Beregninger gj?r det mulig ? forst? alt fra hva som skjer hvis en meteoritt skulle treffe jorda, til hvordan det er mulig ? lage sikre atomkraftverk og hvordan geologien har endret v?r verden.
– Beregninger har endret mye av vitenskapen de siste 50 ?rene og ?pnet muligheten til ? forst? langt mer av kompleksiteten i naturen, forteller professor Anders Malthe-S?renssen p? Fysisk institutt og Senter for geologiske prosessers fysikk.
Noen av beregningene er s? omfattende at forskerne m? ty til universitetets tungregnemaskin Abel. Abel best?r av en klynge med 10 000 regneenheter. Det betyr at beregningene p? tungregnemaskinen kan g? 10 000 ganger fortere enn p? PC-en din, og at en beregning som hadde tatt to m?neder p? PC-en din, kan gj?res unna p? ni minutter.
Ledende i beregninger
Tunge beregninger har v?rt drivkraften i de fleste sentrene for fremragende forskning ved UiO de siste ti ?rene.
– Innen beregningsorientert forskning og utdanning ligger UiO meget godt an internasjonalt. Dette er et glimrende utgangspunkt, da vi vet at beregninger i ulike former vil bli enda viktigere i forskning og utdanning i ?rene som kommer, poengterer dekan Morten D?hlen p? Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet.
Beregninger er ikke viktige bare i realfag og medisin, men kan ogs? bli viktige for ? l?se store problemer innen samfunns?konomi og psykologi.
Molekyl?r forst?else av livet
Innenfor livsvitenskap, den nye vitenskapsgrenen som skal gi en molekyl?r forst?else av all biologi, er nettopp beregninger en av de viktigste ingrediensene.
Professor Nils Chr. Stenseth p? Senter for ?kologisk og evolusjon?r syntese (CEES) har v?rt en foregangsmann blant biologene. Han har allerede i en ?rrekke brukt tungregninger til ? l?se problemer innenfor genetikk og evolusjon.
– Vi er n? inne i biologiens ?rhundre. Vi vil bruke beregninger til ? l?se grunnleggende, biologiske sp?rsm?l, knyttet til gener, i en evolusjon?r sammenheng, forteller Nils Chr. Stenseth.
– Takket v?re den nye sekvenseringsteknologien kan vi gj?re ting p? en helt annen m?te i dag enn for bare noen ti?r siden. N?r vi analyserer hele genomet, genereres det enorme mengder med data. Det er umulig ? h?ndtere disse dataene uten tungregnemaskiner. Programvaren er ingen hyllevare. Statistikere m? ta doktorgraden for ? l?se problemene v?re, sier professor Kjetill S. Jakobsen p? CEES.
Ul?st problem
Selv om biologene med avanserte bioinformatiske og matematiske metoder klarer ? finne nye irrganger i genomet, p?peker professor Hans Petter Langtangen ved Senter for biomedisinske beregninger at beregningsvitenskapen fortsatt er i startgropen.
– Et av de st?rste ul?ste problemene innenfor beregningsvitenskap er multiskala-modellering.
En multiskalamodell kobler sammen modeller med ulike lengde- og tidsskalaer.
Et eksempel er modellering av hjertet. Det som skjer i nanometerskala, alts? det som skjer i s? sm? omr?der som en milliontedels millimeter, p?virker hele hjertet. Og det som skjer i hele hjertet, p?virker biologien p? nanoniv?.
Det mest ekstreme eksemplet er simulering av n?ytronstjerner, den siste krampetrekningen til d?ende stjerner. Det som skjer i atomskala, p?virker hele den ti kilometer brede stjernen. Og det som skjer i stjernen som helhet, p?virker det som skjer i atomskala.
– Vi skulle gjerne hatt en s? kraftig datamaskin at den kunne ta hensyn til alle atomene i hele stjernen, men det er ikke praktisk mulig. Vi kan ikke vente p? st?rre maskiner. Vi trenger derfor et matematisk gjennombrudd som kobler de ulike skalaene sammen. Dette er spesielt viktig innen livsvitenskapen, der en atom?r og molekyl?r forst?else m? kobles sammen med den fysiologiske funksjonen i hele organer, poengterer Hans Petter Langtangen.
Raskere datamaskiner
Noen av beregningene tar flere uker p? tungregnemaskinen. Den teknologiske utviklingen g?r s? fort at den to ?r gamle tungregnemaskinen p? UiO m? byttes ut allerede om to ?r.
