Моделирование атомов и молекул
При рассмотрении электрона нужно понимать, что электрон, как физический объект, является специфическим объектом – он эмпирически непосредственно ненаблюдаем, а его внутренности попросту недоступны для наблюдения. Соответственно эмпирические (экспериментальные) методы познания для него не работают. В условиях ненаблюдаемости явлений эксперимент попросту невозможен и поэтому бессмысленно на эксперимент рассчитывать. Ненаблюдаемые явления невозможно измерить, а без измерений бессмысленно экспериментировать.
К тому же эксперимент это искусственное, то есть специально подстроенное осуществление некоего явления природы, а для микромира искусственная подстройка невозможна. Невозможно создать искусственный электрон или его часть, свойство или параметр. Таким образом, применительно к явлениям микромира принципиально невозможно не только наблюдать, измерять, но и невозможно специально подстроить исследуемые явления.
Тем не менее, для таких явлений природы методы познания все же есть. Методология науки предлагает использовать теоретические методы познания – выдвижение гипотез и мысленная их проверка на непротиворечивость между собой и со всем набором наблюдаемых данных и известных закономерностей. Собственно, разработка теории в этих случаях и заключается в согласовании поведения гипотетических объектов и явлений с известными наблюдаемыми данными и закономерностями. При этом выявление и устранение противоречия может быть осуществлено только рассуждениями и выдвижением других гипотез. В оценке противоречивости или непротиворечивости положений научных теорий именно рассуждения и их логичность становятся основным инструментом и критерием правильности рассматриваемых научных положений. В условиях эмпирической ненаблюдаемости явлений реальности логичность рассуждений становится единственным способом получения этой оценки.
Тем не менее, сторонники существующей квантовой химии уверяют, что все положения квантовой химии многократно проверены на многочисленных экспериментах и компьютерным моделированием. По их мнению, все теоретические расчеты и результаты экспериментов сходятся, что подтверждает правильность существующей теории. А сам факт правильности существующей теории позволяет без рассмотрения отбрасывать всю критику и альтернативы существующей теории.
Однако утверждения химиков, что все их утверждения проверены экспериментально, что все расчеты поведения атомов подтверждаются моделями и экспериментами - не соответствуют действительности. Реальные физические процессы в рамках реального эксперимента происходят с реальными электронами, протонами и атомами, а вовсе не с орбиталями и прочими теоретическими представлениями химиков об объектах микромира. Все экспериментальные проверки «проверяют» реально происходящие явления, а вовсе не представления теоретиков о них.
А проверять-то надо именно представления теоретиков, а вовсе не реальные объекты. Представления теоретиков можно проверить на компьютерных моделях или мысленным моделированием. Именно компьютерные модели наиболее строго и полноценно (по сравнению с мысленным моделированием) воспроизводят проверяемые гипотезы. Однако в компьютерной модели реализуется другая крайность, в ней отсутствуют реальные объекты, в ней взаимодействуют между собой только гипотетические модели всех объектов, модели их свойств и модели взаимодействий.
В экспериментах участвуют только реальные объекты и процессы, а при моделировании – только компьютерные модели объектов и процессов с ними. В принципе возможно и смешение этих подходов, но тогда нужно четко указать, что часть процессов происходит в реальности, а часть моделируется в компьютере, тогда между этими этапами составляется протокол взаимодействия с указанием всех аспектов сопряжения. Такое моделирование именуется полунатурным и может выполняться в реальном времени. Однако с ненаблюдаемыми эмпирическими объектами даже такое невозможно.
Это означает, что для того, чтобы признать теоретические представления химиков об объектах микромира правильными, они должны для каждого этапа моделирования подробно изложить, какие именно представления они вкладывают (вводят) в компьютер, какие данные поступают от реальных систем при моделировании в реальном масштабе времени, какими процедурами обрабатывают поступающие в программу данные, и какие результаты получают в результате обработки данных. Однако эти данные и процедуры современными химиками, наоборот, скрываются модельерами и никакие алгоритмы программ моделирования не раскрываются, при этом голословно заявляется, что все гипотезы подтверждаются.
Задача, как подтвердить гипотезы моделированием, осложняется спецификой микромира – в нем большинство объектов и процессов являются ненаблюдаемыми, что переводит саму задачу к классу обратных задач. Компьютер решать обратные задачи не умеет совсем, он может решать только прямые задачи. По определению «обратная задача — это тип задач, часто возникающий во многих разделах науки, когда значения параметров модели должны быть получены из наблюдаемых данных».
Для компьютеров параметрами проверяемой модели становятся алгоритмы и программы, по которым осуществляются вычисления. Компьютер все операции осуществляет по схеме:
«Входные данные – Обработка – Выходные данные».
