原子的计算机模拟实用指南

Veronika+Brázdová等

所谓的计算机模拟就是用计算机模仿真实的科学实验过程，也就是说用计算机代替在实验设备上做所要求的实验。为此，首先要建立一个可以用计算机处理的数学模型模拟真实的系统，然后根据实验的具体条件仔细地考虑系统的内部结构、外界影响、可调参数的限定范围以及需要求取的物理量等，编写出合适的程序，送入计算机中。由计算机一步一步地进行数值实验，产生所需要的实验结果，从而得到所需要的数据，并处理和分析这些结果。这种计算机模拟方法始于上世纪20年代，最早用于军工领域，随着计算机的普及，现在已经遍及自然科学和社会科学的各个领域，成为科学研究中一种常用的技术和不可缺少的环节。它特别适合于实验条件苛刻、环境恶劣、实验周期长、花费大，且问题的数学物理机制比较明确的场合。可以大幅减少人力、物力，降低成本，提高效率，因此受到科学界的普遍重视。

本书是一部教读者实际操作原子的计算机模拟的实用教材，旨在使读者理解、设计、运行并分析他们自己的原子的计算机模拟结果。本书作者们在指导学生从事原子计算机模拟研究以及教学活动时产生了自己动手写一本教材的打算，期望以此为读者提供设计和执行任何包括原子模拟研究计划所需要的实用知识，一部展示计算机模拟的最佳实践范例和实用指南。

作者们把全书内容分成5个部分。第1部分涵盖了为理解原子计算机模拟所需要的大学高年级水平的基本物理和化学知识以及原子模拟技术的基本概念，含第1-4章：1. 原子，分子和晶体；2. 化学键；3. 化学反应；4. 究竟计算什么？。第2部分描述原子模拟的基本技术，含第5-6章：5. 总能量最小化；6. 分子动力学和蒙特卡罗。第3部分描述分子力学和电子结构技术理论，这一部分技术性比较强，具有足够的深度使读者能够理解如何做模拟以及不同方法中的近似是什么，含第7-9章：7. 计算能量和力；8. 电子结构方法； 9. 详细介绍密度泛函理论。第4部分强调了设计一个实际做模拟的计划，包括如何选择原子的合适坐标，以及如何仔细地规定和检验特殊的模拟，含第10-13章：10. 项目计划；11. 坐标和模拟单元；12. 基本要点；13. 试验。第5部分详细分析了如何取出一个模拟代码生成的数据以及如何产生有价值的数据，含第14-18章：14. 查看输出文件；15. 利用所有的数据做些什么？16. 可视化；17. 电子结构分析；18. 与实验比较。书末给出了两个附录：A.UNIX；B. 科学计算，补充介绍了一些课文中用到的具体程序问题。

读者在阅读时应该至少要利用一个具体的原子计算机模拟代码，实际动手去做实验，分析所得的结果，评估结果是否正确，发现和纠正错误，从结果中提取相关信息。作者为本书提供一个网页：http：//www.atomisticsimulations.org/。在那里作者们写了一些博客，讨论当前感兴趣的一些最新的文章以及一些练习。而且内容不断更新。对于从事原子计算机模拟的研究人员和学习相关课程的研究生本书有很好的参考价值。

丁亦兵，教授

（中国科学院大学）endprint