– S?fremt vi f?r like mye penger til den nye maskinen, som vi fikk til dagens maskin, vil den kunne utf?re en billiard tallberegninger i sekundet. Det er fire ganger raskere enn i dag, sier Hans Eide.
Hans Petter Langtangen ser frem til enda kraftigere datamaskiner.
– Det er usikkert hva som blir den neste generasjonen superdatamaskiner, kalt exascale-maskiner. Maskinen vil bli tusen ganger raskere, men da trengs det helt ny teknologi, som forel?pig bare er i startgropen, sier Langtangen.
Den nye maskinen m? kunne h?ndtere en milliard beregninger samtidig. Det er hundre tusen ganger mer enn hva dagens tungregnemaskin p? UiO klarer.
– N?r vi skal lage en enda bedre maskin enn exascale, m? vi tenke fullstendig nytt og lage en biocomputer som ligner p? hjernen. Hvis vi forst?r mer av hjernen, kan vi kanskje lage datamaskiner som kan simulere alle atomene i en n?ytronstjerne. Det kan bli det virkelig store gjennombruddet, h?per Langtangen.
Verdensledende undervisning
UiO er lengst fremme i verden med ? bruke beregninger i undervisningen p? lavere grads studier. Undervisningsmetoden kalles Computing Science in Education (CSE) og g?r ut p? at studentene allerede fra f?rste semester l?rer ? bruke programmering og numeriske metoder til ? l?se matematiske problemer.
– Senere i studiet brukes metoden til ? l?se relevante og realistiske problemer fra forskning og n?ringsliv, forteller primus motor for CSE, professor Knut M?rken p? Institutt for informatikk.
Ett eksempel er ? bruke numeriske beregninger til ? l?re mer om gravitasjonskraften. Den gangen da studentene m?tte l?se oppgaver med papir og blyant, kunne de bare studere gravitasjonsloven med kuler som renner nedover et skr?plan.
P? fysikk-kurset til f?rsteamanuensis Arnt Inge Vistnes kan studentene allerede f?rste semester laste ned data fra NASA og regne ut bevegelsen til jorda og til kometen 67P/Tsjurjumov-Gerasimenko, som romfart?yet Rosetta nettopp landet p?, for ? finne ut av b?de n?r jorda er n?rmest kometen og n?r kometen er n?rmest solen.
– Beregningene kan brukes til ? forenkle det pedagogiske, fremhever Anders Malthe-S?renssen.
Frem til i dag har undervisning i beregninger f?rst og fremst v?rt viktig innenfor de harde realfagene, slik som matematikk og deler av fagene informatikk, fysikk, astrofysikk og geofysikk. N? kommer de ?vrige realfagene etter, deriblant biologi.
– N? skal det bli et tydelig innslag av beregninger fra dag én, gjennom hele biologistudiet. Studentene kan da bruke statistikk og matematikk til ? l?re mer om komplekse problemstillinger i biovitenskap. Dette er n?dvendig for at studentene skal f? innpass i forskning og n?ringsliv. N?r vi trekker inn beregninger og programmering, gir vi studentene dessuten muligheten til ? utforske faget p? en kreativ m?te, forteller Knut M?rken.
Svake i matematikk
Professor Tom Andersen p? Institutt for biovitenskap er ansvarlig for innf?ringen av den nye undervisningsmetoden i biologi i 2016.
– Vi har st?tt overfor den paradoksale situasjonen at biologisk forskning er beregningstungt, mens utdanningsl?pet v?rt fremdeles er beregningslett. I den nye biovitenskapsutdanningen p? UiO har vi pr?vd ? gj?re noe med dette ved ? innf?re programmering og numerisk modellering allerede fra f?rste semester, og la disse ferdighetene gjennomsyre flest mulig av kursene videre. Vi tror at denne undervisningen i biovitenskap kan bli lagt merke til internasjonalt, sier Tom Andersen.
Hjerneforsker, f?rsteamanuensis Marianne Fyhn p? Institutt for biovitenskap ser frem til den nye undervisningsmetoden.
– Studentene v?re i biovitenskap er svake i matematikk, men vi gj?r dem en bj?rnetjeneste om vi ikke gir dem tilstrekkelig beregningsorientert kompetanse. M?let v?rt er ikke at biologistudentene skal bli de beste programmererne, men vi ?nsker at studentene skal f? s? god forst?else av programmering og matematiske modeller at de b?de kan snakke med beregningseksperter og v?re i stand til ? forst? og v?re kritiske til modellresultatene. N?r studentene m? forholde seg til beregninger gjennom hele studiet, vil de f? denne innsikten, poengterer Marianne Fyhn.