دینامیک ملکولی: منظومه‌ی شمسی

نتیجه‌ی افتادن سیب بر سرِ جنابِ «سر ایزاک نیوتن»، تدوین سه قانون مکانیک نیوتن بود. این قوانین به ما کمک کرد تا بتوانیم با داشتن سرعت و نیروهای وارد بر ذرات در یک لحظه، مکان و سرعت آن‌ها را در لحظات بعد پیش‌بینی کنیم. خب، مشخص است که اگر تعداد ذرات زیاد شود، انجام این محاسبات روی کاغذ کار طاقت فرسایی خواهد بود. این شد که فیزیک‌پیشه‌هایی که سر و کارشان با تعداد زیادی ذره بود، از فیزیک محاسباتی استقبال کردند. آن‌ها یک مشت ذره‌ی مجازی را در محیط شبیه‌سازی‌شان، خلق کردند! بعد محیط زندگی این ذرات را مانند طبیعت ساختند (به این صورت که با استفاده از قوانین نیوتن که توصیف کننده‌ی طبیعت است، سرعت و مکان هر ذره را با یک دستور ساده‌ی کامپیوتری در هر لحظه مشخص کردند.) و در این دنیای مجازی توانستند ببینند این سیستم چگونه تغییر و تحول پیدا می‌کند. دقیق‌تر بگویم: می‌دانیم اگر نیروهای وارد بر یک ذره را داشته باشیم، با استفاده از قانون دوم نیوتن می‌توانیم شتابش را به دست بیاوریم. با دانستن شتاب (اگر فرض کنیم شتاب ثابت است) می‌توانیم مکان جدید و سرعت جدید ذره را در یک بازه‌ی زمانی کوتاه بیابیم. حالا اگر نیروهای وارد بر تمام ذرات را بدانیم، می‌توانیم رفتار همه‌ی ذرات را شبیه‌سازی کنیم و دیگر نیازی نیست که برای دیدن تحول سیستمی با یک عالمه ذره روی یک میلیون ورق کاغذ، سرعت و مکان هر ذره را در هر لحظه بنویسیم و محاسبه کنیم؛ این کار را کامپیوتر در زمان کوتاهی با خطای خیلی کمی انجام می‌دهد.

شبیه سازی مولکول‌ها

یک ظرف حاوی مقداری گاز را در نظر بگیرید. مولکول‌های گاز‌‌ همان ذرات ما هستند و فیزیکی که حرکت این مولکول‌ها را توصیف می‌کند‌‌ همان قوانین نیوتن است. دینامیک مولکولی نامی است که به شبیه سازی کامپیوتری این جور سیستم‌ها شامل تعداد زیادی مولکول، داده شده است. ولی این روش توصیف تحول یک سیستم، به سیستم‌های مولکولی اکتفا نکرد. سیستم‌های متشکل از ذرات بزرگ‌تر مثل سیاره‌ها در مثلاً منظومه‌ی شمسی هم به روش دینامیک مولکولی شبیه سازی می‌شوند، با این تفاوت که در نوشتن قوانین نیوتن باید حواسمان باشد که این بار، نیروی اصلی بین ذراتمان گرانش است، نه الکترومغناطیس.

مزیت بزرگ دینامیک مولکولی این است که هر کس می‌تواند تقریباً با هر دقتی که به درد مساله‌اش می‌خورد شبیه سازی کند؛ در مساله‌ی یکی، ذرات فقط تا ۲ متر آن طرف ترشان را می‌بینند، یکی می‌خواهد ذرات فقط از نزدیک‌ترین همسایه‌هایشان تاثیر بگیرند (خب ذره‌ها هم همسایه دارند دیگر!)، یکی دیگر می‌خواهد ذره‌هایش همه ذره‌های محیط شبیه‌سازی را ببینند و از آن‌ها تاثیر بگیرند. این سه نقر کافی است قسمت کوچکی از برنامه‌ای که نوشتند را تغییر بدهند. باقی ماجرا یکسان می‌ماند.