Naturvetenskap handlar om att studera hur verkligheten fungerar. Det mest omedelbara sättet är att betrakta världen omkring sig på olika sätt, eller ännu hellre ändra på saker i den och se vad konsekvenserna blir. Kort sagt, att göra experiment.
Traditionellt sett finns det ett annat sätt att lära sig saker om verkligheten: Man kan utgå ifrån det man redan vet, formulera regler för hur det beter sig när man ändrar på något och sedan försöka förutsäga vad som kommer att hända när man ändrar på något annat. Alltså, man kan ägna sig åt teorier.
När datorer utvecklades och blev snabbare, kraftfullare och billigare dök det upp något som vissa hävdar är ett tredje alternativ: Simuleringar. Man kan låta datorn räkna åt en, och på det sättet räkna ut saker som är oerhört svåra att komma åt om man måste räkna för hand. När man gör en simulering med så kallad molekylärdynamik låter man datorn lösa Newtons ekvationer (kraften på en partikel är lika med accelerationen gånger massan) för ett system av atomer. Från en sådan simulering kan man få ut systemets totala energi, tryck, temperatur etc. Man kan ändra temperaturen och studera vad som händer när materialet smälter, eller variera trycket och se hur mycket det kan tryckas ihop.
Men vad är det här bra för? Man kan ju faktiskt studera det verkliga materialet, och bygga upp sina teorier utifrån det. Ja, det stämmer, men med beräkningarna kan man göra saker som är svåra att göra i ett experiment på ett ganska lätt sätt (ofta är det också tvärt om, det som är lätt att göra experimentellt kan vara svårt att upprepa i en simulering). För att fortsätta med exemplet molekylärdynamik så bygger den ofta direkt på experimentella data eftersom man anpassar sin modell för hur atomerna påverkar varandra till data från experiment. När man väl har en fungerande modell kan man exempelvis följa en enskild atom som rör sig i ett material, vilket är mycket svårt i experiment- i modellen är atomerna numrerade men det är de inte i verkligheten. Man kan också öka eller sänka tryck och temperatur mycket snabbare än i verkligheten, eller studera materialet vid extremt höga eller låga temperaturer.
En annan sak kan vara att man behöver göra en simulering för att se hur väl ens teori stämmer. Så är ofta fallet med så kallad densitetsfunktionalteori. I densitetsfunktionalteori räknar man på hur atomerna påverkar varandra genom att beräkna tätheten av så kallade valenselektroner mellan atomerna. Modellen utgår från grundläggande beskrivningar av hur elektroner och atomkärnor samverkar med varandra, men för att kunna använda dem praktiskt måste man göra några förenklingar. Här kan det vara intressant att göra simuleringar bara för att testa hur bra modeller som enbart grundar sig på teori står sig mot resultat från experiment.
Så simuleringar är spännande, bland annat för att de låter oss testa saker vi inte kan testa på något annat sätt och för att de låter oss se följderna av våra teoretiska modeller på ett sätt som vi inte skulle kunna göra annars.
Inga kommentarer:
Skicka en kommentar