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.Come è possibile che nel 2K17 non sappiamo ancora associare una molecola, di cui é nota la struttura chimica, al suo determinato effetto macroscopico? Esempio stupido, saper riconoscere se una molecola è cancerogena o no sapendo solo come è fatta.
Cioè, io sintetizzo una molecola nuova e non posso sapere cosa fa solo con la teoria, ma devo rivolgermi a un computer che fa tutti i suoi calcoli e la confronta con un database di molecole simili per capire cosa potrebbe fare, ottenendo comunque un'indicazione a grandi linee, perché in realtà non so lo stesso cosa fa davvero una molecola finché non faccio esperimenti facendola reagire con robe, e vedendo quale effetto ha.
Questa imprevedibilità è dovuta alla scarsa conoscenza dei numerosi meccanismi che regolano il funzionamento il corpo umano? O alla scarsa conoscenza dei meccanismi di reazione? O, piú probabilmente, a entrambe: non sappiamo alla perfezione il funzionamento del corpo umano e non sempre le molecole reagiscono come ci aspettiamo.
Ma non sappiamo dalla teoria neppure come si comportano le molecole quando reagiscono tra di loro, ad esempio non abbiamo informazioni certe sui meccanismi di reazione e in particolare sugli stati di transizione (specie corrispondenti ai "momenti della reazione" dove l'energia è massima), ma possiamo solo avere informazioni a grandi linee, sempre con i calcolatori, che spesso lavorano "a tentativi", inserendo valori a caso e vedendo quale funziona meglio.
Eppure le molecole sono funzioni d'onda, quindi in teoria dovremmo sapere tutto di loro, ma quello che mi chiedo è: non è colpa delle troppe approssimazioni fatte per riuscire a modellizzarle (es. ricondurre molecole non idrogenoidi a idrogenoidi, cioè con un solo elettrone) che non riusciamo a predire esattamente l'effetto di una molecola? Gli strumenti della meccanica quantistica hanno bisogno di troppe aprossimazioni per funzionare? Abbiamo bisogno di una nuova fisica?
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(Soprattutto mi rivolgo ai "vecchi" del forum tipo gf, che sa sempre tutto)
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Le uniche Hamiltoniane risolubili perfettamente a quanto ne so io sono l'oscillatore armonico e l'atomo di idrogeno: al di fuori di queste si deve per forza usare la teoria perturbativa che dà una correzione più o meno accurata ai livelli di energia e agli autostati dell'Hamiltoniana. . -
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Dai mono einstein rivoluziona la fisicaaaa . -
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Quello che sollevi è un punto a mio parere estremamente pertinente. La versione tl;dr è che la domanda che poni all'inizio, quella di capire l'effetto macroscopico di qualcosa in base alla sua struttura microscopica, è una domanda di una complessità spaventosa. Di sistemi fisici analiticamente risolubili (entro i confini del modello stesso, chiaramente) ce ne sono veramente pochi rispetto a tutti i casi considerati e, soprattutto, rispetto ai casi di interesse.
Tipicamente i fenomeni si organizzano per scale. La roba microscopica influenza la roba un po' meno microscopica, e così via fino a raggiungere il macroscopico (qualunque cosa significhi 'macro' in questo contesto, ad un certo punto uno guarda la scala di interesse per un dato fenomeno). Abbiamo imparato che in genere le scale estremamente piccole e le scale estremamente grandi godono di particolare semplicità descrittiva, almeno per quanto riguarda i modelli che usiamo per descriverli: il modello standard della fisica delle particelle ha una ventina di oggetti fondamentali in gioco, mentre il modello standard della cosmologia ha una decina scarsa di parametri che determinano qualunque predizione. Il 'miracolo' della meccanica statistica è che i fenomeni macroscopici emergono in modo fantastico dalle complessità di un aggregato di tanti oggetti microscopici. Ciò che sto cercando di descrivere brevemente qui è la filosofia alla base della rinormalizzazione, che è essenzialmente un motivo cruciale per cui riusciamo a fare scienza: per calcolare il tempo di caduta di un sasso per terra, con precisione molto alta, non mi è particolarmente utile avere una teoria di gravità quantistica le cui correzioni influenzerebbero una cifra decimale molto, molto oltre il limite della precisione sperimentale.
