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通俗讲解:相空间轨迹与分子模拟轨迹

时间:2025-05-14     作者:邱新龙【转载】   来自:维基百科+腾讯元宝+个人理解

相空间轨迹是理论层面的高维抽象数学描述,将系统所有粒子的位置+动量(共6N个变量)随时间变化的路径映射到多维空间中。例如,描述100个水分子的运动需要600维相空间,每个点对应所有分子在某一时刻的完整状态。一般来说每个粒子的坐标和动量是随时间变化的,那么N个粒子的6N维相空间中的点也是随时间变化的。随时间变化的相空间点就构成了相轨迹。

 

分子模拟轨迹是实际计算中记录的原子或分子在三维物理空间中的位置随时间变化的路径。例如,通过GROMACS生成的轨迹文件,仅记录每1飞秒间隔内每个原子的坐标变化,可忽略动量信息。在分子动力学模拟中,我们只能得到离散的相轨迹。因为我们对粒子的运动方程进行数值积分时用了有限大小的时间间隔,而不是无限小的时间间隔。一条很长(很多时刻的)相轨迹包含系统的很多微观状态,而通过统计力学的方法就可以根据这些微观状态计算出有用的宏观物理量。

 

唯一区别:就是相空间轨迹不包含时间

 

通俗比喻:

相空间轨迹类似“上帝视角的足球比赛全息录像”,同时记录所有球员的位置、速度和方向(即使观众看不到某些细节)。

分子模拟轨迹类似“普通电视转播画面”,只显示球员在球场上的位置移动,不直接展示速度信息。

 

分子动力学模拟是一种数值计算方法。在这种方法中,对一个具有一定初始条件和边界条件且具有相互作用的多粒子系统的运动方程进行数值积分,得到系统在相空间中的一条离散的轨迹,并利用统计学的方法从这条相轨迹中提取出有用的物理结果。


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