สารานุกรมไทยสำหรับเยาวชนฯ / เล่มที่ ๑๑ / เรื่องที่ ๔ การประยุกต์คอมพิวเตอร์ / การใช้คอมพิวเตอร์ในด้านวิทยาศาสตร์

การใช้คอมพิวเตอร์ในด้านวิทยาศาสตร์ การใช้คอมพิวเตอร์เพื่อการวิจัยในด้านวิทยาศาสตร์ มีความสำคัญมาก โดยเฉพาะการวิจัยในทางนิวเคลียร์ฟิสิกส์ (nuclear physics or particle) ซึ่งเป็นวิชาว่าด้วยส่วนประกอบที่เล็กที่สุดของสสารเรียกว่า อนุภาค (particle) และศึกษาค้นคว้าว่า อนุภาคที่เล็กที่สุดนี้ สามารถรวมตัวกันเป็น สสารชนิดต่างๆ กันได้อย่างไร ด้วยแรงอะไรบ้าง วัตถุประสงค์หลักของการศึกษาธรรมชาติของอนุภาคเหล่านี้ จำเป็นต้องมีวิธีการแตกหรือแยกสสารต่างๆ ออกเป็นส่วนเล็กที่สุด คือ แยกจากสสารเป็นโมเลกุล แล้วเป็นอะตอม และในที่สุดเป็นอนุภาค วิธีศึกษาการแตกตัวของอะตอมนั้น ใช้การถ่ายภาพปรากฏการณ์การเกิดอนุภาคนั้นๆ ในเครื่องมือพิเศษ ที่จัดขึ้นซึ่งเรียกว่า บับเบิลแชมเบอร์ (bubble chamber) และสปาร์กแชมเบอร์ (spark chamber) ในการถ่ายภาพของ การทดลองแต่ละครั้ง ต้องถ่ายเป็นจำนวนแสนๆ ภาพ จึงจะได้ข้อมูลเพียงพอในการศึกษาคุณสมบัติของอนุภาคนั้นๆ จากนั้นจึงนำเอาข้อมูลนี้ไปวัดและคำนวณประมวลผล สมมติว่า ถ้าใช้คนหนึ่งคนนั่งวัด และคำนวณวันละ ๘ ชั่วโมง จะต้องใช้เวลาทั้งหมดประมาณ ๑๐,๐๐๐ ปี แต่ถ้าใช้คอมพิวเตอร์ช่วย จะสามารถทำได้เร็วขึ้นมาก เช่น ถ้าใช้คอมพิวเตอร์ ขนาดกลาง ๑ เครื่องจะคำนวณทั้ง ๑๐๐,๐๐๐ กรณีให้แล้วเสร็จ ได้ในเวลาประมาณ ๑ ๑/๒ ปี ถ้าใช้คอมพิวเตอร์ขนาดกลาง ๒ เครื่องจะสามารถแล้วเสร็จในเวลาไม่ถึงปี ถ้าใช้คอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่ ก็จะสามารถทำแล้วเสร็จภายในเวลา ๓-๔ เดือนเท่านั้น ตัวอย่างอีกอย่างหนึ่งที่มีความจำเป็นต้องใช้คอมพิวเตอร์ เพื่อช่วยในการวิจัยทางด้านวิทยาศาสตร์ก็คือ คริสตัลโลกราฟี (crystallography) วัตถุประสงค์ของวิชานี้คือ เพื่อศึกษาว่า อะตอมของผลึกของสสารต่างๆ มีโครงสร้างในโมเลกุลเป็นอย่างไรบ้าง ความรู้นี้จะถูกนำไปใช้ประโยชน์โดยตรงทางด้านการแพทย์ เคมี และชีววิทยา โดยทั่วไปการจัดเรียงตัวของอะตอมของผลึกแต่ละชนิดย่อมมีแบบแผน และคุณสมบัติประจำตัวของแต่ละผลึกอยู่แล้ว เมื่อฉายรังสีเอกซ์ หรือเอกซเรย์ผ่านผลึกนั้น ก็ย่อมจะได้ภาพในฟิล์มเอกซเรย์เป็นแบบแผนเฉพาะของผลึกนั้น วิธีการศึกษาโครงสร้างของอะตอมของผลึก จึงเป็นการฉายแสงเอกซเรย์ผ่านผลึกแต่ละชนิด และถ่ายภาพเป็นฟิล์มเอกซเรย์เก็บไว้ เพื่อการเปรียบเทียบแบบแผนของภาพว่า แบบแผนใดควรจะมีโครงสร้างของอะตอมในโมเลกุลอย่างไร การเปรียบเทียบจึงเป็นแบบที่ต้องลองแล้วลองอีก (trial and error) คือ สมมติว่า อะตอมหนึ่งอยู่ ณ จุดหนึ่ง อีกอะตอมหนึ่งอยู่ ณ อีกจุดหนึ่ง สมมติไปครบทุกอะตอม ซึ่งอาจจะรวมถึง ๑๐๐ อะตอม ก็ได้ แล้วคำนวณว่า ถ้าอะตอมต่างๆ อยู่ ณ จุดต่างๆ นั้น จะได้แบบแผนเป็นภาพเอกซเรย์อย่างไร นำภาพจากการคำนวณมาเปรียบเทียบกับภาพที่ถ่ายได้จริงของผลึกนั้นๆ ถ้าไม่เหมือนกัน ก็กลับไปเปลี่ยน หรือโยกย้ายตำแหน่งของอะตอมต่างๆ แล้วคำนวณหาแบบแผนของภาพอีกครั้ง แล้วเปรียบเทียบกับภาพที่ถ่ายได้จริงอีก ทำเช่นนี้ไปเรื่อยๆ จนได้ผลและโครงสร้างที่ถูกต้อง ซึ่งการกระทำเช่นนี้ อาจจะต้องทำเป็นร้อยๆ ครั้ง จึงจะได้ผลที่ต้องการ โดยปกติแล้ว ถ้าใช้คอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่จะต้องใช้เวลาคำนวณโดยคอมพิวเตอร์ประมาณ ๑๐ ชั่วโมง ถ้าใช้คนคำนวณด้วยเครื่องคิดเลข จะต้องใช้เวลาประมาณ ๑,๐๐๐,๐๐๐ ชั่วโมง หรือประมาณ ๑๑๐ ปี ตัวอย่างที่ ๓ ของการใช้คอมพิวเตอร์ทางด้านวิทยาศาสตร์ก็คือ ในการศึกษาทางเคมี นิสิตนักศึกษาต้องปฏิบัติการทดลองในมหาวิทยาลัย ถ้าไม่ระมัดระวังให้ดี บางครั้งอาจเกิดการระเบิด มีคนบาดเจ็บขึ้นได้ ที่เกิดขึ้นเสมอๆ ก็คือ หลอดแก้วแตก หรืออย่างน้อยที่สุดก็สิ้นเปลือง สารเคมีเป็นจำนวนมาก ปัจจุบันนี้ ในสหรัฐอเมริกาเริ่มมีการใช้คอมพิวเตอร์แทนการทดลองจริง แบบที่เรียกว่า ห้องทดลองแห้ง

