Виртуальная симуляция поведения частиц

[Jarro]

Я - мечтатель.

 

 

Кто как думает, получится-ли воссоздать программу, которая точно просчитывала бы взаимные силы взаимодействия друг с другом электронов, атомных ядер, соответственно атомов и затем молекул (причем с графической оболочкой)? А ведь это не так сложно:

 

1.Берем физический движок (научный либо просто точного исчисления), рассчитанный на физику поведения Rigid-body (абсолютно твердых тел)

2.Крайне точно вводим массы всех частиц (точнее, отношения масс протонов-нейтронов-электронов)

3.С той-же точностью вводим все силы, которые действуют между этими частицами также, как и в реальном мире.

4.Косметические изменения (вроде создания графической оболочки в роли трехмерного графического движка, коих много на сей день)

5.Эм.. Мне казалось, что на этом всё закончится. Посмотрите - силы есть ? Есть. Массы есть ? Есть. Процессор, который обсчитает поведения частиц есть ? Определенно. Даже графика есть. По идее, частицы сами будут вставать в такие месторасположения, в которых им находится более выгодно. А ведь так и в реальном мире - все базируется на времени-пространстве, что довольно нетрудно сделать на ПК. Разве что еще надо как-то стабилизировать отношения скорости движения электрона к скорости движения ядра и придумать такой коэффициент, при котором виртуальная симуляция сможет все просчитывать в реальном времени.

 

Сложности:

1.Малая точность измерений самого физического движка, присутствие каких-либо недостатков при адаптации физ. движка к поведению быстро-движущихся тел.

2.Ограниченное кол-во всех частиц, если требуется симуляция реального времени.

 

Но почему-же такая программа еще не существует в нормальном виде, ведь идея создания программы наверняка стара, как компьютер ?

[Jarro]

Ну, вроде как, 'есть идеи ?'

[Гость Ефим]

Я - мечтатель.

 

 

Кто как думает, получится-ли воссоздать программу, которая точно просчитывала бы взаимные силы взаимодействия друг с другом электронов, атомных ядер, соответственно атомов и затем молекул (причем с графической оболочкой)? А ведь это не так сложно:

"Воссоздать" - хорошее слово! Будь я сторонником палеоконтакта и поиска утерянных знаний - я бы сразу сказал - конечно, получится! Такого рода расчетные программы разного уровня сложности и возможностей давно делают и непрерывно совершенствуют. Дело уже дошло до простых молекул в вакууме. Но самые совершенные из них потребляют такую массу машинного времени... Тут вся проблема в слове "точно". И в том, какой смысл в это определение вкладывать.

[Jarro]

Имел я ввиду реализовать уже существующее поведение частиц в реальном мире в рамках виртуальных технологий, хоть это совсем неподходящее место для такого глагола, как 'воссоздать', извиняюсь

 

Я, скорее всего, неверно изложил мысль - сверхвысокая точность ни к чему и даже лишняя, если нацеливаться на создание программы для масс, а не для ученых где-нибудь в коллайдере.. Однако, игровые (и некоторые научные) физические движки имеют свойство грубо ошибаться, причём так, что они не смогут быть использованы в такого рода симуляции.

 

Тем не менее, если движок имеет рабочий алгоритм и может использоваться для таких целей, почему всё еще так ограниченно ? (простые молекулы в вакууме при огромной затрате времени это всё-таки не идея создания симуляции большого кол-ва частиц в реальном времени)

Изменено 19 Октября, 2011 в 17:10 пользователем Jarro

[Gall]

Такие программы существуют. Я сам занимался такими расчетами почти 10 лет, пока не ушел из науки совсем.

 

К сожалению, работают они далеко не в "реальном времени", иногда их быстродействие - 1 кадр в неделю на суперкомпьютере!!! Все дело в том, что взаимодействие частиц существенно квантовое, по квантовым формулам его и считать надо. А это ой как сложно. Движки игр нервно курят в сторонке. При этом точными такие расчеты не назовешь, они иногда очень грубо ошибаются (например, утверждают, что Fe₃O₄ - металл, или еще какую-нибудь глупость в том же духе). Менее точные методы вообще не могут посчитать без ошибок даже "детские" задачки вроде структуры чистого алмаза.

 

Когда расчет готов, его результат можно, конечно, посмотреть в виде красивых картинок виртуального мира. Иногда так и делают. Но поскольку электроны - это облака сложной формы, понять что-либо по таким картинкам тяжело, цифры говорят гораздо больше. Мы ограничивались обычно одной-двумя статичными картинками для иллюстрации. Хотя для своей магистерской я делал мультфильм про искажение решетки графита при попадании туда атома серы.

