Kedze mojou pracou je prave pouzitie kvantovej chemie v "life sciences", dovolim si par slov na velmi zakladne objasnenie o co v tomto projekte ide.Ako uz kolegovci spomenuli, ide o projekt venovany studiu kvantovej chemie s vyuzitim Boinc. Kvantova chemia je veda zaoberajuca sa kvantovym popisom struktury molekul a ich vzajomnej interakcie. Kvantovy pristup je zalozeny na kvantovej mechanike, ktoru rozvinuli na zaciatku minuleho storocia velikani fyziky ako napr. Bohr, Schrodinger, Planck, Heisenberg (znamy neskor svojou pracou pre nacistov), prispel i Einstein (ktory najskor odmietal kvantovu mechaniku ako nezmysel) a ini. Kvantovy svet je iny ako je nas "velky" svet, pretoze popisuje hmotu a jej spravanie na jej najzakladnejsej (doposial znamej) urovni. Nas "velky" makrosvet je uz len statistickym priemerom tohto kvantoveho sveta - mikrosveta. Preto su v kvantovej mechanike mozne rozne veci, ktore nam pripadaju ako absurdne, ale nie su - napr. prechadzanie castic cez potencialne bariery "steny", existencia castic v dvoch stavoch sucasne (zaroven su aj nie su), prechod elektronu cez dva otvory sucasne a podobne (cast z toho uz aj tu na fore bolo rozoberane). Kvantova mechanika je ohromne obsiahla pokladnica prekvapeni, ale nie je predmetom studia tohto projektu, preto ju nebudem viac rozoberat.
Spomeniem uz iba, ze vypoctova narocnost vyplyva z toho, ze je treba riesit tzv. Schrodingerovu rovnicu, co je jedna zo zakladnych rovnic kvantovej mechaniky, a kedysi si ju genialny Schrodinger na zaklade logiky a intuicie doslovne "vycucal z prsta" (klobuk dole), az neskor bola tato rovnica dodatocne odvodena. Velmi laicky povedane, tato rovnica nam hovori o tom, kde v priestore sa s akou pravdepodobnostou castica prave nachadza a ako sa tato pravdepodobnost vyvija v case. Castice su teda popisovane ako "oblaky pravdepodobnosti", ako akesi rozmazane "chumace", ktore viria v priestore ako vceli roj. Taka je totiz prirodzenost nasho sveta na kvantovej urovni. A tak ju teda aj Schrodingerova rovnica popisuje. Rovnica to nie je zlozita (ak ovladate vyssiu matematiku), avsak jej riesenie je uz velmi zlozite. Presne riesenie je mozne len v niektorych specialnych pripadoch, a vzdy sa jedna len o numericke priblizenie, kde nam musia pomoct mnohe finty matematiky (ktorych je nastastie pomerne vela a su castokrat velmi ucinne).
Tento konkretny projekt sa zaobera teda aplikaciou kvant. mechaniky vo svete molekul - cize nie na urovni atomov a castic, ako to robi fyzika. Okrem tejto rozmerovej skaly inak v podstate nie je medzi kvant. chemiou a fyzikou ziaden rozdiel. Problem pri kvantovomechanickom popise systemov skladajucich sa z viacerych atomov je vsak ten, ze je to ohromne vypoctovo narocna uloha. Narocnost vypoctov rastie zhruba s tretou mocninou velkosti systemu, a teda ak mate desatkrat vacsi system, potrebujete tisickrat dlhsi cas na vypocet jeho vlastnosti. Preto sa s kvantovomechanickymi vypoctami (tzv. ab initio vypocty) nedostaneme daleko - ja osobne som sa ani s najnovsimi japonskymi superpocitacmi nedostal dalej ako po molekulu o pocte atomov 112, a ini kolegovia sa nedostali prilis dalej. To su v biochemii velmi male molekuly a da sa takto pocitat teda len velmi uzky okruh problemov. Ake je riesenie? Jednym z novych a perspektivnych rieseni sa ukazuje byt stara znama vec - tzv. Monte Carlo simulacie. Davno sa pouzivaju v inych oblastiach (napr. v jadrovej fyzike na simulacie interakcie castic v urychlovacoch s bombardovanymi tercami). Nebudem zachadzat do nudnych detailov, ale v zasade sa da povedat, ze pri hladani riesenia vyuzivaju nahodne cisla (preto nazov "Monte Carlo", aj ked pre presnost treba uviest, ze sa nejedna o uplne nahodne cisla). Tak ako v jadrovej fyzike "strielate" velke mnozstva nahodnych castic do simulovaneho terca a vysledkom takejto simulacie je pekny graf rozdelenia castic podla roznych kriterii, tak aj Schrodingerova rovnica sa da riesit "strielanim" mnozstva cisel a postupnym nachadzanim rieseni. Je to vsak - podobne ako ine pristupy - vypoctovo velmi narocna uloha, avsak da sa vyuzit jej dalsie velke plus - da sa rozdelit na mnozstvo ciastkovych operacii, ktorych vysledky sa daju zlozit! A uz iste viete, v com je sila tejto metody a preco sa prave tato (a nie ine kvantovomechanicke metody) objavila pod platformou Boinc. Vas pocitac bude ratat malu cast z ohromneho spektra vypoctov potrebnych na najdenie rieseni Schrodingerovej rovnice.
Po zlozeni mnozstva vysledkov sa moze dospiet jednak ku konkretnym vysledkom pre samotne molekuly (ich strukturu a interakciu s inymi molekulami) a rovnako aj k zdokonaleniu samotnej kvantovej Monte Carlo metody. Tolko strucne a laicky povedane k tomuto zaujimavemu a novatorskemu projektu. Na zaver by som teda zdoraznil, ze narozdiel od inych biochemickych projektov pod Boinc (Rosetta, Predictor) tento projekt pocita biochemicke procesy od absolutneho zakladu prirody aky teraz pozname - od kvantovej mechaniky. To ho robi vynimocnym, pretoze len kvantovomechanicky popis je naozaj presny a dokonaly, ostatne projekty vyuzivaju menej precizne a presne metody (co ale neznamena, ze su menej uzitocne - kazdy projekt otvara svoje male okno pri poznavani sveta okolo nas, QMC sa neda pouzit na vsetko...). Takze - koho zaujima vyuzitie najmodernejsich vydobytkov vedy pre popis zivota, mozte prispiet k jeho rozvoju zapojenim sa do tohto projektu.
|
