Física Computacional - FSC-5705

só um divisor

Por que Física Computacional?

Provavelmente vocês está se fazendo a seguinte pergunta, por que ter uma disciplina de programação dentro de um curso de Física?, ao final, se você quisesse fazer computação ou programação iria diretamente ao departamento de informática e estatística da UFSC!!!.

Permita-me dizer que seu questionamento é totalmente válido mesmo porque há vários professores de Física com anos de experiencia, daqui do departamento, do Brasil e do mundo, que se pergunta a mesma coisa, por que e para que uma disciplina como esta?. No caso dos professores a resposta a esse questionamento é um pouco mais complexa mas em alguns casos até tem a mesma origem (ou similar) que a de vocês, estudantes de III semestre do curso de Física, inexperiência. Com pouca margem a equivoco me atrevo a apostar que muitos de vocês entraram ao curso atraídos pelas inúmeras reportagem que são veiculadas nos diversos médio de comunicação nas quais se fala das grandes descobertas em Física como por exemplo a relatividade ($E=mc^2$, a equação mais conhecida do mundo), buracos negros, fenômenos quânticos, etc, ou mesmo porque vocês tem habilidades matemáticas e encontraram na física um desafio, em fim, acredito que estas sejam as principais razões que colocaram você nestes corredores do departamento de Física da UFSC. Fica claro que dentre essas razões a computação não tem nada a ver, pelo menos a seu ver, em ambos dos motivos previamente mencionados se espera muitos cálculos matemáticos já que são conscientes (de alguma forma) que isso lhes permitiram entender as equações da Física, de fato, muitos de vocês até questionam os Laboratórios de Física (como assim fazer um experimento antes de estudar a teoria???, uma pergunta igualmente frequente entre vocês!!!). Mas já devem ter escutado mais de uma vez, Física é uma ciência experimental, ehhhh, isso mesmo, experimental, assim que sua ilusão sobre a física sendo uma ciência teórica já está errada (a teoria auxilia à experimentação) e em relação à computação, Físicos aprendemos a utilizar o computador como uma ferramente para analise de problemas físicos e para isso é necessário ter algum conhecimento de programação, acreditem, será útil.

Como disse, mesmo entre os professores há dúvidas em relação à esta disciplina, é por isso que a um tempo escreve uma carta ao coordenador do curso explicando as vantagem para os estudantes de se aumentar a quantidade de disciplinas de Física Computacional, e coloco aqui para auxiliar vocês no entendimento da profissão que escolheram:

Sobre a importância da Física Computacional

O Brasil passa por um momento estratégico de crescimento econômico, onde setores industriais e de finanças tendem a ser alavancados pelo desenvolvimento econômico-tecnológico. Consequentemente, abrem-se novas possibilidades profissionais e, em particular, é possível vislumbrar novas formas de exercer a profissão de físico.

Abaixo seguem algumas ponderações sobre que novos conteúdos devem ser inseridos no currículo para instrumentalizar nossos alunos dentro desta possibilidade de mudança de paradigma.

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Figura 01: Composição de um físico computacional.

Qual é a verdadeira importância da física computacional para a formação dos estudantes de física? Tradicionalmente a Física tem se dividido em duas partes, a Física Teórica e a Física Experimental, a diferença entre estes dois "tipos de Física" está na forma como se acessa a natureza. O teórico supõe a existência de estruturas matemáticas subjacente à natureza que lhe permitem chegar a uma compreensão refinada dos processos físicos. O experimental interage diretamente com a natureza formulando perguntas (experimentos) que a natureza responde. A Física computacional, por outro lado, é algo que fica no meio do caminho. Ela utiliza os resultados teóricos e realiza experimentos virtuais. Neste sentido, o físico computacional assemelha-se a um físico teórico, pois utiliza equações matemáticas para formular seu modelos. Por outro lado, a metodologia que utiliza é similar à de um físico experimental no sentido de que realiza uma coleta de dados. Esta característica dual do físico computacional é a responsável por um ``debate'' que diz respeito à classificação dos físicos computacionais como sendo ou teóricos ou experimentais. Na atualidade se está estabelecendo um consenso em que os Físicos Computacionais se colocam como sendo uma ``nova área'' da física e não somente uma nova ferramenta. Neste sentido, possui uma teoria subjacente que necessita ser dominada para que seja útil.

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Figura 02: Provavelmente a estrutura atual da Física.

Vemos que a própria Física como ciência (a forma como a pesquisa em Física é realizada) demanda a necessidade de que nossos alunos tenham um conhecimento sólido da parte computacional. É comum ver físicos experimentais utilizando softwares caseiros para analisar seus dados. Se eles tivessem um maior conhecimento de técnicas computacionais poderiam customizar esses softwares a fim de obter uma análise específica para o problema que está tratando. Por outro lado não é raro ver físicos teóricos puros que obtém uma equação que não pode ser resolvida analiticamente e como consequência disso criam programas a fim de continuar tratar o problema, agora numericamente.

