Курс лекций "Методы молекулярной динамики"

В январе-феврале 2005г. ЦЛИБФ посетил д.ф.-м.н., профессор, главный научный сотрудник Института теплофизики экстремальных состояний РАН Норман Генри Эдгарович. В рамках рабочей программы повышения квалификации преподавателей научными сотрудниками, студентами и аспирантами ОГУ был прослушан курс лекций "Методы молекулярной динамики".

Данный курс лекций включал следующие темы:

Тема 1 Молекулярная динамика. Метод молекулярной динамики (МД) как один из доминирующих методов компьютерного моделирования физических процессов в мировой computer science. Дополнение методами теоретической физики, теории устойчивости, случайных процессов и др. Метод МД как один из основных инструментов исследований молекулярных систем с большим числом степеней свободы.

Тема 2 Численное решение классических уравнений движения частиц в некотором выделенном объеме среды. Взаимодействие частиц МД ячейки посредством заданного потенциала. Выбор потенциала взаимодействия частиц – наиболее важный этап построения численной модели. Определение макро- и микроскопических характеристик среды на основе расчета траекторий частиц. Практические применения.

Тема 3 Применение к проблеме предсказуемости: задача Коши для динамических процессов; детерминизм стохастических уравнений, ограничение временем динамической памяти t_m; справедливость вероятностного предсказания для времен, больших t_m.

Из теории неидеальной плазмы:
Установление бинарных корреляционных функций и распределений по скоростям. Связь начального участка неэкспоненциальной релаксации с временем динамической памяти (временем стохастизации) в системе.

Тема 4 Динамика химических и биохимических реакций в плотных средах. Потенциальные кривые. Поверхности потенциальной энергии (ППЭ). Динамика движения реагирующей системы на ППЭ. Путь реакции и динамические траектории движения реагирующей системы из долины реагентов в долину продуктов. Переходное состояние. Соответствие между динамическим и статистическим подходами.

Тема 5 Фемтохимия и её задачи: изучение динамики внутримолекулярных процессов и переходного состояния, изучение кинетики сверхбыстрых химических реакций и управление внутримолекулярной динамикой. Фемтохимия: от двухатомных до крупных молекул, включая белки.

Методика эксперимента. Использование двух фемтосекундных импульсов в схеме "возбуждение-зондирование" (pump-probe). Импульсный перевод молекул в возбужденное электронное состояние. Отклик молекул на действие этих импульсов как функция времени задержки между ними. Виды откликов: флуоресценция, вынужденное излучение и др.

Тема 6 Мониторинг внутримолекулярного движения атомов и динамика образования продуктов химической реакции в терминах эволюции когерентного ядерного волнового пакета на поверхности потенциальной энергии. Теоретический анализ внутримолекулярных динамических процессов. Причины стохастизации первоначально когерентного движения волновых пакетов.

Тема 7 Фундаментальные вопросы статистической физики. Иерархическая структура динамических систем. Обратимость уравнений Ньютона, Максвелла, Шредингера и др. Обеспечение устойчивости иерархии добавлением постулата о коллапсе (редукции) волновой функции в согласии с идеей, высказанной Нейманом и Ландау. Мгновенность, случайность и нелокальность коллапса на примере различных экспериментов. Квантовая телепортация.

Применение обратимых законов движения и необратимого коллапса к рассмотрению двух проблем:
Устранение противоречия между возрастанием энтропии и классическими законами молекулярного движения добавлением квазиклассических поправок. Обсуждение их величины и стохастического характера. Функции "спускового механизма" для развития ляпуновской неустойчивости и перемешивания.

Возникновение классических бифуркаций на потенциальном рельефе и квантовых бифуркаций в области пересечений потенциальных поверхностей (использование в фемтохимии).

Тема 8 Ограничение предела вероятностного предсказания накоплением бифуркаций. Объективный смысл и предел предсказуемости произвольного динамического процесса в природе.