如果我知道所有的原子坐标,能不能算出未来会发生什么?

如果我知道所有的原子坐标,能不能算出未来会发生什么?

小侯飞氘,御氘术九级

首先,光知道坐标没用,你还得知道速度,以及原子间的相互作用力。

这样的话,有了初始坐标、初始速度、力(加速度)随坐标的变化,你就可以进行时间积分,计算体系随时间的演化。

一个典型的分子动力学模型就搭起来了。

其次,光有模型没用啊,你总不能用纸笔计算吧?所以你还需要一台超级计算机。

假设你拥有一台 Anton 3 (专门用来跑分子动力学模拟的顶级超算[1]),那么恭喜你,你可以预测未来了。

但是预测速度很慢,你用这台超算在现实世界中算一天,大概能预测 1 亿个原子(直径大概一两百纳米的颗粒),在一微秒(百万分之一秒)内的未来。

而且预测精度还不咋地,因为上述计算都是基于牛顿力学的,量子效应一概不予考虑。

想考虑量子效应也行啊,不妨考虑用速度较快的无轨道密度泛函理论计算。那么用一台大型超算算一天,你大概能处理 100 万个原子,计算它们在一皮秒(万亿分之一秒)左右的未来[2]

密度泛函理论一般仅考虑电子的量子效应,但你也可以结合路径积分分子动力学,把核量子效应也考虑进去,当然这也是有代价的,计算速度会进一步降低。

最后,所有计算都做不到绝对精确,只能给出一个总体走向。

一方面,任何计算模型都存在一定程度的近似,误差不可避免,而多体系统的演化是非线性的,误差会逐渐累积并指数放大;另一方面,即便没有任何误差,量子世界本质上也是随机的,确定性的预测从原理上就不可能。