Gebieten ihre Anwendung. Aufgrund ihrer vielfältigen Einsatzmöglichkeiten auch zur Berechnung komplexer Sachverhalte nutzen nahezu alle physikalischen Teilgebiete die Computerphysik.
Ob in der Quantenfeldtheorie, in der Astrophysik und Kosmologie, in der Festkörperphysik, in der Thermodynamik, in der Meteorologie und Klimatologie oder in der Statistischen Physik, zahlreiche Teilgebiete kommen ohne die Computerphysik nicht mehr aus.
Wir zeigen dir, was im Speziellen gemacht wird.
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Theoretische Physik
In der theoretischen Physik spielen analytische und numerische Modellbildung physikalischer Systeme eine große Rolle. Da die Herleitung und Lösung von Differentialgleichungen in der theoretischen Physik äußerst komplex sein kann, wird sie immer häufiger von Computern übernommen.
So lassen sich algebraische Berechnungen leicht, effizient und schnell am Computer durchführen, ohne dass die Forscher mit Papier und Stift jeden einzelnen Schritt berechnen müssten.
Da man viele Probleme der theoretischen Physik nicht analytisch sondern nur numerisch lösen kann, lohnt es sich in den meisten Fällen, mit Computern zu arbeiten, die diese Arbeit übernehmen können.
Diese komplexen Berechnungen haben teilweise mehreren zehn- bis hunderttausend Befehlszeilen, sodass eine Berechnung von Menschenhand kaum möglich wäre.
Experimentalphysik
Auch in den Berechnungen der Experimentalphysik spielen Programmiersprachen und Computer eine große Rolle. Denn Experimente können sehr umfangreich und komplex sein, sodass zur Konzeption eines Experiments eine Simulation der Ergebnisse notwendig wird.
Besonders in der Hochenergie- und Kernphysik spielen solche Ergebnissimulationen eine große Rolle, da die Experimente hier sehr zeitaufwendig und komplex sind. So auch die Entwicklung von Weltraumteleskopen
In der Physik laufen die Steuerung und Datenaufnahme von Experimenten fast immer über Computer ab. So können die Forscher die Versuchsbedingungen und Systemparameter direkt abspeichern und immer wieder darauf zugreifen. Die Forscher nutzen dann ihre Erfahrung und Assoziationsfähigkeit und profitieren von der höheren numerischen Fähigkeiten der Computer.
Welche Computersprachen werden genutzt?
Zur Bearbeitung von Datenbanken, Tabellenkalkulation oder Textverarbeitung nutzen Physiker verschiedene Computersprachen, ganz gleich ob in der technischen Physik oder in der Astrophysik.
Unter diesen kommerziellen Anwendungsprogramme findet man einige der üblichen Programmiersprachen, die im Bereich der computational physics. Eigens dafür werden nur wenige Sprachen entwickelt.
Zu den verwendete Programmiersprachen zur Lösung von Differentialgleichungen oder zur Erstellung diverser Modelle zählen folgende Beispiele:
- Fortran
- C
- BASIC
- Pascal
- Mathematica
- Maple
- IDL
- Labview
Ob Großexperiment oder Weltall-Simulation, für jede Arbeit physikalischer Natur mit einem Computer braucht man Programmiersprachen, die je nach Funktion auch sehr komplex sein können.
Wie auch die mathematische Physik nutzt die Computerphysik Berechnungen und große Mengen an Daten.
Wie kann man sich mit Computerphysik beschäftigen?
Anders als andere naturwissenschaftliche Teilgebiete muss man in der Physik vergleichsweise wenig auswendig lernen, es geht eher um das Verständnis und die direkte Anwendung.
Ähnlich sieht es in der Computational Physics aus, wo es vor allem darum geht, zu üben, auszuprobieren und nachzufragen.
Wenn man nicht direkt die Möglichkeit hat, bei einer Simulation zuzuschauen oder ein Konzept für ein Experiment zu entwickeln, dann gibt es noch die Möglichkeit, sich Lehrbücher anzuschaffen und den Stoff theoretisch durchzuarbeiten.
Bei Schwierigkeiten kann dir Physik Nachhilfe privat helfen.