Le molecole fanno parte di un insieme molto sfortunato di sistemi 'mesoscopici' nei quali il numero di costituenti che entrano nella nostra descrizione (che, in termini della meccanica quantistica di elettroni e ioni interagenti, ci aspettiamo sia molto accurata a meno di casi eccezionali) è troppo alto per essere un sistema facilmente trattabile con metodi numerici, e troppo basso per applicare in modo attendibile metodi statistici. Per trattare certi sistemi tipicamente si usano due approcci:
- metodi variazionali, che in un modo o nell'altro fanno uso dell'intuizione fisica che abbiamo di questi sistemi. Restringere il campo di investigazione per lo stato fondamentale di un atomo a stati non troppo dissimili da tanti orbitali idrogenoidi è un passo in avanti sostanziale rispetto a una descrizione in termini di onde piane, e facilita notevolmente il lavoro numerico di ottimizzazione. Metodi post-Hartree Fock e metodi basati sulla density functional theory o dynamical mean field theory sono fondati su una comprensione di cosa domina la fisica del sistema che, in qualche modo, mostra da parte nostra un'intuizione che permette di sfondare almeno in parte la barriera dell'assenza di risultati esatti o accurati in altri schemi di approssimazione. Quando sono applicabili in tempi di calcolo umani queste tecniche funzionano molto bene.
- modelli fenomenologici, che mettono da parte l'ambizione di una descrizione "ab-initio" con tutti i dettagli rilevanti del sistema: qui l'idea è di buttare giù modelli più semplici che funzionino bene, motivandoli non necessariamente con dei principi primi e passaggi rigorosi in mezzo, ma magari con una buona dose di intuizione fisica e, possibilmente, input sperimentale. Ironicamente, a volte succede che tali modelli vengano successivamente ricavati tramite "principi primi" grazie a tecniche sulla falsariga della rinormalizzazione di cui ho parlato prima, in opportuni regimi limite di interesse.
L'onnipresenza di schemi di approssimazione nella scienza è da un lato una maledizione che ci impedisce di fare progressi più rapidamente. E ci troviamo tristemente a delle scale in cui pare che la natura sia dominata da fenomeni incredibilmente complessi. Però personalmente penso che dall'altro lato della medaglia la necessità di trovare metodi approssimati che funzionino porti ad una comprensione intuitiva maggiore di quella che avremmo altrimenti. Pensa se potessimo risolvere esattamente qualunque sistema. Pensa se potessimo risolvere esattamente il modello standard o una putativa teoria del tutto, calcolando qualunque quantità osservabile, qualunque probabilità di un esito di qualunque misura. Come faremmo a scoprire l'esistenza, per dirne una, dell'atomo di idrogeno come stato incredibilmente complesso di un sistema microscopico del genere? Senza sapere già che c'è potrebbe essere complicato pensare di andarlo a cercare. Avere il potere assoluto di calcolare ogni cosa potrebbe portare a non sapere cosa calcolare, mentre passare anni di lavoro a cercare di trovare approssimazioni più accurate per la conducibilità di un materiale porta in genere a capire tanti piccoli dettagli sulla fisica di elettroni fortemente interagenti. Per dirne una.. -
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Be' certo, pur potendo calcolare ogni cosa, non partire mai da un'osservazione ti porterebbe ad avere tutto e niente, ma questo è un po' astratto secondo me, perché prima abbiamo miliardi di modelli da "disapprossimare", e cmq non sarei per niente triste di sapere ogni cosa alla perfezione riguardo "solo" quello di cui riusciamo a trovare una corrispondenza "concreta".
