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第一性原理计算的作用

已有 21395 次阅读 2013-1-10 17:07 |系统分类:科研笔记| 计算, 第一性

第一性原理计算还有前途吗? 如果单从入门的难易程度来看, 似乎门槛很低, 但其实通过第一性原理计算每年还不断出现新的惊喜. 诚然, 实验手段在物理领域是不可替代的. 第一性原理计算是否有用应当相对于纯理论来评比, 因为无论理论还是计算都代替不了实验上的, 令人信服的检验. 当然实验方法本身的不足和局限性是另外一个问题.


对于凝聚态体系, 无疑第一性原理计算是非常有效的分析手段. 使用现成软件的确很容易, 但软件本身依赖于20世纪量子力学的建立, 密度泛函等有效的计算手段的发展, 交换关联泛函的改进, 甚至细化到赝势的改进. 每一步都有无数牛人的心血. 只是最后得来显得比较容易一些, 这也是物理作为基础学科和非功利性研究的优点.


但与解析或者近似求解哈密顿量的理论方法相比, 第一性原理无疑对各种体系有更好的适应性. 除了极少数的强关联体系, 稀有气体, 或者一些很难计算的稀土元素以外, 第一性原理一般都可以适用. 相对而言, 理论模型 (比如 Hubbard, Anderson 等近似模型) 难以刻画原胞内部的细节, 而只突出最关心的那部分, 比如 Hubbard 模型中的电子关联. 在这些模型中, 反映固体结构的电子动能和势能项往往只能忽略, 不能不说是一大遗憾.


第一性原理计算的成功反映了量子力学本身的成功. 狄拉克公早就雄心勃勃地以为: (通过建立量子力学) 我们已经掌握了全部的化学, 只是方程太难解. 可见, 有效的计算手段无非是真正地把量子力学的威力发挥出来, 所以计算不可能没有前途. 当量子力学刚建立起来的时候, Hartree, Slater 等一些人马上就致力于将其投入化学体系的计算. 至今, 由于计算的限制我们尚远远未能完全挖掘量子力学的潜力.


所以继续研究各种统计模型, 近似的模型始终是解决困难问题的关键工作. 但作为大多数研究材料和化学的人而言, 第一性原理计算就像数学中的微积分一样, 有可能成为必备的一种基本技能和手段. 计算的成功就是量子力学的成功. 开发更精确以及更有效的计算手段也势在必行. 由此看来, APS 引用率最高的许多文章都是关于计算方面的, 也有它的一个必然道理.



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