分子动力学入门VIP专享VIP免费

1第一章绪论1.1计算机实验的地位目前计算机实验在科学研究中起到了非常重要的作用。在以前，物理科学是实验与理论之间的桥梁。在实验科学中，一个体系构建受限于测量方法，结果具有多种表示方法。在理论研究中一体系的构建，通常是一系列的数学方程。通过不断的简化而能通过解方程而的到一个解，能够用来描述系统在一定条件下的行为，我们就可以说这种模型是合理的。因此在很多情况下，我必须考虑适当的简化，消除实际问题的复杂性，从而使方程能够被求解。在过去，理论模型只有在很少的“specialcircumstances”的例子中很好的得到了验证。例如在凝聚态物理模型中，对于一些特殊材料分子间的作用力可以在双原子或完美晶体中得到验证。即使那样，近似通常也需要计算。然而不幸的是，许多非常有趣的物理问题超出了这些“specialcircumstances”的范围。在这些问题中，大家都能了解是，原子簇，有机大分子具有很多的自由度。正确的对待温度，应该包括非简谐振动和相变。以及无序系统，对称对于问题的简化是没有用的，等等。超算计算机的到来（开始使用于19世纪50年代），改变了这一前景，它在理论与实验之间插入了一个新的合适的元素：计算机实验。在计算机实验中，模型任然是有理论研究提供，但是结果是由机器按一定的“食谱”（算法，按一定程序语言实现的）计算的。通过这种方法，复杂的问题可以被解决以及可以探索更多的实际系统，因此为我们开创了更好理解实际实验的思路。无需多说，计算机实验的发展渐渐的改变了理论研究与实验科学之间的传统关系。一方面，计算机模拟增加了对模型的精确度的需求。例如分子动力学的模拟通过一定相互作用定律可以估算一个材料的熔点温度。这在以前是没有办法对理论模型进行测试的。因而，模拟给这些模型带来了“生命”，解决一些关键问题，并为提高他们的精确度提出一些好的将建议。另一方面，模拟可以非常接近实验的条件，在某种程度上来说，模拟的结果可以直接与实验结果相比较。正是由于这些特点，计算机模拟不仅是在微观更好了解和诠释实验结果的强有力工具，而且可以用来研究实验无法涉足的领域或者用来研究花费很高的领域例如超高压条件下的实验。最后但并不是不重要的，计算机模拟可以使“想想实验”———这些实验虽然在现实条件下没办法实现，但这些实验可以增加我们的一些现象的了解——得到实现。想象和创造是计算机模拟的最重要特征！1.1.1计算机模拟是理论研究还是实验科学？计算机模拟有时看起来像是理论研究，有时又像实验科学。一方面我们任然是在处理模型而不是实际存在的东西：在这一点上，我们会毫不犹如的把计算机模拟归结为理论研究。另一方面，计算机模拟验证的步骤非常像是在做实验：我们进行了一次“run”,接着分析”run”的结果，很像实验物理那样，我们应该把它划分为实验科学。因此我们怎样划分计算机模拟？这个问题没有明显的答案：两方面都代表了合理的观点，正是这样，从而计算机模拟以一个独立的分支。例外还有其他重要的方面要考虑。传统的理论研究依赖于还原论：我们处理复杂体系是通过把一个体系还原为一个个的子体系，而这些连续的子体系单元是非常简单，并且都有可以求解的模型。当我们把模拟看成是一个简单的实用的工具，用来验证和测试在很多情况下太复2杂而不能分析的模型(例如通过一定力学定律（forcelaw）来计算某物质的相图)，我们是在假设模型代表“理论水平“上的我们的关注点。但是要意识到计算机模拟扮演了一个更加有趣并且重要的角色。我们可以把它看成是还原论的一个辅助手段——在某种程度上讲——但是是做为一个可选择的手段。计算机模拟增加可解决模型和不可求解模型复杂度的上限。我们可以利用这种复杂度的上移来提高我们描述物理体系的水平。由于计算机模拟的存在，我们不在需要处理像以前那样的简单模型啦。并且可以给我更多的自由度去探索和开创新的可能性。关于这一点，一个例子就是原子间的势能。在以前，相互作用是通过用非常简单的分析模型（例如Morse方程或Lennard-Jones方程）来解tow-body势能得到的。而现在，更加精确的势能应该包括“many-body“和尽可能接近第一原理方法预测...