原子シミュレータは現実世界をどこまで再現できるでしょうか？

質問

学生の頃、分子模型を作って遊んだのを思い出して、原子シミュレーターなるものを考えました。単純な発想なので、もう実現しているのでしょうか？実現しているとしたら、どの程度の性能でしょうか？（家庭用の機器で使えるようなものはありませんか？）」
　コンピュータ上の仮想空間に原子を再現させた場合、現実の世界（化学反応や、分子の振る舞いなど）をどこまで再現できるのでしょうか？
　仮想原子にリアルな振る舞いをさせるためには、どんなパラメータを設定することが必要でしょうか？
　コンピューターの性能上の限界（メモリーや計算速度）以外に、どのような障害が考えられるでしょうか？

　取り合えず素粒子論的な振る舞いや、核反応はは考慮に入れないものとします。
なお、化学の知識は昔の中・高生程度です

回答No.2

38endoh

> 現実の世界（化学反応や、分子の振る舞いなど）をどこまで再現できるのでしょうか？

実に多くのことが議論できますし，実際に様々な分野で使われております。例えば，化学反応では反応中間体の構造まで議論できますし，分子の振るまいはバルクとしての様々な物性予測まで可能です。

通常，分子に関する計算は「量子化学計算」，固体に関する計算は「バンド計算」と言います。それぞれについて，経験的パラメータを元に計算する「半経験的方法」と，全く経験的パラメータを使用しない「非経験的方法，第一原理計算」とがあります。

実際にどの様な計算ソフトがあり，どういった応用が可能か，下記の URL が参考になるかと思います。

参考URL：

http://www.rsi.co.jp/science.html

回答No.1

Umada

少しばかりシミュレーションをかじっていた者です。お尋ねのようなものは「計算化学」などと呼ばれ研究分野としても確立しています。シミュレーションを使って新しい知見を得ることも大事ですが、シミュレーション法自体の開発もまた重要な研究対象になっています。

syuu2さんがお考えのものに近いソフトは既に世の中に各種出ています。
計算原理や対象とする系の大きさにもよりますがワークステーションで十分動かせますし、処理能力の高い機種ならパソコンでも走ります。ただしミクロの世界からマクロの世界まで森羅万象を精度よく再現してくれる万能シミュレータはありませんし、今後も出てこないでしょう。

原子の波動関数を力ずくでもなんでも解いてやれば原理的にはシミュレーションできるはずなのですが、水素原子以外の原子や分子は本質的に厳密な解を得ることができず、結局は何らかの近似が入ります。既にこの段階で「どんなパラメータを持ってきても原子を正確に模擬することはできない」と言えます。

もちろん「厳密解は出ないから」とサジを投げてしまってはその先に進めませんから、何らかの近似を取り入れて問題を解きます。巨視的な物理現象(例えば物体の変形や熱の伝導)について調べるのに波動関数から解いても、時間がかかるだけで何の利もありませんので。
結局、対象としている問題の性質や系のサイズ、静的解でよいのか動的解が必要なのか、求める解の精度などで最適なツールを選択して使っている、というのが実状です。これは今後も変わらないでしょう。仮にコンピュータの性能が飛躍的に発展して何でも力ずくで解けるようになったとしても、そのコンピュータを計算量の少ない近似解法に使えばさらに速く解けるわけですから。

余談ですが、分子模型の機能に徹したソフトであれば例えば以下のようなものがあります。(化学反応や原子の挙動は残念ながら扱えませんが)

分子模型シミュレータ(富士通大分ソフトウェアラボラトリ)
http://www.fosl.co.jp/bbox/release/rika.html

Free Wheel for Win 95
http://www.vector.co.jp/soft/win95/edu/se025163.html?l