原子的計(jì)算機(jī)模擬實(shí)用指南

Veronika+Brázdová等

所謂的計(jì)算機(jī)模擬就是用計(jì)算機(jī)模仿真實(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，也就是說(shuō)用計(jì)算機(jī)代替在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上做所要求的實(shí)驗(yàn)。為此，首先要建立一個(gè)可以用計(jì)算機(jī)處理的數(shù)學(xué)模型模擬真實(shí)的系統(tǒng)，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)的具體條件仔細(xì)地考慮系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外界影響、可調(diào)參數(shù)的限定范圍以及需要求取的物理量等，編寫出合適的程序，送入計(jì)算機(jī)中。由計(jì)算機(jī)一步一步地進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生所需要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而得到所需要的數(shù)據(jù)，并處理和分析這些結(jié)果。這種計(jì)算機(jī)模擬方法始于上世紀(jì)20年代，最早用于軍工領(lǐng)域，隨著計(jì)算機(jī)的普及，現(xiàn)在已經(jīng)遍及自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，成為科學(xué)研究中一種常用的技術(shù)和不可缺少的環(huán)節(jié)。它特別適合于實(shí)驗(yàn)條件苛刻、環(huán)境惡劣、實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、花費(fèi)大，且問(wèn)題的數(shù)學(xué)物理機(jī)制比較明確的場(chǎng)合?？梢源蠓鶞p少人力、物力，降低成本，提高效率，因此受到科學(xué)界的普遍重視。

本書是一部教讀者實(shí)際操作原子的計(jì)算機(jī)模擬的實(shí)用教材，旨在使讀者理解、設(shè)計(jì)、運(yùn)行并分析他們自己的原子的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果。本書作者們?cè)谥笇?dǎo)學(xué)生從事原子計(jì)算機(jī)模擬研究以及教學(xué)活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了自己動(dòng)手寫一本教材的打算，期望以此為讀者提供設(shè)計(jì)和執(zhí)行任何包括原子模擬研究計(jì)劃所需要的實(shí)用知識(shí)，一部展示計(jì)算機(jī)模擬的最佳實(shí)踐范例和實(shí)用指南。

作者們把全書內(nèi)容分成5個(gè)部分。第1部分涵蓋了為理解原子計(jì)算機(jī)模擬所需要的大學(xué)高年級(jí)水平的基本物理和化學(xué)知識(shí)以及原子模擬技術(shù)的基本概念，含第1-4章：1. 原子，分子和晶體；2. 化學(xué)鍵；3. 化學(xué)反應(yīng)；4. 究竟計(jì)算什么？。第2部分描述原子模擬的基本技術(shù)，含第5-6章：5. 總能量最小化；6. 分子動(dòng)力學(xué)和蒙特卡羅。第3部分描述分子力學(xué)和電子結(jié)構(gòu)技術(shù)理論，這一部分技術(shù)性比較強(qiáng)，具有足夠的深度使讀者能夠理解如何做模擬以及不同方法中的近似是什么，含第7-9章：7. 計(jì)算能量和力；8. 電子結(jié)構(gòu)方法； 9. 詳細(xì)介紹密度泛函理論。第4部分強(qiáng)調(diào)了設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際做模擬的計(jì)劃，包括如何選擇原子的合適坐標(biāo)，以及如何仔細(xì)地規(guī)定和檢驗(yàn)特殊的模擬，含第10-13章：10. 項(xiàng)目計(jì)劃；11. 坐標(biāo)和模擬單元；12. 基本要點(diǎn)；13. 試驗(yàn)。第5部分詳細(xì)分析了如何取出一個(gè)模擬代碼生成的數(shù)據(jù)以及如何產(chǎn)生有價(jià)值的數(shù)據(jù)，含第14-18章：14. 查看輸出文件；15. 利用所有的數(shù)據(jù)做些什么？16. 可視化；17. 電子結(jié)構(gòu)分析；18. 與實(shí)驗(yàn)比較。書末給出了兩個(gè)附錄：A.UNIX；B. 科學(xué)計(jì)算，補(bǔ)充介紹了一些課文中用到的具體程序問(wèn)題。

讀者在閱讀時(shí)應(yīng)該至少要利用一個(gè)具體的原子計(jì)算機(jī)模擬代碼，實(shí)際動(dòng)手去做實(shí)驗(yàn)，分析所得的結(jié)果，評(píng)估結(jié)果是否正確，發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤，從結(jié)果中提取相關(guān)信息。作者為本書提供一個(gè)網(wǎng)頁(yè)：http：//www.atomisticsimulations.org/。在那里作者們寫了一些博客，討論當(dāng)前感興趣的一些最新的文章以及一些練習(xí)。而且內(nèi)容不斷更新。對(duì)于從事原子計(jì)算機(jī)模擬的研究人員和學(xué)習(xí)相關(guān)課程的研究生本書有很好的參考價(jià)值。

丁亦兵，教授

（中國(guó)科學(xué)院大學(xué)）endprint