Simulações computacionais atomísticas na física : um panorama geral

Abstract

Resumo : O computador, tal como conhecemos hoje, passou por diversas transformações e aperfeiçoamentos ao longo da história, tentando suprimir uma necessidade de contar inicialmente atrelada às tarefas diárias da civilização, passando por projetos de cunho militar e científico, até se transformar em um instrumento de comunicação e interação social. Com o passar dos anos, o computador deixou de se basear num sistema puramente mecânico para trabalhar de forma automática, utilizando válvulas e relés que posteriormente foram trocados por transistores e microchips, permitindo a construção de máquinas cada vez menores e mais potentes. Tudo isso proporcionou aos cientistas uma excelente ferramenta para realizar cálculos enormes e complicados de forma rápida e precisa, o que tornou as simulações computacionais o terceiro pilar da ciência, especificamente da Física, ligando experimento e teoria. Várias técnicas de simulações computacionais têm surgido ao longo dos anos, com o intuito de simular sistemas nas mais diversas escalas de tempo e tamanho. Na Física, particularmente, estamos interessados nas técnicas de partículas, que tratam de elétrons, átomos e moléculas. Dentro dessa classe, se destacam o método de Hartree-Fock e a Teoria do Funcional da Densidade, no contexto quântico, e a Dinâmica Molecular e Monte Carlo, no contexto clássico. Ao longo deste trabalho, são abordadas de forma geral e qualitativa essas quatro técnicas de simulação computacionais, com foco principal nos princípios e modelos físicos e aproximações utilizadas por cada uma delas, com o propósito de dar uma visão geral sobre o assunto, com público alvo pessoas leigas a respeito dessa área e que queiram saber mais sobre as possibilidades que a simulação computacional proporciona para o estudo de fenômenos e sistemas físicos. Portanto, não nos preocupamos em entrar nos detalhes técnicos e matemáticos que envolvem a implementação dos algoritmos ou dedução das equações utilizadas. Através de uma perspectiva histórica, mostramos como os computadores têm mudado a forma como produzimos conhecimento e fazemos ciência. Seguimos mostrando a ideia principal da simulação em multiescala e por fim, abordamos as quatro técnicas propriamente ditas. É certo que assim como no presente, no futuro ferramentas computacionais tais como simulações e linguagens de programação serão indispensáveis para a formação de qualquer cientista. Dessa forma, gostaríamos de incentivar todos e todas a buscarem conhecimento sobre tais ferramentas, e esperamos que este trabalho possa despertar no leitor o interesse em conhecer mais sobre simulações computacionais, que estão marcando um novo paradigma na ciência

Abstract: The computer, as we know it today, has gone through several transformations and improvements throughout history, trying to suppress the need for counting linked to the daily tasks of civilization, going through military and scientific projects, until it became an instrument of communication and social interaction. Over the years, the computer shifted from a purely mechanical system to work automatically, using valves and relays that were later exchanged for transistors and microchips, allowing the construction of increasingly smaller and more powerful machines. All of this provided scientists with an excellent tool to perform huge and complicated calculations quickly and accurately, which made computational simulations the third pillar of science, specifically in Physics, linking experiment and theory. Several computer simulation techniques have emerged over the years, with the aim of simulating systems in the most diverse scales of time and size. In Physics, particularly, we are interested in particle techniques, which deal with electrons, atoms and molecules. Within this class, the Hartree-Fock method and the Density Functional Theory, in the quantum context, and the Molecular Dynamics and Monte Carlo, in the classical context, stand out. Throughout this work, these computer simulation techniques are approached in a general and qualitative way, with a main focus on the principles and physical models and approaches used by each one of them, with the purpose of giving an overview of the subject, with targeted audience inexperienced people in this area that want to know more about the possibilities that computer simulation offers for the study of phenomena and physical systems. Therefore, we are not concerned with the technical and mathematical details that involve implementing the algorithms or deducing the equations used. Through a historical perspective, we show how computers have changed the way we produce knowledge and do science. We continue showing the main idea of multiscale simulation and finally, we approach the four techniques themselves. It is certain that, as in the present, in the future computational tools such as simulations and programming languages will be indispensable for the training of any scientist. Thus, we would like to encourage everyone to seek knowledge about such tools, and we hope that this work may arouse the reader’s interest in knowing more about computer simulations, which are marking a new paradigm in science