Это в чистом виде прямая задача, в ней входные данные и способ их обработки известны, а выходные данные – не известны. «Обработка» вычисляет «выходные данные» и они становятся известными.
В обратной задаче известным являются выходные данные, они определяются в эксперименте либо из решения других задач. Входные данные, способ обработки, или то и другое являются неизвестными. Деление задач на прямые и обратные, в сущности, производится по тому, что является известным, а что не известным. Правда в математике существует еще деление на прямые и обратные функции. В отличие от обратных задач в обратных функциях всего лишь меняются местами аргумент и функция, например, sin и arcsin, логарифм и показательная функция и т.д.
Применительно к явлениям микромира неизвестными являются входные данные, а главное - способы их обработки. В общем случае (не обязательно математическом) неизвестным является «что происходит» там, где невозможно подсмотреть эмпирически, экспериментально. И это касается не только микромира. Что происходит глубоко внутри Земли, мозгу, внутри электрона, фотона и т.д. В случае моделирования на компьютере «способ обработки» это и есть программа, которую составляет программист. А как он ее может составить, если этот способ как раз и неизвестен, он и есть искомое, он есть то, что нужно найти в рамках решения обратной задачи? - Только подбором, только из своих или чьих-то представлений о моделируемых процессах. То же с входными данными. Либо это известные из других исследований данные, либо тоже их придется задавать путем подбора или из своих представлений о них.
В целом, применяемая программистами схема «Вход – Обработка – Выход», называемая HIPO-диаграмма [Hierarchical input process output (HIPO)], вполне адекватно характеризует суть процессов, происходящих в компьютере. И не только в компьютере. По такой же схеме происходят вычисления по математическим соотношениям, по такой же схеме происходят вычисления и осуществляются суждения в мышлении. Суть у них одна. Входная информация – обработка (осмысление) – выходная информация (результаты осмысления). Разными являются лишь языки представления данных, осуществитель обработки и способы их обработки. Мышление оперирует вербальными понятиями, компьютерная система – понятиями на языке программирования. Математические соотношения задаются специальными операторами, знаками. Однако нужно учитывать, что математические модели не являются самодостаточными, для них требуется еще и исполнитель математических знаков, операндов и операторов, а это опять - либо мозг человека, либо компьютер со специальными программами. Для математических соотношений нужен не только интерпретатор знаков, но еще и осуществитель действий и операций, которые предусматриваются каждым знаком математического соотношения, а также собственно сама процедура осуществления вычислений.
В этом отношении математические соотношения сами по себе являются неполноценными. В математических соотношениях каждый знак требует дополнительной интерпретации – специального знания, что этот знак или оператор означает. Просто написанная математическая или физическая формула на языке знаков еще ничего не означает. Написанная формула есть простой набор закорючек. Нужен интерпретатор знака и нужен осуществитель операции, т.е. нужны мозг и знания, либо компьютер и программа. При этом компьютер не способен решать обратные задачи. Не способен придумывать себе программы, которые и являются решением обратной задачи. Тем не менее, мысленное моделирование и компьютерное моделирование являются родственными процессами, воспроизводящими поведение реальных объектов путем осуществления заложенных в программу гипотез. Именно поведение гипотетических объектов в компьютере становится описанием поведения образов предполагаемых реальных объектов микромира.
Алгоритм работы программы, моделирующей явления микромира, становится искомой теорией описываемого явления микромира.
Именно алгоритм работы программы призван описывать то, что происходит в моделируемой молекуле, кристалле или другом объекте – кто с кем взаимодействует, каким образом происходят преобразования и что получается в результате, какие перемещения происходят, в чем источник перемещений и процессов и т.д. Ответы на эти вопросы собственно и составляют суть теории микромира. Но именно эту информацию модельеры особо на афишируют.
Что же происходит в процессе современного реального компьютерного моделирования молекул?
Проведенный обзор методов моделирования молекул, которые применяются в настоящее время, показывает, что минимальным моделируемым объектом (единицей моделирования) является атом. Меньше, то есть моделировать на уровне электронов, увы, не получается. А это означает, что гипотезы строения атомов и электронов в современные компьютерные модели попросту не попадают.
«Общей чертой методов молекулярной механики (ММ) является атомистический уровень описания молекулярных систем — наименьшими частицами являются атомы или небольшие группы атомов. В этом состоит отличие ММ от квантовой химии, где в явном виде учитываются и электроны.»
