Man hade kunnat tro att jag skulle skriva något om Higgs-partikeln idag eftersom jag är fysiker, men det tänkte jag inte göra. Anledningen är att elementarpartikelfysik och högenergifysik ligger ganska långt bort från det jag själv gör, och det finns andra som kan skriva bättre om Higgsen (Forskning och Framsteg, till exempel). Istället är det årets kemipris som ligger åtminstone i närheten av en del saker jag gör. Eftersom det dessutom lider av en ganska kraftig överförenkling i pressmeddelandet så tänkte jag skriva en liten text om det här.
Nobelpriset i kemi i år tilldelas Martin Karplus, Michael Levitt och Arieh Warshel "för utvecklandet av flerskalemodeller för komplexa kemiska system". De har lyckats kombinera tre olika sorters datormodeller för att få en bra beskrivning av till exempel reaktioner mellan biomolekyler (proteiner, etc.) utan att för den skull behöva orimligt långa beräkningstider. Detta har man åstadkommit genom att dela in systemet man vill studera i olika delar, som beskrivs med olika metoder.
Vi kan börja längst in, med de atomer som är direkt inblandade i den kemiska reaktionen. För att få en bra bild av vad som händer här behöver man skaffa sig en modell av hur atomernas elektroner beter sig. Det är nämligen fördelningen av elektroner runt atomkärnorna som avgör om atomerna sitter ihop med varandra eller inte, och hur stark bindningen är (vilket jag skrivit om här). För att hålla koll på elektronerna använder man det som kallas första prinicp-beräkningar, där man löser Shrödingers ekvation. Med sådana metoder utgår man från att alla atomkärnor sitter på ett visst sätt och sedan beräknar man hur elektronerna fördelar sig runt dem. Utifrån elektronernas fördelning kan man räkna ut vilka krafter som verkar på atomkärnorna och hur de kommer att flytta på sig på grund av de krafterna. (Eller hur de borde flytta på sig för att få lägsta möjliga energi. Det beror lite på vad man är intresserad av.)
Nästa område innefattar alla atomer som är en del av molekylerna men som inte är direkt involverade i reaktionen. Eftersom biomolekyler ofta är ganska stora så kan det finnas många sådana atomer, så många att om man skulle beskriva alla med första princip-metoder skulle man knappt kunna utföra beräkningen. Istället beskriver man dem med hjälp av så kallade modellpotentialer. En modellpotential är konstruerad för att beskriva hur krafterna mellan atomer i ett material ser ut, till exempel kan en modellpotential innehålla termer som motsvarar kraften mellan två elektriskt laddade partiklar (jonbindning) eller vinkelberoende termer som motsvarar kovalenta bindningar. Oftast tar man hjälp av resultat från första princip-beräkningar och experiment för att avgöra exakt hur potentialen ska se ut. Eftersom man inte måste hålla reda på elektronerna utan bara betraktar atomerna som bollar med en viss massa så kräver sådana här beräkningar mycket mindre datorkraft än första princip-beräkningar.
Det är för övrigt i kopplingen mellan första princip-metoder och modellpotentialer som pressmeddelandet i mitt tycke är överdrivet förenklat. Där står att pristagarna "lyckades få Newtons klassiska fysikaliska lagar att samarbeta med den fundamentalt annorlunda kvantfysiken", men det är inte riktigt så enkelt. Både första princip-beräkningar och modellpotential-beräkningar använder nämligen Newtons klassiska lagar för att beräkna hur atomkärnorna, som står för större delen av massan, rör sig. Skillnaden mellan metoderna ligger i hur man beräknar kraften mellan kärnorna, och där är första princip-metoderna direkt grundade på kvantfysiken medan modellpotentialerna är det indirekt, genom att de konstrueras för att efterlikna resultatet av första princip-beräkningar (eller experiment). Så det handlar inte riktigt om att jämka ihop kvantfysik och klassisk fysik, utan om två sätt att beskriva krafter i ett system - vilket naturligtvis inte gör pristagarnas insats mindre fantastisk.
Slutligen måste vi också beskriva det som finns runt omkring molekylerna man
vill studera. Eftersom det är biomolekyler vill man antagligen ofta
studera dem i någon form av vattenlösning, men man är inte speciellt
intresserad av hur varje enskild vattenmolekyl beter sig. Därför struntar man i molekylerna och beskriver omgivningarna som en slät, homogen massa. Det är ett ännu mindre krävande när det gäller datorkraft än vad molekylärdynamik är, men går såklart inte att använda om man vill veta hur atomerna rör sig.
En annan intressant sak är att principen bakom Nobelpristagarnas insats, d.v.s. att använda olika beräkningsmetoder för olika delar av ett system, numera också används för att räkna på t.ex. hur sprickor bildas i material. Faktum är att det var det första jag tänkte på när jag hörde talas om vad de fått priset för.
