Fra en væskemodel til fødslen af ​​et nyt felt inden for beregningsfysik

Det lyder måske som eventyr, men i 1950'erne førte to numeriske modeller, der oprindeligt blev udviklet som et kæledyrsprojekt af fysikere, til fødslen af ​​et helt nyt fysikfelt:beregningsmæssig statistisk mekanik. Denne historie er for nylig blevet vist i et papir, der blev offentliggjort i EPJ H , skrevet af Michel Mareschal, en emeritusprofessor i fysik ved det frie universitet i Bruxelles, Belgien.

Artiklen skitserer den lange rejse, der fører til accept af sådanne modeller - nemlig Monte Carlo- og Molecular Dynamics -simuleringer - som pålideligt bevis for beskrivelse af materie. Dette skete på et tidspunkt, hvor den computerkraft, der kræves til at køre simuleringer, var knap. I dag, disse teknikker bruges af tusinder af forskere til at modellere materialers adfærd, i sammenhænge, ​​der spænder fra fusion til biologiske systemer.

Sagaen begyndte i 1951, da John G. Kirkwood fra California Institute of Technology, USA, udviklet denne kontra-intuitive teoretiske forudsigelse:en model af hårde sfærer-en hård model for enhver væske-undergår en overgang fra en væske til en fast tilstand under kontrollerede forhold. Dette indebærer, at den ordnede faste form rummer mere entropi - eller har mere plads til at bevæge sig rundt - end den uordnede væskeform. Disse sfærer interagerer normalt ikke med hinanden, som molekyler i en perfekt gas - oplever en uendelig frastødning, når de kommer i kontakt.

Kirkwoods teoretiske forudsigelse forblev kontroversiel, indtil den blev suppleret med intensivt parallelt arbejde udført af to hold amerikanske fysikere, oprindeligt lanceret som sideprojekter. Den første involverede Bill Wood på Los Alamos Laboratory, og førte til udviklingen af ​​Monte Carlo -tilgangen; Sekundet, som involverede Berni Alder ved Livermore National Laboratory, førte til udviklingen af ​​molekylær dynamik. Ultimativt, det var indførelsen af ​​vigtige prøver - en smart måde at udføre Monte Carlo på - fra Marshall Rosenbluth (også i Los Alamos), der viste sig at være et reelt genistreg for at bekræfte Kirkwoods forudsigelse.