为什么分子动力学要计算一个个的分子的运动？ 第1页

谢邀，这问题好怪，我有点无法理解题主的逻辑...

为什么我们要做原子层面（更普遍地，底层）的模拟呢？我个人以为大概是以下两方面原因：

一是模型方程写出来简单（当然好不好解，能不能解是另外一回事）。个人觉得有一个普遍的现象是，越底层的东西我们描述它的方程越简洁，越粗粒化，就会引入越多的新物理概念。这些新物理概念和你削减掉的自由度的行为有关，需要建立额外的模型去描述，有时候这并非易事。我举几个例子：

比如对于分子间相互作用力，如果你把每一个电子的自由度显含进模型，那很明确就是一个薛定谔方程，哈密顿量写出来就是动能加库伦势能，物理上非常简单。但是如果把电子坐标拿掉，粗粒化成仅以原子核坐标为变量的经典力场，那么很快就会有比如色散力，交换力，多体作用等等不可描述的相互作用，有些东西你都不知道该用什么函数去拟合。同样的，一个简单的pairwise additive的原子尺度经典力场，一旦做粗粒化，也会不可避免地出现复杂的多体作用。

比如在溶液相化学里，如果我们希望不对溶剂分子和电解质做直接描述，那么我们就要不可避免地引入诸如friction，random force，hydrodynamics这样的因素，还要建立Poisson-Boltzmann方程来研究电荷分布，建立Langevin dynamics这样的模型来研究动力学。而这些麻烦，在最原始的MD里都是不存在的（原始MD只需要牛顿方程，理论上简洁得多）。而且这些模型多多少少伴随着各种近似，而这些近似的精度到底如何，也需要通过更底层的模拟去验证。

再比如你说的exciton的例子。Quasi-particle的概念当然很好，相当于把其他不相关的电子坐标都coarse grain掉了。然而quasi-particle本身的行为绝对不是把半导体介电常数一代就能搞得定的。计算quasi-particle的行为需要用到像GW，或者是BSE这样复杂的理论，像格林函数，self-energy，screened Column operator这样复杂的东西，在物理上蕴含的东西比一个简单的薛定谔方程多的去了。光建立这套理论就花了多长时间？

所以总结来说，越接近第一性的东西，基本物理越好理解，方程形式越简单，但是因为计算规模的原因，方程写出来解不动，等于无用。越高层的模型，数学上解起来越简单，但是蕴含的物理理解越丰富，你要是不够聪明可能模型都构建不出来。这两者是一个平衡，如何在特定的问题上找到最合适的平衡点就是一个学者素养和能力的体现。

第二个方面就是我们有时候确实需要在微观上更细节的信息。我还是举几个例子：

比如有些化学反应的过渡态或者是中间态和溶剂形成的特定氢键起到关键性的稳定作用。这个时候你就必须要把水分子每一个氢原子显性地模拟出来，而不能用一种近似平均场的implicit solvent模型。

再比如研究扩散，通常情况下就是爱因斯坦的扩散模型嘛，没有什么难的。但是如果是在confined的多孔材料中呢？如果孔径和你感兴趣的粒子尺寸接近呢？这样扩散速率可能就和孔径自身具体的thermal fluctuation有关了，还和粒子本身自己相互作用产生的crowding effect也有关了，这样就必须把环境中的具体原子都模拟出来才能看到一些你可能没预料到的行为。同样，比如某些膜蛋白上有些很狭窄的通道，你要研究水或者离子从这些通道里通过的过程，那么就只好做MD了，用什么四个水捆绑在一起模拟的coarse grain模型是行不通滴。

再比如你说的导电，像分子导线这样的体系，传导距离这么短，本身就和电子波函数的波长接近，那像隧穿啦，电子本身和分子导线的nonadiabatic coupling啦，甚至quantum coherence这样的效应是占主导地位的，你再用欧姆定律就略显搞笑了。这个时候你就要老老实实把原子坐标写出来去解电子结构。传热也是一样，在你研究的体系尺度本身就和重要声子的波长接近的时候，你就不能用宏观的导热方程去硬套。在更进一步的理论做出来之前，你就得老老实实地去跑非平衡态的MD。

总之就说这么多。总结是还是好好做课题，不要想这么多形而上学的问题，没啥意义还特累。