Verbindung Informatik und Physik



  • Hallo ihr Physiker,
    ich bin mir nicht sicher ob das wirklich hier herein passt, aber da es um Physik und Informatik geht dachte ich, finde ich hier am meisten Hilfe.

    Folgendes Problem: Im Rahmen des Abiturs halte ich die sogenannte 5. Prüfungskomponente, einen Vortrag, über ein frei wählbares Thema. Als Fächer habe ich mir Physik und Informatik ausgesucht, habe nun allerdings Schwierigkeiten ein Thema zu finden.

    Meine eigentliche Motivation war irgendetwas zu programmieren und das in einen Vortrag einzubetten, aber da stieß ich schnell auf das Problem, dass das Thema als Problemfrage formuliert werden muss. Ich könnte also auf jeden Fall irgendwelche physikalischen Probleme programmiererisch simulieren, weiß aber nicht wie ich das als Problem oder konkrete Frage formulieren soll. Auch die Idee etwas über das Glasfaserkabel zu machen hatte ich, aber da hat mein Lehrer das meiste als zu tiefgreifend für den Vortrag bezeichnet.

    Ich hoffe ihr Physiker und Informatiker habt irgendwelche Ideen oder Tipps und könnt mir aushelfen.

    MfG Pawlow



  • Naja, es gibt ja 2 Richtungen...

    In der einen Richtung wirkt die Physik auf die Informatik. Durch Fortschritte in der Physik werden der Informatik neue Welten eröffnet. Wenn Du zum Beispiel an Moore's Gesetz denkst, das den Trend eines exponentiellen Wachstums der Transistordichte auf CPUs beschreibt, dann basiert das auf Fortschritten in der Physik. Warum sind Computer inzwischen so leistungsfähig? Weil die physikalischen Herausforderungen bei der Herstellung immer kleinerer Komponenten immer besser in den Griff zu kriegen sind. Und das Betrifft auch andere Aspekte jenseits der Transistordichte. 2007 gab es zum Beispiel den Physik-Nobelpreis für die Entdeckung des GMR-Effekts. Die Nutzung dieses Effekts hat es ermöglicht, immer höhere Speicherdichten auf Festplatten zu realisieren. Dieses Jahr gab es den Physik-Nobelpreis für die erstmalige Herstellung von Graphen. Ein Material, in dem man jede Menge Potential sieht, die Computer noch leistungsfähiger zu machen.

    In der anderen Richtung profitiert die Physik von der Informatik. Das kann entweder damit zu tun haben, dass unglaubliche Datenmengen verarbeitet werden müssen, wie es zum Beispiel am LHC der Fall ist. Dort kommen AFAIK u.a. Mustererkennungsalgorithmen zum Einsatz, um Ereignisse in den riesigen Detektoren zu klassifizieren. Weiterhin ermöglicht die enorme Rechenleistung von heutigen Computern natürlich die Berechnung von Dingen, die ohne Computer nicht berechnet werden könnten. Also vor allem auch die Simulation bestimmter physikalischer Systeme. Ein beeindruckendes Beispiel hierfür ist die Zunahme an Relevanz und Quantität von Simulationen in der Festkörperphysik. Du musst Dir das mal überlegen... vor ein paar Jahrzehnten gab es theoretische Physik und Experimentalphysik. In der theoretischen Physik konnten praktisch nur sehr einfache physikalische Systeme betrachtet werden. Modellsysteme. Alles andere war zu kompliziert. Allerdings ist in den letzten Jahren die "Computerphysik" dazugekommen. Dort kombiniert man die ganz fundamentale Theorie mit der Rechenleistung heutiger Computer und kann deshalb die Eigenschaften und das Verhalten von relativ komplexen Systemen vorhersagen. Man kombiniert derartige Simulationen inzwischen auch gerne mit Experimenten. Denn in Experimenten sind nicht alle interessanten physikalischen Größen zugänglich.Das heißt, wenn man ein Experiment und eine Simulation hat, die beide die gleiche Grundaussage haben, dann hat man in der Simulation mehr Hinweise darauf, warum das Ergebnis eigentlich so ist, wie es ist. Die Computerphysik stellt somit ein wichtiges Bindeglied zwischen Experimentalphysik und theoretischer Physik dar.

