Když simulace nestačí

V posledních desetiletích se zdálo, že se věda definitivně stěhuje do křemíkového světa. Numerické simulace se staly jedním z hlavních nástrojů výzkumu – umožňují modelovat chování materiálů, proudění tekutin i biologické procesy bez nutnosti okamžitého experimentu. S rostoucím výpočetním výkonem se však stále zřetelněji ukazuje, že existují oblasti, kde samotné simulace narážejí na principiální limity.

U složitých systémů, složených z velkého počtu vzájemně interagujících prvků, vznikají jevy, které nelze jednoduše odvodit z chování jednotlivých částí. Malé změny vstupních podmínek, šum nebo lokální poruchy mohou vést ke kvalitativně odlišnému výsledku. Tento jev, označovaný jako emergentní chování, byl popsán již v klasickém článku Philipa W. Andersona „More is Different“ (DOI: 10.1126/science.177.4047.393), který upozornil, že s rostoucí složitostí systému se objevují nové zákonitosti, jež nelze plně zachytit redukcí na základní rovnice.

Podobně R. Laughlin a D. Pines ve své vlivné práci (DOI: 10.1073/pnas.07.1.28) ukazují, že i dokonale známé mikroskopické zákony nemusejí vést k předpověditelnému makroskopickému chování. V praxi to znamená, že u mnoha materiálových a fyzikálních systémů není možné spoléhat pouze na numerické modely, jakkoli detailní jsou.

Z tohoto důvodu se část současného výzkumu znovu obrací k fyzickým prototypům a experimentům. Hmota zde nefunguje pouze jako objekt měření, ale jako aktivní prostředek poznání: experiment umožňuje odhalit chování, které se v simulaci vůbec neprojeví. Výpočty tak slouží spíše jako orientační mapa, zatímco experiment představuje nezastupitelný test reality.

Návrat k hmotě neznamená odmítnutí výpočetních metod, ale jejich zasazení do širšího rámce. Věda se tak přizpůsobuje skutečnosti, že svět je často složitější než naše nejlepší modely – a že některé odpovědi lze získat pouze tehdy, když necháme fyzikální systémy „promluvit samy za sebe“.

Zenil H. Kiani N. A., Tegnér J.: Seminars in cell & developmental biology, 2016, DOI: 10.48550/arXiv.1401.3604.

Nakajima Ko.: Jap. J. Appl. Phys., 2020, DOI: 10.35848/1347-4065/ab8d4f

Fratzl P., Weinkamer R.:, Progress in materials Science, DOI: 10.1016/j.pmatsci.2007.06.001