Más Fiel a la Vida Física Y la Biología Motor de Simulación?

Question

Yo soy un programador. I código en C++, C#, HTML5 y PHP. Hay muchos motores gráficos que tengo a mi disposición. La pregunta es: ¿existe un motor de gráficos que es tan fiel a la realidad como sea posible con nuestra comprensión actual de la física? Por ejemplo, puedo crear fácilmente objetos macroscópicos en un espacio 3D, pero ¿qué acerca de todos los elementos de la realidad que conforman estos objetos macroscópicos? Lo que si, por ejemplo, yo quería empezar de abajo hacia arriba, la creación de simulaciones en la escala de planck, de partículas, de las estructuras atómicas, las células, microbiología, etc.? Lo que si quiero simular la mecánica cuántica? Por supuesto que puede hacer un modelo de un átomo, pero los vientos no son correctas en términos de ser exactamente análoga a la de la vida real.

Me gustaría simular correctamente estas estructuras y sus comportamientos. Suponga también que tengo acceso a una cantidad inmensa de la computación paralela potencia de procesamiento (yo lo hago). Tal vez algunos de los juegos de azar no científica motores gráficos existen que yo no soy consciente de.

Answer 1

Suponga también que tengo acceso a una cantidad inmensa de la computación paralela potencia de procesamiento (yo lo hago).

A menos que usted es una persona importante en la China de ciencias computacionales mundo (utilizando Tianhe-2), o que tienen acceso a los secretos del gobierno, equipos de nosotros los simples mortales no saben que existen (por lo que no aparecen en los rankings de las mejores supercomputadoras en el mundo), lo que probablemente tienen acceso a más ;) Y yo no puedo ni siquiera imaginar abordar una milmillonésima de una milmillonésima parte de el problema que se quiere abordar. De hecho, estoy seguro de que los esfuerzos combinados de todos los equipos en el planeta, en secreto o no, no podrían comenzar a abordar el problema que desea resolver.

Mucho sobrestimar la cantidad de potencia de cálculo disponible en la Tierra. Para conectar atómica escalas macroscópicas, un útil número a tener en cuenta es el número de Avogadro, acerca de $6\times10^{23}$. Ese es el número de átomos que hay en un par de gramos de los materiales típicos. Volviendo a la parte superior de la computadora en el mundo, que tiene alrededor de $1.5\times10^{15}$ bytes de memoria. Es decir, incluso en un byte por átomo, no se podía almacenar información suficiente en la memoria para representar una mota de polvo. Y en menos de $10^{17}$ operaciones de punto flotante por segundo, tardaría eones para hacer cualquier tipo de cálculo en incluso de que la reducción del conjunto de datos.

Agregar en la escala de Planck ser un buen $20$ $25$órdenes de magnitud más pequeña que la escala atómica, y el problema se convierte en la mente bogglingly abrumadora. Tenga en cuenta que no son sólo acerca de la $10^{50}$ átomos en la Tierra, por lo que al girar el planeta entero en un solo equipo, compuesto de ciencia-ficción de nivel único átomo de transistores, sería aún están lejos de ser capaz de procesar macroscópicas de las cosas exactamente a partir de primeros principios.

Me gustaría simular correctamente estas estructuras y sus comportamientos.

Un objetivo loable, y uno compartido por muchos físicos. Sin embargo, un ingrediente clave en la física es saber qué aproximaciones a hacer el fin de hacer un problema manejable. Esto se aplica para el cálculo tanto como cualquier otra cosa. En particular, la física a menudo se divide a grandes, complicados sistemas en componentes, con reglas simples, cuyo comportamiento se infiere a partir de la división ejemplos de ellos en componentes más pequeños.

Más claramente, un ejemplo hipotético. Si quieres un modelo de una persona, usted tiene componentes en el nivel de los órganos, como la sangre y la piel. Cada uno tiene bastante simple, el comportamiento acumulado que es una aproximación a su "verdadero" subyacentes fundamentales de la naturaleza (pero a menudo una aproximación muy buena!). Conocer el comportamiento de la sangre, porque hacer simulaciones de ideal, el continuum de fluidos con viscosidades similares. Usted sabe cómo viscosidad trabajos empíricos experimento, pero si quieres simular que usted podría hacer una simulación de un pequeño parche de la aproximación de las moléculas de agua impregnada de interacciones electrostáticas. Estas interacciones electrostáticas pueden venir a partir de simulaciones de dinámica molecular, y así sucesivamente.

Tratando de resolver todo a partir de los primeros principios es inútil. En su lugar, se estudian los modelos razonables de sistemas y aplicar lo que aprendemos¹ para otros modelos.

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¹ De hecho, me proponen que, si todo lo que hacen es simular la naturaleza tan estrechamente como sea posible, usted no ha hecho nada en absoluto. Usted podría tener simplemente dejar que la naturaleza siga su curso. La simulación es sólo valioso como una herramienta, como experimento o de la teoría, para la obtención de nuevos conocimientos sobre cómo funciona la naturaleza.

