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[转载]第一性原理

已有 1018 次阅读 2019-9-3 10:22 |系统分类:科普集锦|文章来源:转载

第一性原理(转载)

根据原子核和电子相互作用的原理及其基本运动规律,运用量子力学原理,从具体要求出发,经过一些近似处理后直接求解薛定谔方程的算法,习惯上称为第一性原理

第一性原理(First-Principle)通常是跟计算联系在一起的,是指在进行计算时除了告诉程序你所使用的原子和他们的位置外,没有其它的实验的、经验的或者半经验的参量,且具有很好的移植性。作为评价事物的依据,第一性原理经验参数是两个极端。第一性原理是某些硬性规定或推演得出的结论,而经验参数则是通过大量实例得出的规律性的数据,这些数据可以来自第一性原理(称为理论统计数据),也可以来自实验(称为实验统计数据)。

但是就某个特定的问题,第一性原理和经验参数没有明显的界限,必须特别界定。如果某些原理或数据来源于第一性原理,但推演过程中加入了一些假设(这些假设当然是很有说服力的),那么这些原理或数据就称为“半经验的”。

1.其他解释

第一性原理,是一个计算物理或计算化学专业名词。广义的第一性原理计算指的是一切基于量子力学原理的计算。

我们知道,物质由分子组成,分子由原子组成,原子由原子核和电子组成。量子力学计算就是根据原子核和电子的相互作用原理去计算分子结构和分子能量(或离子)然后就能计算物质的各种性质

从头算(ab initio是狭义的第一性原理计算,它是指不使用经验参数,只用电子质量,光速,质子中子质量等少数实验数据去做量子计算。但这个计算很慢,所以就加入一些经验参数,可以大大加快计算速度,当然也会不可避免的牺牲计算结果精度。

那为什么使用“第一性原理”这个字眼呢?据说这是来源于“第一推动力”这个宗教词汇。第一推动力是牛顿创立的,因为牛顿第一定律说明了物质在不受外力的作用下保持静止或匀速直线运动。如果宇宙诞生之初,万事万物应该是静止的,后来却都在运动,是怎么动起来的呢?牛顿选择相信这是由于上帝推了一把。现代科学认为宇宙起源于大爆炸,那么大爆炸也是有原因的吧。所有这些说不清的东西,都归结为宇宙“第一推动力”问题,它可能由某种原理决定,这个原理可以称为“第一原理”。爱因斯坦晚年致力于“大统一场理论”研究,也是希望找到统概一切物理定律的“第一原理”,可惜这是当时科学水平所不能及的。现在也远没有答案。

但为什么称量子力学计算第一性原理计算呢?大概是因为,这种计算能从根本上计算出来分子结构和物质的性质,这样的理论很接近于反映宇宙本质的原理,就称为第一性原理了。

广义的第一原理包括两大类,以Hartree-Fock自洽场计算为基础的ab initio从头算,和密度泛函理论(DFT)计算。也有人主张,ab initio专指从头算,而第一性原理和所谓量子化学计算特指密度泛函理论计算。

2.补充解释

第一性原理是从头计算,不需要任何参数,只需要一些基本的物理常量,就可以得到体系基态的基本性质的原理。




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