Tretí pilier vedy

Dva hlavné piliere vedy, teda prístupy k vedeckému poznávaniu sveta, boli teória a experiment. S vynálezom počítačov pribudol tretí: simulácia.

V predchádzajúcom čísle Quarku sme si priblížili, ako počítače umožňujú riešiť rovnice, na ktoré pero a papier nestačia. Počítače nám však umožňujú viac: zostrojiť matematické modely zložitých systémov skladajúcich sa z tisícov pohyblivých častí vyvíjajúcich sa podľa prepojených rovníc a ich riešením sledovať, ako sa správajú.

Virtuálne experimenty

Prečo sa však simuláciami zaoberať? Veď pri konštruovaní teoretického modelu sa nevyhnutne dopustíme zjednodušení a počas riešenia sa nepresnosti môžu nabaľovať, až kým sa model správa úplne inak ako popisovaný jav. Pravdou však je, že experimenty nevieme robiť vždy. Niekedy sú drahé – keď chceme otestovať, ktorý dizajn nového lietadla je najlepší, a niekedy dokonca nemožné – keď chceme študovať astrofyzikálne deje alebo svet, v ktorom majú fyzikálne konštanty iné hodnoty. No a niektoré experimenty jednoducho robiť nechceme – mnohé pokroky vo výpočtových metódach vzišli zo simulovania jadrových výbuchov.
Typickou simuláciou je predpoveď počasia. Pre popis správania sa atmosféry potrebujeme zahrnúť javy ako vietor, slnečné žiarenie, zrážky, vyparovanie a tvar zemského povrchu. Výsledky meraní z meteorologických staníc a satelitov sa použijú na konštrukciu digitálneho modelu atmosféry a parametrizáciu rovníc popisujúcich pohyby jej súčastí. Ich riešením dostaneme časový vývoj oblačnosti, zrážok a vetra nad sledovaným územím. No spomínané malé nepresnosti a zanedbania spôsobujú, že model po istom čase prestane dávať spoľahlivé výsledky a treba ho korigovať novými hodnotami meraní.

Čas a náhoda

Cieľom simulácií je často predpovedať, čo sa stane v budúcnosti, no nie vždy. Príkladom sú simulácie materiálov zložených z veľkého množstva rôzne usporiadaných atómov. Niektoré usporiadania majú nižšiu energiu, čo ich robí stabilnejšími. Tzv. makroskopické vlastnosti materiálov ako tvrdosť alebo elektrický odpor sú dané najmä týmito najvýhodnejšími usporiadaniami častíc. Závislosť energie od polôh všetkých atómov je zložitá, tieto usporiadania nevieme získať vyriešením jednoduchých rovníc a potrebujeme simulácie. Častý prístup je založený na náhodnom generovaní rozmiestnení atómov – niečo, v čom sú počítače dobré, spojenom s vyberaním energeticky výhodnejších. Takéto náhodné (odborne stochastické) simulácie sa podľa slávneho kasína nazývajú metódy Monte Carlo.
Zaujímavosťou je, že existuje prepojenie medzi náhodne generovanými štruktúrami a časovým vývojom. Tzv. ergodická hypotéza tvrdí, že počas dosť dlhého časového vývoja prejde systém všetkými usporiadaniami, ale najviac času bude tráviť v tých najvýhodnejších. Alternatívou stochastických simulácií sú preto metódy molekulovej dynamiky, keď sa sleduje pohyb atómov a molekúl v čase, no nie s cieľom získať ich presné dráhy a pozície, len priemerné hodnoty fyzikálnych veličín a z nich spomínané makroskopické vlastnosti.

Agenti a analógy

Inokedy simulácie zasa popisujú správanie podľa jednoduchých pravidiel, ktorými sa riadia tzv. agenti. Ide o pravidlá typu: Ak sa stane udalosť A, spravím krok doprava, ak udalosť B, krok doľava. Takéto pravidlá sa nedajú ľahko naformulovať v podobe rovníc. Simulácie agentov sa využívajú v sociológii, ekonómii alebo v epidemiológii, kde umožnili vedcom predpovedať rôzne scenáre šírenia vírusu SARS-CoV-2 a podľa toho nastavovať protipandemické opatrenia.
Nie všetky simulácie sú počítačové. Tzv. analógové simulácie konštruujú modely nie digitálne, ale fyzicky, napríklad zo stavebníc (alebo z atómov držaných lasermi). Fyzické modely sa podobne ako virtuálne stavajú tak, aby sa riadili rovnakými rovnicami ako ich predlohy. Kus polovodiča vo vhodnom elektromagnetickom poli môže simulovať správanie čiernej diery. Rozdiel medzi analógovými a digitálnymi simuláciami je ako rozdiel medzi filmovými špeciálnymi efektmi a počítačovou grafikou, pričom tak vo filmoch, ako aj vo výskume presýtenie počítačmi v súčasnosti zvyšuje popularitu fyzických modelov.

Autor článku: Lukáš Konečný
Prírodovedecká fakulta
Univerzita Komenského v Bratislave
Viac podobných článkov nájdete na stránke vedator.space. Vedátora môžete sledovať aj prostredníctvom bezplatnej mobilnej aplikácie.