/Компьютерное моделирование макромолекулярных объектов и биологических систем: метод. указания / сост. Д. А. Базлов, А. В. Цивов; Яросл. гос. ун-т им. П. Г. Демидова. — Ярославль : ЯрГУ, 2013. Стр. 33.
http://www.lib.uniyar.ac.ru/edocs/iuni/20130306.pdf /
Данные о трехмерной структуре вещества получают из экспериментальных данных ядерно-магнитного резонанса или рентген-кристаллографии. После обработки экспериментальных данных представление о трехмерной структуре записывается в специальную базу данных. /Там же С.34/
Реальные многоатомные системы содержат большое количество взаимодействующих электронов, а для таких систем не существует аналитического решения уравнений, и, по всей видимости, оно не будет найдено и в дальнейшем. С.39
Атомы (ядра с электронами) представляются точечными массами с соответствующими зарядами. / там же С.35/
На сайте биофака МГУ
https://kodomo.fbb.msu.ru/wiki/Main/RSA процедура моделирования описана достаточно подробно:
«Электронная плотность
Определение функции электронной плотности, единицы измерения
Как известно, молекулы состоят из атомов, а атомы — из ядер и электронов. Если ядра можно рассматривать как точки, в которых сосредоточены масса и положительный заряд, то электроны "размазаны" по объёму молекулы. Поскольку рентгеновские лучи рассеиваются прежде всего именно на электронах, для рентгеноструктурного анализа важным является распределение электронной плотности внутри молекулы.
Электронная плотность — это функция, определённая на трёхмерном пространстве и принимающая положительные значения. Физическая размерность значений электронной плотности — количество электронов на единицу объёма; наиболее удобная единица измерения — заряд на квадратный ангстрем. По определению, значение электронной плотности в данной точке пространства равно заряду, приходящемуся на достаточно малую окрестность этой точки, делённому на объём этой окрестности (более точное определение — предел отношения заряда в окрестности к объему окрестности, при стремлении объёма к нулю).
Как задается электронная плотность в компьютере?
Просто большой таблицей: область пространства, включающая молекулу, покрывается достаточно густой "сетью" (решёткой) точек, и для каждой точки решётки указывается значение функции в ней.
Как рассчитать функцию электронной плотности по модели из PDB-файла
Модель макромолекулы в PDB задаётся координатами центров (ядер) атомов. Функция электронной плотности молекулы рассчитывается как сумма электронных плотностей отдельных атомов.
Оказывается, что достаточно хорошей точности описания электронной плотности молекулы можно достичь, считая электронную плотность каждого атома центрально симметричной (то есть зависящей только от расстояния до центра атома). Что касается вида зависимости плотности от расстояния до центра, то она была подобрана для каждого типа атома (углерода, азота, кислорода, серы и т.д.) эмпирически. Как выяснилось, для практических целей можно использовать так называемое пятигауссово приближение. Функция электронной плотности каждого атома представляется как сумма пяти центрально симметричных гауссовых функций с неотрицательными коэффициентами. Каждая такая функция при заданном максимуме (совпадающем с центром атома) задаётся одним параметром; таким образом, нужно было подобрать десять параметров (пять параметров гауссовых функций и столько же коэффициентов) так, чтобы получившаяся линейная комбинация более всего походила на экспериментально определённую электронную плотность данного атома.»
Столь подробное цитирование источников, описывающих процедуру моделирования молекулярных процессов, произведено по простой причине - неожиданности (для анализа существующей орбитально-вероятностной концепции) содержания: Орбитальная вероятностная концепция - в моделирование попросту не попадает!
На что следует обратить внимание в этих описаниях:
- при задании данных для моделирования молекул происходит полный отказ от использования уравнения Шредингера или волновой функции. Моделируется сразу атом, а не электроны или орбитали.
- антропоморфный параметр в виде плотности вероятности заменяется на объемную плотность заряда – вполне физический параметр.
- модель атома задается в виде фиксированной таблицы распределения значений объемной плотности электрического заряда в пространстве. Особо подчеркиваю, что распределения в пространстве, а не по уровням энергии.
- Из фиксированности значений плотности заряда и их фиксированной привязке к местоположению в атоме следует, что электроны вовсе не перемещаются по пространству атома, а находятся в атомах каждый на своем месте.
- для каждого атома создается своя уникальная таблица распределения значений плотности заряда в пространстве. Эта таблица формируется в другом моделировании путем подбора значений.