O fato dos estudantes de física manterem um nível de técnicas computacionais elevado resultou em avanços tecnológicos notáveis que não são conhecido nem mesmo dentro da comunidade dos físicos. Dois exemplos representativos são: O HTML, a linguagem que permeia a internet, foi desenvolvida por Tim Berners-Lee um físico, na época trabalhando no CERN; um outro exemplo notável é o Dennis Ritchie, físico que trabalhando no AT&T desenvolveu o Unix e o C.

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Figura 03: Cientistas da computação com origem na Física: (a) Dennis Ritchie, criador do UNIX e do C e (b) Berners-Lee, criador do HTML.

Uma pergunta salta aos olhos: Porque físicos conseguiram contribuir de forma tão importante à sociedade contemporânea em campos aparentemente fora de nossa formação básica? A resposta é simples: nos somos uma espécie de células tronco, nossa formação é tal que em última instância somos treinados para resolver problemas, graças a ela somos capazes de construir, de forma criativa, ferramentas que permitam resolver os problemas que encontramos. Se lermos a biografia de Dennis e de Tim veremos que eles desenvolveram esses produtos a fim de resolver um problema muito particular que eles tinham, assim desenvolveram as "ferramentas" necessárias para se livrar do problema.

Assim a formação do físico com as ferramentas computacionais permitem que ele participe de forma criativa em meios a priori fora de seu domínio. A pergunta que surge é: será que o mercado (de trabalho) percebe esse potencial? A fim de responder essa pergunta eu vou citar um levantamento realizado pela "Americam Institute of Physics" (AIP) referente ao mercado de trabalho no qual os novos físicos de Estados Unidos estão atuando:

Figura 04: Distribuição dos físicos no mercado de trabalho em USA.

Na figura 04 se percebe que o físico que sai do bacharelado está majoritariamente trabalhando no setor privado. É claro que essa realidade está distante da do Brasil, onde ainda temos desafios maiores como o de conseguir que todos os professores que ministram Física no segundo grau tenha a formação de físicos. Mas se nosso objetivo como nação é nos desenvolver, temos que estar preparados para uma realidade similar à existente nos EUA, o físico atuando fora da visão clássica de professor de segundo grau, absorvido pelas empresas. Observe que a medida que se aumenta o grau de instrução do físico, a porcentagem dos que fluem para o setor privado diminui. A razão para isso parece ser clara, os estudantes de pós graduação (principalmente no doutoramento) tem a tendência a se dedicarem à academia.

Figura 05: Distribuição dos físicos no sector privado em USA.

Quando analisado em detalhe a divisão dos físicos dentro do setor privado se observa a importância que é dada a nossa formação, por parte das empresas, relacionadas com computação. Na figura 05 vemos que físicos estão trabalhando massivamente em setores relacionados às engenharias. A primeira vista esse dado resulta assombroso mas se consideramos as variadas engenharias onde os físico pode atuar rapidamente entenderemos que na verdade o destino principal dos físicos é o mercado relacionado à ciência da computação. Vemos que esse resultado se mantém similar no mestrado mas não assim no doutorado onde uma nova área compete pelos físicos, a área relacionada com a finanças. Esse resultado é compreensível se levamos em consideração o aumento recente nas pesquisas em fenômenos complexos e series temporais que resultaram aplicáveis na análise financeira.

Figura 06: O que é bom para a formação segundos egressos de Física em USA

Na análise feita pelo AIP também os egressos dos cursos de Física foram interrogados em relação a quais ferramentas, da sua formação, são importantes no seus empregos atuais. Na figura 06 podemos ver as respostas dadas pelos bacharéis de 1994 (em branco e preto), bacharéis de 2007 e os doutores de 2007 e 2008. Vemos que para os doutores que continuam na academia como para os que vão para o mercado externo o domínio de programação é importante, junto da conhecimento da física. No caso dos graduados, vemos que o mais importante é a solução de problema e no caso de aqueles que vão para a área de ciências da computação é a programação.

Com tudo o anteriormente exposto agora é possível responder à pergunta, porque a física computacional é importante no curriculum dos estudante de Física (indistintamente se são Bachareles ou Licenciados):

  1. Boas disciplinas de física computacional permitem uma outra abordagem a disciplinas clássicas da física como: Mecânica, Física Estatística e Termodinâmica, Física Quântica e Estado Sólido, etc.
  2. Mune os estudantes de ferramentas que lhe permitem procurar outras fontes de emprego não tradicionais.
  3. Aumento da visibilidade do departamento devido a melhora na qualidade dos egressos.

Com isso espero mostrar que disciplinas formativas relacionadas à física computacional são tão fundamentais como qualquer outra disciplina considerada como primaria na grade básica do curso.