Modelado informático del mundo físico

Tengo curiosidad por saber qué esfuerzos se han hecho hasta la fecha para definir mundos informáticos virtuales basados ​​en la física que conocemos en el mundo real.

Creo que sería fantástico decir comenzar con un átomo que defina una clase de átomo con características de número atómico, peso, etc. luego modele cómo interactúan estos átomos e intente acumular helio, hidrógeno, oxígeno, etc. Ate esto a una computadora motor gráfico y listo. ; ) Sé que esto es importante sobre la simplificación y podrías bajar a los quarks o algo más, pero entiendes la idea. Tengo curiosidad por explorar la discusión sobre cuáles son los cuellos de botella aquí.

Tal vez modelar las interacciones entre átomos virtuales sea imposible (un número demasiado grande para calcular en el hardware actual). ¿Quizás la computación cuántica tiene ventajas aquí? Tal vez haya esfuerzos para modelar interacciones entre construcciones moleculares más grandes entonces... ¿o incluso una abstracción del tamaño de una célula humana? Sería interesante discutir lo que es teóricamente posible aquí.

Lo que me hizo pensar en esto fue en el contexto de la Inteligencia Artificial. Si pudiera tomar una instantánea del mundo físico y cargarla en este modelo hipotético... ¿qué significaría eso, es decir, una especie de cerebro?

Acabas de desmenuzar varios temas amplios aquí. En cuanto al modelado de moléculas individuales, sé que hay algunos simuladores de reacciones químicas, entre otras cosas. Para interacciones virtuales a gran escala de partículas, tal vez podría buscar vóxeles. Varias supercomputadoras se utilizan para modelar situaciones físicas (jaguar), lea sobre ellas.
No estoy seguro de que esta pregunta pueda conducir a una respuesta concisa. Una cosa que debe tener en cuenta es que cada nivel de su jerarquía implica más simplificaciones. Sería computacionalmente prohibitivo modelar una célula a través de interacciones proteína-proteína, encontrar la forma de una proteína basada en la estructura molecular (aunque este es un campo activo de investigación), modelar aminoácidos con todos los detalles de la estructura orbital electrónica de cada átomo, etc. A diferencia de la informática, la física no puede simplemente construir una estructura a partir de piezas bien entendidas. Al menos no fácilmente.
La fumigación fue bastante intencional. :) Buena discusión hasta ahora. Gracias por la recomendación de Voxel.

Respuestas (4)

Hay varios enigmas que uno enfrenta en la ciencia computacional. La primera es que debe hacer simplificaciones para tener alguna esperanza de ejecutar un cálculo que sea factible dadas las limitaciones tecnológicas, y por la misma razón debe limitar el alcance de lo que está simulando a algún subsistema del universo.

Pero aquí está el enigma más sutil: incluso con recursos informáticos infinitos, ¿qué aprendería exactamente al recrear un universo virtual? Solo obtendrías una copia de lo que ya existe. El arte está en hacer tantas simplificaciones como puedas que aún te permitan capturar la complejidad que buscas modelar. Solo cuando has hecho eso, realmente has aprendido algo.

Estos cálculos consumen mucho tiempo.

Incluso con los métodos más avanzados, computadoras y aproximaciones severas, actualmente uno no puede simular mediante simulación molecular más de unos pocos microsegundos de una sola molécula de proteína, ¡y mucho menos un mundo!

Hagamos números reales. ¿Preguntas si las interacciones entre los átomos ya te matarían? No, es incluso peor.

Tomemos el átomo de hierro. Tiene 26 electrones. Eso significa que en el espacio real su función de onda es una función de 26 coordenadas 3d, Ψ = Ψ ( X → 1 , … , X → 26 ) .

Supongamos que estamos contentos con una cuadrícula espacial real extremadamente cruda. Digamos, 10 puntos en cada dirección. Eso significa 10 3 = 1000 puntos por coordenada. Eso significa que tenemos que almacenar 1000 26 entradas para escribir solo esa función de onda.

Eso es lo mismo que 10 3 ⋅ 26 = 10 78 .

Nosotros necesitamos ∼ 20 bits para cada entrada, así que aumentemos el exponente a 79.

Este número es más alto que el número de átomos en el universo, por lo que no hay ninguna posibilidad de obtener un modelo informático del mundo físico que comience en el nivel atómico. Esta es la razón por la cual los modelos más simples son tan importantes en la física de la materia condensada.

¡Excelente! Solo para agregar que toda la función de onda también depende de las variables de espín Ψ = Ψ ( { X j } , { σ j } ) .
¡Buena respuesta! Voy a aceptar esto. Sería curioso acerca de otra discusión que involucre mirar los cuellos de botella del modelado desde el átomo hacia arriba, es decir, si pudiéramos discretizar la interacción de los átomos con cierto nivel de precisión, qué tan malo es calcular la interacción más macro para decir ... llegar a un objeto estático del tamaño de una silla? Digamos N ciclos por segundo por átomo. ¿También nos topamos con un cuello de botella aquí? Si pudieras modelar esta función de onda, ¿encajaría el resto de la física? ¿Dónde más es esto imposible? Solo haciendo de abogado del diablo. ; )

Los mundos informáticos virtuales (realidad virtual, juegos...) se basan casi exclusivamente en un subconjunto de la física clásica.

Los métodos mecánicos cuánticos requieren mucho tiempo y memoria. Los métodos químicos cuánticos precisos solo se pueden aplicar a sistemas moleculares pequeños y su escala es deficiente. Por ejemplo, un cálculo de energía CCSD(T) para un par de aminoácidos alanina-alanina requeriría aproximadamente dos años para completarse y escala por un factor de 128 cuando se duplica el tamaño del sistema; es decir, el cálculo de dos pares requeriría unos 256 años para completarse. Considere que una sola molécula de ADN puede tener millones de pares y puede comenzar a hacerse una idea de la complejidad. ¡Y todo esto es para un sistema estacionario! Un estudio dinámico es mucho más exigente. Debido a la falta de supercomputadoras lo suficientemente poderosas,

Tenga en cuenta que no es una simple cuestión de tiempo. Almacenar la ecuación estándar utilizada en NMR para un sistema cuántico relativamente "grande" (1000 niveles) requiere del orden de 7 Gib de memoria. Ninguna computadora conocida tiene suficiente memoria para resolver la ecuación.

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