Answer 2

Como químico convertido ingeniero, creo que estoy bien colocado para responder a esta pregunta.

¿Existe un motor de gráficos que es tan fiel a la realidad como sea posible con nuestra comprensión actual de la física?

Dado las oportunas limitaciones y simplificaciones, es posible construir un modelo útil a partir de elementos simples. Si usted se considera a esta "verdadera realidad" está abierto a la interpretación.

Hay tres principales áreas de simulación que vienen a la mente en ingeniería mecánica: análisis de elementos finitos, análisis estructural y computacional de la dinámica del flujo.

Análisis de elemento finito significa tomar un cuerpo sólido y desmenuzarla en tetraédrica o cúbicos elementos y la aplicación de las leyes de la física (normalmente de tensión-deformación de la relación) para cada uno de ellos. Para obtener un muy buen resultado en un relativamente pequeño de objetos, usted va a necesitar alrededor de 1000 elementos en cada una de las 3 dimensiones, por lo que un gigabyte de memoria suponiendo un byte por cada elemento (en realidad cada elemento se necesitan al menos diez veces a la tienda, como mínimo, sus 6 grados de traslación y de rotación de la libertad.) Este es ya el aspecto de un problema de memoria para PC normal. Al aumentar el tamaño de la malla un poco, nos puede ejecutar una simulación en un PC, pero puede tomar varias horas para que los efectos de una carga estática que se propagan a través del modelo de la convergencia. Modelado de oscilación (tiempo + 3 dimensiones espaciales) es prácticamente imposible en un PC, tanto en términos de tiempo de trabajo y la cantidad de datos generados (varios gigabytes por paso de tiempo.) La reducción de tiempo de + 2 dimensiones espaciales de gran ayuda.

Con el fin de hacer los cálculos razonables, civil, estructural, los ingenieros utilizan un simplifictation para realizar el análisis estructural. Programas como el Staad Pro trabajo con elementos tales como vigas y columnas, suponiendo que se doblarán de acuerdo a los modelos conocidos. El ingeniero construye de mecano-como modelo para el programa de entrada, especificando los nodos donde las vigas se conectan, indicando si la articulación es fijo o libre rotación es posible, etc. De esta manera, se completa en cuatro dimensiones (tiempo+3 espacios), el análisis es posible.

Dinámica de fluidos computacional es el equivalente de análisis de elementos finitos, pero para los fluidos en lugar de sólidos. De nuevo utilizamos una malla de cubos, tetraedros para representar el volumen, pero no son cuestiones diferentes. Este es el tipo de simulación que tengo experiencia personal, mediante la Floworks software, que utiliza un cúbicos de malla y muy útil que le permite reducir la escala de malla para una mitad o una cuarta parte de la principal de la malla en las zonas críticas. Sin embargo, la experiencia me ha llevado a creer que se puede predecir lo que quieras con la dinámica de fluidos computacional del software. Yo lo veo como una útil herramienta cualitativa para identificar las áreas problemáticas, en vez de un medio de predicción cuantitativa de la caída de presión vs velocidad.

De nuevo tenemos cerca de mil millones de elementos de una muy buena simulación de un pequeño objeto en 3 dimensiones espaciales, con al menos presión y tres grados de libertad en la velocidad para cada elemento. De nuevo, la predicción de flujo en tres dimensiones espaciales más el tiempo de los usos excesivos de la potencia de computación. Pero por desgracia, en el caso de los computacional de la dinámica del flujo, un sistema estable de entrada y salida de flujo puede muy probable que haya una oscilación en algún lugar dentro del modelo, que no es el caso de análisis de elementos finitos bajo una carga constante. A veces nos puede simplificar a 2 dimensiones espaciales. 2 dimensión espacial + tiempo de análisis de una sección transversal de una chimenea con el viento soplando a través de ella se puede hacer, y puede revelar que el sistema oscila debido a la emisión de vórtices, que además de la cíclico que se hace hincapié en la chimenea, se traduce en una mayor resistencia que sería visto con un tiempo promedio de modelo. Las ecuaciones utilizadas son llamadas las ecuaciones de navier-stokes, y aunque es muy simple en concepto, puede llevar a que sorprendentemente complejo si los resultados de la turbulencia se produce (google el número de Reynolds para obtener más información.) No es realmente posible extender el cálculo en 4 dimensiones en un PC, por lo que las aproximaciones en cuenta para el efecto de la turbulencia.

En mi campo (de combustión y transferencia de calor) el quemador a los fabricantes a introducir algunos simple de combustión termoquímica en sus modelos. Que añade otro nivel de complejidad que significa que un equipo bastante potente que se necesita.

