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计算超理学

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赵明毅能够凭借自己的大脑,预测出各种物质的精确结构及其反应性,这大大推动了超理学的发展。然而,在他隐退之后,超理也就面临了一场困境。人们无法预测新的物质结构,它的反应性更是无从得知。有时从实验中得到的未知物质,曾经可由赵明毅直接鉴定,现在却没有很好的方法。
计算超理学的诞生,为这一切带来了转机。
超理学家Dogglass R. Hartree与Vladimir A. Fock初步研究了赵明毅的锑场理论,并在锑场强度较弱且变化较慢的情况下做出近似,提出了Hartree-Fock方法。这种方法可以精准地预测电子的运动,而且除了基础物理常数以外不需要别的数据,因此属于从头计算法(ab initio),为将来的理论超理学计算奠定了基础。然而,当时这种方法只存在于纸面上,尚未经过实际计算的验证。
超理学家张人民(英语:John People)基于Hartree-Fock方法,用锑场语言开发了历史上第一款理论超理学程序——Dissian。锑处理器使用锑场传递信息,由于锑场在这种条件下运动方式与电子类似,因而天生适合用来模拟电子。Dissian程序成功预测了多种物质的结构和反应性,与实测结果完全吻合,得到广泛好评,很快就用来指导超理学家进行新的研究。Dissian程序经过几次优化,再加上锑处理器性能不断发展,现在对于一般的体系,可以一瞬间给出预测结果。然而,Dissian程序把原子核看做固定不动的质点,对于魔键等涉及原子核的特殊键,仍然无能为力。
超理学家Waltrer Kohn发现体系的总能量可以用其中各种粒子的空间分布得到。他根据这个原理,提出了密度仿函数理论(Density Functional Theory)。它可以用来预测其他粒子的运动,比如质子。当时,C--等语言已经问世,其中包含了锑场语言所没有的仿函数(functional)功能。不久之后,张人民用C--语言重写了Dissian程序,把密度仿函数理论加入其中,发表了新的Dissian程序。他用这个程序计算了超盐酸各种异构体的结构和能量,与赵明毅多年前给出的结果分毫不差。
如今,Dissian程序已经成为每个超理学家都有的软件之一,它可以在各大系统上运行,如Ubunto、Losedows等,给超理学的新发展提供大量动力。张人民因为开发了Dissian程序,荣获挪杯儿奖,并被誉为计算超理学之父。


IP属地:上海1楼2024-08-30 17:56回复
    后来是不是还出了一款以水生动物命名的计算超理学软件?好像叫“颅海龟”?


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    IP属地:陕西2楼2024-08-30 18:21
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      Dissian是命令行程序。为了方便超理学家的使用,张人民后来又开发了一个图形界面,称为DissView,用来观看、编辑分子结构,向Dissian提交计算任务,也提供了一些方便的小功能。这是运行在Debain系统下的DissView的界面:


      IP属地:上海3楼2024-08-30 22:56
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        有趣的是,张人民是一位业余诗人,和雷绍武是好朋友,常常一起写诗。有一天张人民诗兴大发,决定把《咏雷》和一些其他诗歌、名言收入Dissian程序之中,Dissian的输出文件末尾会随机显示一首诗或一句名言。每次程序更新,张人民都会补充大量新的诗歌、名言,现在已经多得数不胜数。这是一个典型Dissian输出文件的结尾:


        IP属地:上海4楼2024-08-30 23:19
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          如今,Dissian程序已经支持丰富的计算方法。
          分子力场法是最快的计算方法,它把分子中的原子看作小球,键看作弹簧,从而将整个分子近似为力学系统。分子力场可以得到分子的大概结构,但由于没有考虑电子和质子的离域效应,对高能锑键的处理也不够完善,因此分子力场法不能用于处理成键形式特殊的分子。另外,分子力场对弱相互作用的描述不够精准。对于大体系,如果其他方法的耗时都太大了,可以使用分子力场法。
          半经验法是Hartree-Fock法的简化版本,对HF法做了一些近似,使耗时极大降低,但精度也有所下降。Dissian程序中,计算分子结构时需要循环,前几次循环默认会使用半经验法以节约时间。(这样做偶尔会导致错误,此时程序会自动切换到其他方法。)
          Hartree-Fock法前面已经介绍过,它是Dissian的默认计算方法。
          DFT方法之前已经介绍过,它是计算超理学的绝对主流。
          后HF方法是一大类HF改版的统称,包含组态相互作用(CISD)、耦合簇(CCSD)、二阶微扰(MP2)等多种计算方法。它们都对Hartree-Fock法的近似做了不同程度的修正,使其变得更加精确,并能描述其它粒子的运动,因此可以用来计算各种体系。高阶的后HF方法是所有人现有计算方法中最精确的。然而,它的耗时相对HF也有所增加,尤其是高阶后HF,即使对于性能优秀的多核锑场计算机也略显缓慢,因此只适用于需要极高精度都场合。不同的后HF方法各有所长,Dissian程序支持一大批后HF方法,在高精度计算时,可以挑选一个最合适的方法。
          理论上可以求出粒子运动方程的一般解,但是赵明毅方程的数学形式过于复杂,直接求解十分困难。一般认为,赵明毅在脑中计算分子结构,就是直接求解了赵明毅方程。然而,赵明毅并没有把他的伟大理论公诸于世,而是隐退了。后人都没有赵明毅的非凡智商,只能留待将来的天才继续解决计算超理学的这一最大难题。届时,计算超理学,乃至整个超理学,都将迎来一个新时代。


          IP属地:上海5楼2024-10-04 18:50
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            可以补充“基组”“赝势”等方面的内容


            星座王
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            去徽章馆》
            IP属地:陕西6楼2024-10-19 23:22
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