Общий вывод заключается в том, что орбитальная концепция электрона, получаемая теоретиками квантовой химии из уравнения Шредингера, практиками моделирования сложных молекул вообще не упоминается и не участвует в моделировании. Для того, чтобы перейти к моделированию атомов на уровне электронов, оказывается, нужно дополнительно применять квантово-механические методы, однако этот метод по общему признанию не имеет аналитического решения, поэтому неприменим в процессе моделирования. Как отмечает ведущий в стране специалист по молекулярному моделированию Цирельсон В.Г. (Цирельсон В. Г. Квантовая химия. Молекулы, молекулярные системы и твердые тела), моделирование электронов упирается в отсутствие аналитического решения уравнения Шредингера для многоэлектронных атомов. Формат уравнения просто не позволяет описать множество электронов. А попытки описать многоэлектронные атомы путем многократного наложения решений уравнения для одноэлектронных атомов, наталкиваются на то, что уравнение Шредингера рассчитано на центрально-радиальное распределение поля ядра. Наложение решений уравнения для одноэлектронного атома на тот же атом приводит к тому, что для всех последующих электронов, после первого, поле ядра и атома перестают иметь центрально-радиальный характер, в результате чего само уравнение Шредингера, предложенное для одноэлектронных атомов, просто перестает работать.
Однако главный сюрприз (для апологетов орбитальной концепции, в том числе и для Цирельсона В.Г.) заключается в том, что решение уравнения Шредингера неверно даже для одноэлектронного атома водорода. Решение волновой функции Шредингера для одноэлектронного атома водорода дает результат в виде s-орбитали. Результат решения уравнения обычно иллюстрируется рисунком, например:
Атом водорода представляет собой совокупность протона, электрона и орбитали. Протон в центре, орбиталь вокруг протона, а точечный электрон неведомым образом мечется по орбитали вокруг протона. При такой конструкции атома водорода протон оказывается внутри электрона. Это является абсурдом, но убрать протон из электрона концептуально невозможно, поскольку его поле изначально включено в уравнение Шредингера и удаление протона из центра вместе с его центрально радиальным полем приведет к крушению всей квантово-механической концепции электрона. Если вокруг протона еще можно скомпоновать и удержать облакоподобный электрон, то без положительно заряженного протона удерживать части заряда электрона уже вообще некому. Облакоподобные заряды электрона без протона в центре разлетятся по всему пространству вселенной.
Невозможно и оставить протон внутри электрона – это противоречит химическим свойствам атомарного водорода. Электрон, распыленный вокруг протона, становится экраном, отделяющим атом водорода от внешнего мира. Такой атом водорода должен бы быть крайне инертным к химическим реакциям. Но этого на практике нет. Атомарный водород является наиболее химически активным элементом. Из этого можно сделать вывод, что модель атома водорода, состоящая из электрона, внутри которого находится протон – принципиально неверна. Электрон и протон являются разными частицами и одна частица не может находится внутри другой. Но такое положение следует вовсе не из ошибки рисунка, а из ошибки самого уравнения и концепции Шредингера, из его структуры. В нем электрон изначально находится в поле ядра. Другого уравнения в квантово-механической модели электрона нет и другого решения имеющегося уравнения Шредингера получить невозможно, а полученное не годится.
Отсюда следует простой вывод, что уравнения частиц должны быть индивидуальными – отдельно для электрона и отдельно для протона. Но таких уравнений в квантовой физике не придумали и не собираются их создавать. Описать только электрон (свободный электрон) существующая квантовая теория вообще не в состоянии. Без протона просто некому связывать распыленный по пространству электрический заряд электрона. И это не простая проблема. Например, для связывания между собой одноименно заряженные протоны в ядре атома теоретики придумали специальное «сильное взаимодействие», а для связывания распыленного заряда электрона ничего не придумали, такую задачу теоретики даже не поставили. Именно поэтому существующее уравнение Шредингера способно описывать лишь некую совместную систему из электрона и протона. Предложена одна волновая функция сразу на две частицы. В этой электрон-протонной системе протон не только удерживает возле себя целостный электрон, но и сцепляет между собой части заряда распыленного электрона. Однако решение одного уравнения, рассчитанного на две частицы, дает неверный. По этому решению получается, что одна частица (протон) оказывается внутри другой частицы (электрона), а для свободного электрона вообще никакого уравнения нет и нечего решать. А если рассматривать решение придуманного уравнения Шредингера как целый атом водорода, то его свойство (химическая активность) не соответствует реальной активности атомарного водорода. Это полный крах уравнения Шредингера и всей орбитально-вероятностной концепции.
Таким образом, уравнение Шредингера не работает даже для одноэлектронного атома и тем более не работает для свободного электрона и многоэлектронных атомов. И это уже не исправить никакими наложениями и поправочными коэффициентами. Это полный крах орбитально-вероятностной концепции строения атомов и электронов. Электрон, даже составленный из плотности электрического заряда, как это делают модельеры, должен распадаться в силу закона Кулона. А в реальности электрон не распадается, в реальности электрон устроен так, что устойчиво существует в любом виде – хоть в свободном, хоть одноэлектронном атоме, хоть в многоэлектронном атоме. И это строение предложено в разделе этой статьи - «Электромагнитное строение электрона».