Así que buena suerte, seguir adelante y realizar una dinámica de fluidos computacional de simulación con un 1000x1000x1000 malla de 1000 timesteps y que va a generar varios terabytes de datos. No olvides que en cada iteración tendrá que convergen correctamente antes de continuar con el siguiente paso de tiempo. La interpretación de todos los datos es otro tema. Hacer esto todos los días durante un año y tendrá varios petabytes. ¿Tiene que mucho de almacenamiento? Usted verá rápidamente por qué los ingenieros prefieren utilizar la relación entre el número de Reynolds y factor de Fricción en lugar de utilizar las ecuaciones de Navier-Stokes para calcular todo, a partir de primeros principios.

Lo que si, por ejemplo, yo quería empezar de abajo hacia arriba, la creación de simulaciones en la escala de planck, de partículas, de las estructuras atómicas, las células, microbiología, etc.?

Whoa! que es realmente un montón de potencia de cálculo. Una molécula de hemoglobina pesa sobre 64000 daltons (acerca de la misma como 64000 átomos de hidrógeno.) Una dalton es de 1.66 E-24 g, el recíproco de Avogradro del número. la hemoglobina es una proteína de interés debido a que tiene cuatro sitios de unión para el oxígeno, y la unión de uno de oxígeno provoca un cambio en la conformación de mejora de la fuerza vinculante de los demás; es una especie de natural molecular de la máquina (que es independiente de las más complejas máquinas moleculares como los ribosomas y las membranas de las células.)

No tengo exactamente la fórmula molecular de la Hemoglobina a la mano, pero vamos a hacer algunas suposiciones. Vamos a suponer que el número de protones y de neutrones es igual. Eso significa que hay 32000 protones y 32000 electrones (no estoy muy interesado en los protones, vamos a permanecer lejos de la física nuclear, pero es la mejor manera de obtener una idea de la cantidad de electrones. La masa atómica promedio será algo similar a la glucosa: alrededor de 7.5. En cifras redondas, digamos que hay 10000 átomos. Además, las proteínas de mantener su forma, debido a que está rodeado por el solvente, así que vamos a decir, tenemos que multiplicar tanto los números 10: thats 3200000 electrones y 100000 átomos.

Ahora usted puede esperar para hacer algunas simplificaciones con respecto a la carga de las interacciones y ser capaces de predecir la forma de la molécula, y tal vez incluso la unión de O2 (aunque eso es más bien depende del átomo de hierro donde el O2 está obligado, por lo que migh prefieren confiar en los datos conocidos para que.) Este tipo de cosa es, de hecho, hace y es una manera de tratar de encontrar adecuado de fármacos de moléculas que se unen a los receptores. Pero cuando yo estaba en la industria de hace 15 años, era mucho más de moda el uso de la automatización para físicamente sintetizar y pantalla de gran cantidad de posibles sustancias.

En realidad tratando de hacer un quantum modelo de este a partir de primeros principios sería mucho más complejo, no menos importante, debido a que la mecánica cuántica es estadístico, por lo que probablemente requieren un Monte Carlo método de cálculo: usted podría tener que considerar la posibilidad de cientos de moléculas. De hecho, en los comentarios, @limón estados que 1E4 moléculas es casi tan lejos como él/ella puede ir, y probablemente con sustancias mucho más simple que la de la hemoglobina. Creo que sería un logro sólo para modelar con precisión el sitio de unión que contiene el hierro con la mecánica cuántica.

Para poner esto en perspectiva, vamos a ver cuántos átomos hay en un único bit de memoria. de acuerdo a wikipedia, 128GByte ahora es posible, que es de 1 terabit (esto es DRAM así que estos son los condensadores, no transistores.) Supongamos que el morir pesa 0.028 g y por lo tanto contiene una millimole de silicio. Así que tenemos a 6.28E23atoms/mol * 0.001 mol=6.28E20 átomos para almacenar 1E12 bits. Que 1E8 átomos por bits. Una vez que empezar a pensar en el número de bits que representan un electrón, te das cuenta de que necesitas megatoneladas de silicio para hacer la más básica de las simulaciones de un miligramo de materia.

Answer 3

Las escalas y alcances de los modelos que tenemos son mucho más grandes que el nivel celular. Además, aunque hay esquelético modelos de cuerpos de animales, los modelos para que su movimiento es muy de arriba-abajo modelado en lugar de abajo hacia arriba de la modelización. Es decir, un humano real que sus movimientos se registrarán y se interpola en el modelo, o un animador que va a plantear el modelo en fotogramas clave y el software que se va a interpolar cómo mover el cuerpo de fotogramas clave. Hay algunos casos en los que el nivel de abajo hacia arriba se hace, como en ragdoll modelado de los cuerpos cayendo y chocando con los entornos.

En un animal real cuerpo, cada movimiento tiene algunas forzar la entrada a más o menos a cada parte del cuerpo. Incluso un completo muscular de un modelo de la pierna, vamos a hablar de una mano, sería increíblemente complejo, y el número de posibles sistema nervioso entradas sería enorme, y de uso limitado sin el resto del cuerpo, las circunstancias, la mente... no hay esencialmente ninguna manera a la realidad del modelo animal de movimiento verdaderamente de abajo hacia arriba.