有没有可能通过编程语言在计算机上模拟微粒的性质（分子、原子等）？ 第1页

实际上，用程序模拟物理过程来进行科学研究，在很长一段时间里都是计算机的主要用途。

二战期间，计算机之父冯·诺伊曼曾参与了曼哈顿计划，利用计算机产生的伪随机数，来模拟核反应过程种微观粒子的随机行走。这类算法在后来被称为蒙特卡洛方法，至今依然是计算物理学界的重要工具之一。另外，很多日常生活中用到的编程工具，例如html语言，也是由物理学家为了方便科研发明出来的。

夸张一点说，科学研究才是计算机的原配，现在的繁荣的网络世界都只是科研的副产物。（不过话说回来，科研的目的不就是为了得到这些好用的副产物么......）

偏题了......题主提到的通过编程语言在计算机上模拟微观颗粒的性质，这一点是完全可行的。为了实现这个目的，科学家发明了数不清的方法和软件。大致的，我们可以按模拟尺度来给它们分类：

除去高能物理领域，一般计算模拟涉及的最小模拟单元是电子，尺度大约在埃米（ ）级别。这类模拟一般以量子力学中的薛定谔方程为理论基础。用波函数完备的描述粒子的各种物理性质，不需要进行额外的假设和近似。也就是说，我们只要输入公式和初始条件，理论上可以准确的算出物质的所有性质。这类无需经验假设和近似计算方法，通常称为第一性原理方法，或者从头算方法。

第一性原理方法由于不带人为的假设，因此精度上是最准确的一种模拟方法。然而，鱼与熊掌往往是不可兼得的。求解薛定谔方程的计算量随粒子个数指数增长，氢原子（只含一个电子）的波函数找个物理系的本科生花几分钟就能手动算出来，然而换成铁原子的话（含26个电子），算到满头白发你也未必能算完百分之一。即使用上高性能计算机和一些合理的近似，第一性原理方法往往也只能处理很小的（通常不到1000个原子）体系，因此应用上受到了一定限制。

为了模拟纳米尺度的物理问题，我们不得不在精度上做出妥协，去使用一些更为粗糙的方法。在这个尺度上，常用的一种方法称为经验势方法（例如经典分子动力学、经典分子静力学、经典蒙特卡洛）。在经验势函方法中，我们并不在模拟中直接通过量子力学直接求解原子-原子间的相互作用，而是先做一系列的测试拟合（可以理解为一种人工智能训练），把这些相互作用拟合成一个现成的函数，实际的模拟过程中仅仅调用这个函数而已。由于原子-原子间的相互作用是拟合出来的，并不能100%的还原真实作用。因此，经验势函数方法在精度上一般不如第一性原理方法。不过这样做的好处是让我们可以用经典力学描述原子的运动了，模拟的计算量也就大大降低。利用这类方法，我们最多能模拟上亿原子（接近微米尺度）的物理问题。

然而很多时候我们需要研究微米级尺度以上的微观结构，这时候经验势方法也不能够满足我们了。为了提高模拟的尺度，我们往往会加入更多的粗粒化近似假设，例如把氨基酸或者碱基设为最小模拟单元来模拟细胞生理学、把辐照缺陷团簇看作一个整体来模拟核辐照损伤，把随机分布的溶质原子看成一个平均场、把材料分割成一个个连续有限的小单元等等。这类模拟方法繁多，就不一一列举了。

以上部分可以用一句话概括：精度越高，计算量越大，能模拟的尺度也就越小，鱼与熊掌不可兼得。

可有时候，我就是又想吃鱼，又想要熊掌，怎么办？（你咋就这么多事呢）

没办法，我们对技术总是贪婪的。应这类”既要尺度，又要精度“的需求，有人就想，我们为什么不能把几种模拟方法结合一下呢？

以金属材料中的裂纹扩展为例，如上图，裂纹尖端处的原子会不断的从金属中暴露出来，化学环境发生变化。因此，这部分原子我们给予vip待遇，用第一性原理去描述。

而裂纹附近的原子仅仅会在应力集中下出现一些原子错位而已，任然大致保持着块体的化学环境，因此我们用经验势方法就能很好的描述了。

而远离裂纹的那些原子，甚至连原子错位都不多，仅仅在应力作用下发生轻微的变形而已，我们用连续的塑性方程就能描述。

嗒嗒嗒哒哒，没错，就靠这么一个类似小点子，三个物理学家成功斩获了2013年的诺贝尔化学奖。（说的好像很容易的样子，有本事你拿一个啊）