Die folgenden Lehrbücher können wir empfehlen:
- "Computerphysik: Einführung, Beispiele und Anwendungen“ von Stefan Gerlach: wer auf der Suche nach einer aktuellen Einführung in die Lösung physikalischer Probleme mithilfe von Computern ist, der ist hier an der richtigen Stelle. Neben den Grundlagen der Computernutzung und der Programmierung erhalten die Leser Erklärungen zu den wichtigsten numerischen Methoden. Zahlreiche Beispiele und Übungsaufgaben rund um die Nutzung des Betriebssystems Linux sowie die Programmierung in C und Python helfen beim Verständnis.
- „Grundlagen der Wahrscheinlichkeitsrechnung und Statistik: Eine Einführung für Studierende der Informatik, der Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften“ von Erhard Cramer: in diesem Buch erhalten die Leser einen anwendungsorientierten Einblick in die Beschreibende und Schließende Statistik, in die Wahrscheinlichkeitsrechnung und in die Stochastische Modellierung. Diese bilden die Grundlagen der Computerphysik und sind daher sehr sinnvoll als Ausgangspunkt. Neben hilfreichen Erklärungen findest du hier zahlreiche Beispielaufgaben mit detaillierten Lösungen.
- „Physik mit Python“ von Oliver Natt: in diesem Buch werden physikalische Fragestellungen mithilfe der Programmiersprache Python behandelt. Es geht um die Simulation von physikalischen Systemen und die Visualisierung von Ergebnissen sowie dem Erstellen von Animationen. Auch in diesem Lehrbuch findest du zahlreiche Beispielen und Übungsaufgaben, sodass du die Lösung von Differentialgleichungen von einer theoretischen Perspektive erlernen kannst.
Auch die Inhalte der statistischen Physik helfen beim Verständnis der Computerphysik.
Hier kann man Computational Physics studieren
Wenn du dich für physikalische Berechnungen und Simulationen interessiert, dann lohnt es sich, über ein Studium in dem Bereich nachzudenken.
Folgende Universitäten haben eine Vorlesung zu Computerphysik in ihrem Physik-Bachelor-Studium integriert:
- Universität Konstanz
- Universität Köln
- Universität Stuttgart
- Universität Bielefeld
- Universität Oldenburg
Die einzige Uni, die ein eigenes Programm anbietet, ist die TU Chemnitz. Hier kannst du nach dem Abschluss deines Bachelors in Physik einen Master in Computational Science machen.
In dieser praxisorientierten Ausbildung lernst du die wichtigsten Inhalte zur Funktion der Quantencomputer, zu Lösung von Differentialgleichung und zu den Berechnungen eines Computers.
Um diesen Master studieren zu können, musst du vorher einen klassischen Physik-Bachelor absolvieren. Hier kommt eine kurze Liste, wo dies überall möglich ist:
- Uni Jena
- Hochschule Koblenz
- Uni Duisburg-Essen
- Uni Hamburg
- Uni Köln
- Uni Heidelberg
- Uni München
- Uni Bonn
- RWTH Aachen
- TU Berlin
- TU München
- KIT Karlsruhe
Hier kannst du nach dem Studium arbeiten
In einem klassischen Physik-Studium wirst du nicht direkt zum Spezialisten für die physikalische Computer-Anwendung ausgebildet. Anders sieht das natürlich im speziellen Studium zu computational Science an der TU Chemnitz aus.
Grundsätzlich erwirbt man aber in einem physikalischen Studium Kenntnisse in einer Vielzahl von Bereichen der Informatik, der numerischen Modellbildung und der Datenanalyse. Diese Kenntnisse sind auf dem Arbeitsmarkt sehr gefragt, denn es herrscht eigentlich immer ein Fachkräftemangel.
Neben den Inhalten helfen auch die erworbenen mathematischen Fertigkeiten sowie das analytische Denken und Abstraktionsvermögen bei der Jobsuche.
Als Absolvent eines Masterstudiums verfügst du über algorithmische Fähigkeiten, die es dir ermöglichen, bei der quantitativen Modellierung von Naturvorgängen oder auch bei ingenieurwissenschaftlichen Prozessen auftretende Probleme mithilfe numerischer Methoden zu lösen.
So kannst du in der Industrie, Verwaltung und Wissenschaft arbeiten. Oftmals arbeiten Absolventen in einer Schnittstelle zwischen Naturwissenschaften und Ingenieurwissenschaften an anwendungsorientierten Problemstellungen.
Die verschiedenen Methoden der Physik spielen auch auf dem Arbeitsmarkt eine große Rolle!
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