    So, Du willst jetzt etwas simulieren. Aus meiner Sicht solltest Du dann ein einfaches Beispiel wählen, bei dem der Nutzen von Simulationen klar wird. Zum Beispiel das Dreikörperproblem. Das ist analytisch nicht mehr lösbar. Somit muss man Computern nutzen. Andererseits ist es ein sehr oft vorkommendes Problem in der makroskopischen Physik. Stell Dir das System Sonne-Erde-Mond vor. Da hast Du ein Dreikörperproblem. Interessanter wäre aber natürlich Sonne-Erde-Killerasteroid, damit Du die Leute auch begeistern kannst. 🙂 Das sollte vom Umfang her noch halbwegs akzeptabel sein und Du kannst da sogar visuell etwas zeigen. Und im Zweifelsfall kannst Du das gleich auf ein Mehrkörperproblem verallgemeinern und das ganze Sonnensystem simulieren. Und dann ist Deine Fragestellung "Vernichtet Asteroid XYZ die Menschheit?" 🙂


  • Mod

    Informatik != Programmieren

    Da gibt es so allerlei. Die ganze Computerphysik ist quasi angewandte Informatik. Aber das ist vom interdisziplinären Standpunkt eher langweilig (wie ich finde), weil es nur um Effizienz von Algorithmen geht.

    Das Vorzeigebeispiel für Physik und Informatik ist natürlich die Quanteninformationverarbeitung. Aber das wird nichts in der Schule. Um die nötige Quantenmechanik wirklich zu verstehen ist ein Hochschulstudium notwendig. Eventuell kannst du einen Vortrag über die absoluten Grundlagen halten und die Physik einfach als gegeben ansehen, aber erwarte nicht, dass es toll wird.

    Also wohl doch Computerphysik. Ein Feld so weit wie die Physik selbst, da praktisch alles was in der Physik gemacht wird, auch irgendwo mit Computern berechnet wird. Die üblichen Fragestellungen sind:
    - Wir haben eine Theorie können sie aber nicht genau lösen, weil das System zu komplex ist. Gibt eine Simulation mit dem Computer das gleiche Ergebnis wie das Experiment?
    - Beim Experiment können wir nicht alles beobachten was wir gerne würden. Beim Computerexperiment haben wir die volle Kontrolle. Können wir daraus mehr lernen?
    - Wir können das Experiment nicht durchführen, weil die Bedingungen zu extrem sind. Was sagt die Computersimulation?
    - Wir wollen im Voraus wissen, was von einem Experiment ungefähr zu erwarten ist. Lohnt sich der Aufwand überhaupt? Ist das Experiment sicher?
    - Wir können nicht so viele Experimente durchführen wie wir gerne würden. Mit Computersimulationen ist es billiger.



  • SeppJ schrieb:

    Die ganze Computerphysik ist quasi angewandte Informatik. Aber das ist vom interdisziplinären Standpunkt eher langweilig (wie ich finde), weil es nur um Effizienz von Algorithmen geht.

    In der Tat. Die Computerphysik hat erstaunlich wenig Einflüsse von der Informatik. Einfach weil die Fragestellungen nicht darauf ausgelegt sind. In der Computerphysik geht es darum, zu rechnen, zu rechnen und nochmal zu rechnen. Man hat Formeln, die man berechnen muss, wobei man sich die Formeln natürlich mit Blick auf die Komplexität der Berechnung herleitet. Man hat keine typischen Fragestellungen aus der Informatik. Es ist beispielsweise schon eine Seltenheit, wenn man da irgendwo mal eine Liste sortieren muss. Trotz allem muss man eine Vorstellung davon haben, was im Informatik-Sinn "Komplexität" ist. Es geht darum, die Algorithmen zur Berechnung der Simulationen immer effizienter zu machen. ...und natürlich auch genauer, was allerdings eher die Physik und nicht die Informatik betrifft. Aber wer weiß: Wenn die Rechenleistung weiter steigt, die Systeme noch komplexer werden und man mehr und mehr berechnen kann, dann werden vielleicht plötzlich andere Fragestellungen relevant. Vielleicht produziert man dann so viele Daten, dass man Datamining betreiben muss, um interessante Ergebnisse herauszufiltern. Wer weiß, was da noch kommt. Aus meiner Sicht sind wir bei der Computerphysik noch relativ am Anfang. Die gibt es erst ein paar Jahrzehnte und die wird sich noch ganz massiv verändern.



