¿Puede el átomo ser simulado por una computadora?

Answer 1

Para agregar a la respuesta de Allan, una computadora electrónica tradicional en teoría podría simular todo un universo con precisión (al menos si el generador de aleatoriedad es lo suficientemente bueno, lo que podría requerir un hardware específico) Esto se debe a la teoría fundamental de las computadoras que dice que cualquier computadora puede computar cualquier cosa (y por lo tanto es computable), que todas las computadoras pueden computar siempre que tenga la capacidad de almacenar suficiente información y se le dé suficiente tiempo para calcular.

Desafortunadamente, algunas de las interacciones básicas entre las partículas subatómicas son gravemente computacionales y crecen exponencialmente a medida que hay más partículas. Para cuando llega a un átomo, hay suficientes partículas que el costo computacional ha crecido por encima de lo razonable para que podamos lograr que sea imposible (pero no teóricamente) imposible con las computadoras actuales. Mientras tanto, las computadoras cuánticas pueden realizar algunas de esas operaciones complejas como una sola operación básica, independientemente de la cantidad de partículas que se simulen, lo que puede hacer que ciertas tareas crezcan exponencialmente más allá de las cargas computacionales razonables a tareas ridículamente fáciles.

Answer 2

Ciertamente. En realidad, numerosos grupos de investigación de todo el mundo simulan todo tipo de sistemas físicos, desde partículas elementales hasta cúmulos de galaxias.

Hay un campo completo dedicado al desarrollo y estudio de estas simulaciones, llamado física computacional.

Answer 3

Sí, de hecho, algunos de los primeros programas ejecutados en el ENIAC y la calculadora de tarjetas de IBM y el IBM 701 fueron para simular las bombas A y H. No para simular átomos individuales, sino para integrar las ecuaciones de fisión y fusión.

Las computadoras más rápidas y nuevas usualmente tuvieron sus primeros pocos complementos fuera de la línea de producción, “desaparecieron” y nunca más se vieron. Los que fueron a la NSA. Los siguientes irían a Los Álamos o Livermore.

He escuchado que las supercomputadoras de los CDC a menudo se dejaban en un camión, estacionadas en el centro comercial Sun-Ray en St. Paul, los domingos por la mañana. El camión desaparecería y la computadora nunca volvería a ser escuchada. Eso significaba que había brechas notables en el registro de problemas informáticos informados por los usuarios. Esas computadoras fallarían aproximadamente una vez a la semana. Pero algunos números de serie de la CPU nunca reportaron ningún problema. No uno.

Answer 4

Sí, y hay todo un campo de investigación dedicado a las simulaciones computacionales atómicas y moleculares.

Básicamente, los científicos en este campo resuelven la ecuación de Schroedinger, que es la ecuación maestra que rige los sistemas cuánticos, para predecir cómo se comportan los átomos y las moléculas durante las reacciones químicas, en colisiones con partículas subatómicas o después de interactuar con la radiación.

(Yo mismo soy un especialista en el subcampo de simulaciones de moléculas excitadas por UV y radiación visible).

Estas simulaciones atómicas y moleculares son muy exigentes desde el punto de vista computacional, y desde la década de 1070 se ha dedicado mucha investigación al desarrollo de métodos y la búsqueda de aproximaciones teóricas válidas para abordar diferentes regímenes.

De hecho, los métodos para simular la evolución de un solo átomo durante algunos periodos orbitales de electrones son radicalmente diferentes de los métodos para simular una reacción química dentro de una proteína.

En cualquier caso, hoy en día, es muy común que los artículos científicos que comunican los resultados de experimentos moleculares en átomos y moléculas estén acompañados por simulaciones que ayudan con el análisis de datos.

Answer 5

Sí.
Sin embargo, un átomo (al menos sus electrones) es una partícula fundamentalmente cuántica. La mecánica cuántica funciona de manera totalmente diferente a la mecánica clásica, ya que existe una incertidumbre sobre la posición y el impulso de cualquier partícula en cualquier momento que no se puede emular en una computadora clásica.
Sin embargo, el advenimiento de las computadoras cuánticas puede emular estas condiciones, ya que se basan en la física cuántica. Desafortunadamente, las computadoras cuánticas aún están en su infancia, simplemente porque la mecánica cuántica funciona en una escala tan pequeña que es difícil para nosotros mantenerla en esa escala pequeña sin interferencias, pero compañías como D-Wave están trabajando para producir una alternativa económicamente viable. Computadora cuántica en algún momento en el futuro. Si se hace tal computadora, entonces sí, podemos emular perfectamente un átomo. Lo mejor que podemos hacer ahora es hacer aproximaciones muy cercanas.

Answer 6

Simular un átomo determinista es trivial con una computadora, y puedes hacer que rebote alrededor de todo lo que quieras si sigues “el tipo de modelo es el átomo es el sol y los electrones de sus planetas”.

Sin embargo, un átomo no es determinista. Existe aleatoriedad e incertidumbre en su momento, ubicación y estado energético. Es una forma de onda, en la que tiene varias propiedades parecidas a las ondas, como electrones y fotones, y no se comporta como una bola pequeña. Más bien, tiene fluctuaciones y generalmente está muy intrínsecamente conectado con la probabilidad. Obviamente, también podría simular un átomo de este tipo, pero en una fracción de segundo estaría desincronizado con el átomo en el que se simuló.

La incertidumbre que mencioné también se llama Principio de Heisenberg. Esencial y brevemente, existe una incertidumbre que es fundamental cuando se mide un observable: no se puede conocer la ubicación exacta de un átomo sin tener un error infinito de la velocidad de su viaje. Esto hace que la simulación de un átomo sea imposible, ya que las computadoras no pueden simular una incertidumbre en ninguno de los medibles.

Answer 7

Al igual que las áreas de esferas concéntricas de igual cambio de radio, el área de cada capa aumenta a medida que el cuadrado de la cubierta no.

Shell 1 tiene 1 par de “espacio” de electrones.

shell 2 tiene 1 más 3 es igual a 4 pares

cáscara 3 tiene 1 más 3 más 5 iguales 9 pares

shell 4 tiene 1 más 3 más 5 más 7 eq 16 pares, etc.

Outermostshell tiene las tierras raras. La tabla periódica está mal dibujada!

Eso puede ser dibujado como un diagrama 3D por una computadora.

Answer 8

Una computadora digital no puede simular exactamente un solo átomo de hidrógeno exactamente. Una computadora cuántica puede.

Ver http://www.nature.com/nchem/jour …

Answer 9

La definición de una ubicación para la subestructura atómica debe ser de ayuda.