Если подумать, то последние 100 лет обыденная жизнь человека сильнее всего менялась в результате развития представлений о внутреннем устройстве вещества. Исследования такого рода породили современную электронику, новые материалы для промышленности, кардинальную смену подходов к синтезу лекарств и многое другое.
Удивительно здесь то, что весь этот впечатляющий список достижений в большей степени основан не на точных теоретических расчетах и предсказаниях, а на экспериментальном методе проб и ошибок. В науке о материалах теория, конечно же, есть, но она выполняет больше описательную, а не предсказательную функцию. Условно говоря, помогает разобраться в экспериментально измеренных свойствах вещества, но не дает подробный рецепт, по которому можно создать абсолютно новое вещество с предсказанными свойствами. Такая ситуация не радует, поскольку экспериментальный перебор различных возможностей в лабораториях значительно дороже и занимает существенно больше времени по сравнению с любым методом теоретического моделирования.
Почему же все обстоит именно так? Все дело в сложности математических расчетов. Еще на ранних этапах строительства квантовой механики ученые пытались ее применить к задачам о строении вещества. И поначалу перспективы были радужными, так как физики очень быстро научились писать квантовые уравнения, описывающие вещество. Но вот решить эти уравнения оказалось значительно сложнее. Настолько сложнее, что точных решений есть всего два, для атома водорода и положительного иона молекулы водорода. Во всех остальных случаях физикам пришлось получать приближенные ответы.
Когда дело касается атомов и не очень сложных молекул, все совсем неплохо, и найти приближенное решение, хорошо сходящееся с экспериментальными данными, удается очень часто. Но стоит обратиться к сложным молекулам или попытаться описать значительные объемы вещества, как возникают гигантские проблемы, в первую очередь связанные с большим числом переменных в уравнениях. Для понимания сложностей можно привести такой пример – описание 1 грамма вещества предполагает учет взаимодействий порядка 10^22 частиц, а следовательно, и число переменных в уравнениях будет того же порядка. В современных условиях честно решить такую задачу за осмысленное время просто невозможно, даже если задействовать вообще все существующие компьютеры.
Поэтому чаще всего уравнения для больших или сложных систем из атомов или молекул упрощают, довольно сильно огрубляя их описание, а соответствующие результаты дают качественное, но не количественное представление об этих системах. И такая ситуация будет сохраняться либо до разработки кардинально новых математических подходов, либо до появления принципиально более быстрых компьютеров.
На сегодняшний день исследования ведутся в обоих направлениях. В качестве примера новых математических подходов можно привести работу отечественного химика-теоретика Артема Оганова, о которой я как-нибудь еще напишу. А вот на фронтах новых компьютеров пока все не так радужно. Полноценных квантовых компьютеров пока нет и в ближайшем будущем не предвидится, в лучшем случае можно говорить о прототипах того или иного уровня сложности. Но не использовать даже такую возможность – грех)
Об этом в СЛЕДУЮЩЕЙ ЧАСТИ.
Мне важно Ваше мнение. Если нравится, ставьте лайк, подписывайтесь.