  • Es gibt durchaus Verbindungen ... simulated annealing oder:

    Thermodynamics and Garbage Collection



  • Wie siehts mit Quantencomputern oder physikalischen Zufallsgeneratorenaus ? Vllt. ist das entwas? Beides ist die Richtung, in der die Physik die Informatik beeinflusst. Obwohl vllt. auch weniger die Informatik als mehr die Technik in Computern...



  • Also erst einmal danke für die ganzen Antworten, ich glaube allerdings ihr seht das alles etwas zu streng. Es ist mir und den Lehrern ziemlich egal ob das nun Computerphysik ist oder irgendetwas anderes. Die Hauptsache ist es hat etwas mit Informatik und Physik zu tun, und ist für mich machbar.

    Das mit dem Dreikörperproblem ist schon eine gute Idee, allerdings hat schon jemand das Thema "Kann ein Asteroid die Erde zerstören" oder sowas in der Art. Wäre glaube ich eher blöd da jetzt fast die gleiche Frage zu nehmen.

    Hat noch jemand andere Ideen?



  • Noch mal klarer ausgedrückt, auch wenn Programmieren nicht Informatik bedeutet, würde das für's Thema auf jeden Fall als Informatik zählen. Da hat mir noch kein Lehrer eine verbissene Definition aufgetischt. 🙂


  • Mod

    Zum Dreikörperproblem kann man auch anderes simulieren. Zum Beispiel eine Mondlandung. Das ist sogar richtig schwierig, die Parameter so hinzubekommen. Und die praktische Anwendung ist wohl auch eher gegeben als bei Asteroiden, denn so hat man ja auch damals die Flugbahn geplant. Also echter, bedeutsamer geschichtlicher Hintergrund.
    Und bei der echten Flugbahn kommen ja noch mehr Parameter hinzu, weil man ja nicht nur eine sichere Landung will, sondern auch wieder zurück muss. Und man braucht auch Notfallflugbahnen die voraus geplant sein müssen. Und computertechnisch war das damals bestimmt auch nicht so ganz trivial, weil man mit der Technik der 1960er Jahre recht genaue Numerik machen musste.

    Zwei weiterhelfende Links:
    http://www.eetimes.com/discussion/other/4008319/Calculating-trajectories-for-Apollo-program
    http://www.agi.com/downloads/resources/user-resources/downloads/whitepapers/International_lunar_Conference.pdf
    Der erste behandelt den geschichtlichen und technischen Hintergrund, beim zweiten wird es konkret zu diesem Thema. Der zweite ist eventuell etwas schwer für Schulniveau, aber versuch ihn trotzdem mal. Der Autor setzt natürlich voraus, dass man ein gewisses Hintergrundwissen über Computersimulationen, newtonsche Mechanik und insbesondere das (eingeschränkte) Dreikörperproblem hat. Dazu gibt es natürlich Wikipedia und deine Lehrer.

    Und es ist natürlich alles auf Englisch. Dies ist natürlich dem Stand der deutschen Raumfahrt geschuldet. Hoffe, dies macht dir nichts aus. Möglicherweise kannst du auch gute russische Quellen finden. :p



  • Hey SeppJ,
    danke das klingt ziemlich interessant (Englisch ist auch kein Problem), nur bin ich hinsichtlich einer Problemfrage bei dem Thema wieder total unkreativ.

    "Ist eine Mondlandung ohne Computersimulationen möglich?"

    Das wäre jetzt so das einzige was mir einfällt als konkrete Problemfrage zum Thema. Ich finde massig Themen die Info und Physik verbinden aber habe nie eine Ahnung wie ich daraus eine konkrete Frage machen soll. 😕


  • Mod

    Ich dachte, die naheliegende Frage wäre "Wie landet man sicher auf dem Mond?". Computersimulationen geben die Antwort. Ohne Computersimulation ist man ziemlich aufgeschmissen, weil man das Dreikörperproblem nicht (oder nur mit Näherungen) lösen kann. Daher muss man da mit Numerik ran. Und genau dafür ist der Computer erfunden worden.



  • Pawlow schrieb:

    Ich finde massig Themen die Info und Physik verbinden aber habe nie eine Ahnung wie ich daraus eine konkrete Frage machen soll. 😕

    Sag uns das Thema, wir sagen Dir die Frage. 😋


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