Изменено 20 Октября, 2011 в 12:22 пользователем Gall

[Kotto]

Кто бы меня профинансировал на такую программу, дали бы научного консультанта, написали бы потихоньку, подобное моделирование не очень сложно, опыт работы имеется )

[Jarro]

Все дело в том, что взаимодействие частиц существенно квантовое, по квантовым формулам его и считать надо. А это ой как сложно.

 

так вот в чем NaCl !

 

а чем главным образом взаимодействия отличаются ? Я то думал, что поведение электронов и протонов примерно равно поведению всех других идеальных тел кинематики и динамики из классической физики (если оставить все другие частицы и взаимодействия, такие как атомные, гравитационные, электромагнитные и т.д.) !

[Gall]

Кто бы меня профинансировал на такую программу, дали бы научного консультанта, написали бы потихоньку, подобное моделирование не очень сложно, опыт работы имеется )

Оно не очень сложное только до тех пор, пока не надо учитывать электронные корреляции. То есть, будет относительно неплохо работать для s- и p-элементов, а вот на 3d-металлах и на редких землях откажет совсем. Но на соединениях чуть сложнее простой органики или простых неорганических кристаллов тоже забуксует, потому что у p-элементов влияние корреляций тоже есть, несильное, но ощутимое. Магнитные моменты на органике появляются и т.п., полная энергия скакать начинает, ну и прочие радости. Могут и вообще итерации не сойтись.

 

Я знаю группы, которые очень серьезно занимаются именно такими методами расчета.

 

А простую программу на чем-нибудь вроде ЛКАО написать можно, да, она замечательно посчитает кремний, графит, натрий и алканы, на оксидах щелочноземельных металлов начнет выёживаться, а на оксидах переходных металлов свихнется совсем.

[Gall]

а чем главным образом взаимодействия отличаются ? Я то думал, что поведение электронов и протонов примерно равно поведению всех других идеальных тел кинематики и динамики из классической физики (если оставить все другие частицы и взаимодействия, такие как атомные, гравитационные, электромагнитные и т.д.) !

Хотя бы тем, что в квантовом случае электрон не меньше, а гораздо БОЛЬШЕ ядра атома. Более того, каждый электрон размером примерно с весь атом, и в атоме они "перемешаны" друг с другом. Электрон совсем не точка, он скорее облако или волна. Волновые свойства у него такие сильные, что пучок электронов дифрагирует на решетках кристаллов точно так же, как луч света на дифракционной решетке!

 

Как известно (и как я уже говорил), это называется орбиталями. Выглядят они так:

Это можно считать формами электронов в атоме, каждый электрон размером с весь атом, имеет свою форму, все проникают друг сквозь друга (все в одном месте, по центру атома).

 

Типичный расчет движения электронов (т.н. "электронной структуры") выглядит так:

1. Задаемся положением атомных ядер, считаем ядра неподвижными зарядами.

2. Находим электрическое поле, создаваемое ядрами.

3. Примерно размещаем электроны ("угадываем" волновые функции).

4. Находим поле, создаваемое этими электронами, и прибавляем к полю ядер.

5. Вычисляем (решением уравнения Шредингера, Дирака, Кона-Шэма и т.д., в зависимости от метода) волновые функции электронов в таком поле.

6. Берем эти волновые функции и возвращаемся к шагу 4; повторяем шаги 4-6 до тех пор, пока волновые функции не перестанут меняться.

Эти волновые функции - и есть ответ.

 

Расчет движения атомов делается так.

1. Размещаем каким-то образом ядра атомов.

2. Вычисляем электронную структуру (см. выше).

3. Из электронной структуры вычисляем силы электромагнитного взаимодействия электронов и ядер.

4. Согласно этим силам сдвигаем ядра атомов (тут можно пользоваться классической механикой, можно квантовой).

5. Возвращаемся к шагу 2, пока не надоест.

Изменено 20 Октября, 2011 в 14:18 пользователем Gall

[Jarro]

Спасибо, я почти всё понял :D

 

Только вот электронная корреляция - это что вы здесь имеете ввиду ? Это когда "волновые функции не перестают меняться" ?

 

 

Да и вообще, тут есть классные сайтики (все знают наверняка), вроде этого: http://jmol.sourceforge.net/

А там как рассчитываются молекулы при построении ? Уже математика и геометрия ? Однако, там также существуют функции расчёта электронных потенциалов, орбиталей электронов, кристаллов..

Изменено 20 Октября, 2011 в 14:38 пользователем Jarro