Treść książki
Przejdź do opcji czytnikaPrzejdź do nawigacjiPrzejdź do informacjiPrzejdź do stopki
2
OBLICZENIAKOMPUTEROWEWCHEMII
istosujemybardziejadekwatneprzybliżenie,np.wpostacipotencjałuMorse’alubwjesz-
czedokładniejszejformie.WyznaczenieVdlazadanejodległościrstajesięwtedybardzo
pracochłonne,zwłaszczajeżelitrzebajepowtórzyćdlawieluróżnychwartościr.
Jeszczetrudniejszabędziepodobnaanalizacząsteczkiwieloatomowej-wyobraźmy
sobiezłożonośćtegoproblemunp.dlacząsteczkichlorobenzenuC
6H
5Clzdwunastoma
atomamiitrzydziestomawewnętrznymistopniamiswobody.Dlatakiegoukładumożna
zapisaćwyrażenienaenergiępotencjalnąwfunkcjidługościwiązańwcząsteczceikątów
międzynimi(patrzrozdział4)lubwyznaczyćVdlazadanychpozycjiatomówzapomo-
cąprawmechanikikwantowej.NastępniemożnawyprowadzićteorięłączącąwartościV
zczęstościamidrgańwcząsteczce(patrzrozdział5).Jednakżewykorzystaniedanychdo-
świadczalnychdoobliczeniastałychsiłowychlubprzejścieodstałychsiłowychdoczę-
stościdrgańjestzbytskomplikowane,abymożnabyłojeprzeprowadzićnakartcepapie-
rulubprzyużyciukalkulatora,więcnajczęściejuciekamysiędopomocykomputerów.
Aprzecieżcząsteczkachlorobenzenujestbardzoprosta!Jeżelichcielibyśmyprzeprowa-
dzićanalogicznąanalizędlabiałkaotoczonegorozpuszczalnikiem,czyliukładuliczącego
tysiąceatomów,zastosowaniekomputerabyłobypoprostukoniecznością.
Wchemiipojawiasięwieleproblemównastępującejnatury:dysponujemyteorią,która
pozwalapowiązaćwartośćpewnejmierzalnejwielkościzinnymiwłaściwościamiukładu,
alejestonanatyleskomplikowana,żejejrezultatówniedasięsformułowaćilościowoza
pomocąwyłącznieołówkaikartkipapieru.Właśniewtakichprzypadkachniezbędnestają
siętechnikiobliczeniowe.Komputeryświetniesobieradzązobliczeniami,któresązbyt
żmudnedlaczłowieka,gdyżwymagająprzeprowadzeniamilionówoperacji.
Komputerjednakżeniejestwstaniezastąpićcałkowicienaukowca,którymusiwybrać
lubstworzyćteorięadekwatnieopisującąprzedmiotbadań.Procestenobejmujezarów-
nowybórformalizmu,wramachktóregobędziemyopisywaćcechyukładu,jakiwybór
przybliżeń,dziękiktórymstworzonymodelzjawiskazjednejstronybędziewystarczająco
dokładny,azdrugiejjegozłożonośćobliczeniowanieprzekroczymożliwościkomputera.
Wyprowadzanieteoriizinnychbardziejfundamentalnychzasadrównieżmożesięwyda-
waćzadaniemodpowiednimdlakomputerazewzględunamatematycznąnaturętego
procesu.Jednakżenajczęściejkomputeryniesprawdzająsięwprzeprowadzaniumanipu-
lacjisymbolicznychnaobiektachmatematycznychrównieefektywniejakwwykonywaniu
ogromnejliczbypowtarzającychsięoperacjinaliczbach1.
Powinnosięrównieżpamiętać,żekomputeryniezastąpiąbadaczawjeszczejednym
istotnymaspekciepracynaukowej:analiziepoziomuzgodnościmiędzyprzewidywaniami
teoriiiopartychnaniejobliczeńawynikamieksperymentu.Oczywiście,wpewnychprzy-
padkach,daneobliczeniowe,jaknp.statystycznemiaryodchyleńmiędzyeksperymen-
temaprzewidywaniamiteorii,sąistotnymelementemtakiejanalizy.Jednakżekomputery
nieprzeprowadzązabadaczakońcowejoceny.
1.3.Jakdziałająkomputery?
Urządzenie
Urządzenie
wejściowe
wyjściowe
operacyjny
Program
Procesor
System
CPU
operacyjna
Pamięć
masowa
Pamięć
Żebyułatwićsobiezrozumieniemetodobliczeniowychwchemii,wartorozpocząćod
schematudziałaniakomputerów.WsercukomputeraznajdujesięprocesorCPU(Central
ProcessingUnit).Toonprzeprowadzaoperacjenaliczbach:nanajbardziejfundamental-
nympoziomiemożemytraktowaćgojakozestawtranzystorów,któryprzyjmujejeden
zdwóchsygnałówwejściowych("0”lub"1”)iprodukujenawyjściu,analogicznie,sygnał
"0”lub"1”
.Takiprostyschematdziałaniamożnautożsamićzprzeprowadzaniempodsta-
wowychoperacjilogicznych.Procesorjestwstaniewykonywaćjednocześniewieletakich
operacjinabitachdanych-typowo32lub64bitymogąbyćprzetwarzanewtymsamym
czasie.Składajączesobąsygnaływyjściowe,procesorjestwstanierealizowaćbardziej
złożoneoperacjearytmetyczne,takiejakdodawanie,odejmowanie,mnożenieczydzie-
lenieliczbcałkowitychlubzmiennoprzecinkowych.Bardziejskomplikowaneoperacje,jak
np.wyznaczaniewartościfunkcjitrygonometrycznychlublogarytmów,wymagająwięk-
1
Niemniejistniejeróżnorodneoprogramowanie,zarównokomercyjne(np.Mathematicaczy
Maple),jakidarmowe(np.MaximaczyYacas),pozwalającenaprowadzenieobliczeńsymbolicznych
[przyp.tłum.].