ในการศึกษาทางเคมี การปฏิบัติการทดลองโดยไม่ระมัดระวัง บางครั้งอาจเกิดการระเบิดเกิดความเสียหายแก่ชีวิตและทรัพย์สินได้ ในบางประเทศจึงมีการทดลองโดยใช้คอมพิวเตอร์แทนการทดลองจริง

วิธีปฏิบัติก็คือ ให้นักเรียนพิมพ์บอกคอมพิวเตอร์ว่า จะเอาสารอะไรผสมกัน แล้วดูภาพสีที่จอโทรทัศน์คอมพิวเตอร์จะแสดงภาพบนจอให้เห็นขั้นตอนการทดลอง เช่น ถ้าใช้กรดผสมกับด่าง ก็จะเห็นเป็นภาพการปล่อยให้กรดค่อยๆ หยดลงบนด่าง เกิดเกลือให้เห็นชัดเจนเหมือนทดลองจริง ถ้ามีการใส่สารผิด ก็มีภาพการระเบิดให้เห็นด้วย โดยคนดูไม่ได้รับอันตรายใดๆ เลย เป็นต้น ในเมืองไทยขณะนี้ ยังไม่มีการใช้คอมพิวเตอร์ในทาง วิทยาศาสตร์มากเท่ากับในต่างประเทศ จะมีบ้างเพียงเล็กน้อยในมหาวิทยาลัย ต่อไปหากเรามีโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ก็จะต้องมีเครื่องคอมพิวเตอร์ประจำโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แต่ละโรง เพื่อทำการวิจัยและวัดผลให้ได้รวดเร็วตลอดเวลา ในต่างประเทศมีการใช้คอมพิวเตอร์ในการคำนวณ ด้านคณิตศาสตร์ต่างๆ มากมาย เช่น ใช้หาค่าของ p เป็น ทศนิยมถึง ๒๐๐-๓๐๐ ตำแหน่ง ใช้ในการคำนวณและพิมพ์ ตารางคณิตศาสตร์ต่างๆ ใช้ในการแก้ปัญหาที่เป็นสมการ แบบต่างๆ ใช้ในทางสถิติ และใช้ในทางคอมพิวเตอร์ศาสตร์เอง เป็นต้น ขณะนี้ในสหรัฐอเมริกา มหาวิทยาลัยหลายแห่งมี คณะคณิตวิทยาศาสตร์ (Mathematical Science) ซึ่งแบ่งออกเป็นภาควิชาคณิตศาสตร์ (Mathematics) ภาควิชาสถิติ (Statistics) และภาควิชาวิทยาการคอมพิวเตอร์ (Computer Science) สำหรับบ้านเรานั้น ใน พ.ศ. ๒๕๒๙ มีการเรียนการสอน ด้านคอมพิวเตอร์เกือบทุกมหาวิทยาลัย ฉะนั้นจึงมีแนวโน้ม ที่จะมีการใช้คอมพิวเตอร์ทางวิทยาศาสตร์มากขึ้น