Il fatto che gli effetti di specifiche molecole (sulla scala di grandezza della vita di tutti i giorni, giusto per essere specifici) sia un terno al lotto è una cosa che mi triggera tantissimo, è qualcosa che rende la ricerca quasi una partita a dadi, pur conoscendo in teoria quello che andiamo a sintetizzare, quindi dadi un po' truccati ma sempre dadi. E che mi sta facendo rivalutare in negativo il lavoro (che avrei voluto fare) del ricercatore.. -
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se i problemi della ricerca scientifica non fossero così difficili sarebbe una pacchia, eh? La ricerca è in parte una partita a dadi, non sai quasi mai in anticipo se quello che cerchi di fare porterà da qualche parte o no, e se questo avvenga in tempi ragionevoli. Se uno vuole mettersi a fare ricerca per bene bisogna dedicarsi con passione e "godersi il viaggio", sperando di finire in un ambiente accademico sano che non ti tratta come una macchina da pubblicazioni. . -
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puoi predire milioni di proprietà dei materiali macroscopici -- leghe, soluzioni, quello che vuoi. il trucco è semplicemente avere un "pacchetto" statisticamente significativo di molecole. di predire le proprietà dei materiali a partire dalle molecole è il campo di interesse della fisica della materia, quella materia di intersezione tra la chimica e la fisica in cui sono impiegati la maggior parte dei fisici oggi, ed i chimici fisici.
no le approssimazioni che si fanno in fisica ed in chimica non c'entrano con quello che chiedi tu. la chimica stessa è un'approssimazione, se vuoi. così come lo è ogni campo della fisica. inevitabilmente, per avere risultati, ignori tutto un contesto, ma le approssimazioni che si fanno sono "garantite", nel senso che quando trascuri un qualche cosa lo trascuri perché sai che è poco significativo.
e anzi il fatto che di alcune proprietà non possiamo sapere nulla a livello macroscopico è proprio dovuto al fatto che non possiamo "approssimare oltre". se potessimo approssimare a sufficienza le proprietà delle molecole e dei sistemi di molecole, questi risulterebbero esplorabili al calcolatore (quel ramo che probabilmente conosci come chimica computazionale). se da una parte l'eccesso di semplificazione rischierebbe di far perdere traccia di proprietà microscopiche fondamentali per capire i comportamenti macroscopici, un livello di complessità troppo alto non permette alla macchina di portare a termine il lavoro di computazione.
ciò detto, alcuni sistemi sono intrinsecamente troppo complessi. pensa ad una cellula vivente; non è per niente simile ad uno dei materiali trattati dalla meccanica statistica, perché una cellula non è una struttura formata da chissà quanti milioni di molecole identiche, è piuttosto una struttura formata da chissà quanti milioni di... magari quattro o cinque molecole uniche, ma che svolgono una funzione indispensabile! ciò detto la meccanica statistica ha ottenuto buoni risultati in biofisica, ma la comprensione è sempre limitata a certi aspetti particolari.
predire parametri chimico-fisici delle strutture macroscopiche è un conto. predire le proprietà biologiche tutto un altro paio di maniche! una cellula è da sola una struttura impossibilmente complicata. figurati un intero organismo, costituito da 10^12 cellule! tanto più che ci sono crescenti livelli di complessità che rendono impossibile inferire sugli effetti per un organismo di un composto che magari sappiamo che ha un certo effetto su una cellula: perché in un organismo le cellule sono organizzate in strutture, i tessuti, hanno reti di comunicazione, meccanismi di autodistruzione... quindi, chessò, un composto che scopri essere citotossico per una singola cellula non è un cancerogeno in vivo, ma piuttosto un segnale di comunicazione nel contesto di tutto un tessuto (una cellula può morire per il suo effetto, ma tutte le altre si riorganizzano e producono una risposta). insomma, per fare predizioni sulla cancerogeneità ti servono tutta una serie di informazioni che non puoi assolutamente calcolare con nessun processore di questa epoca o della prossima, che derivano dai tuoi studi sulla citochimica dell'organismo bersaglio, da studi sulla sua istologia (i tessuti) e fisiologia (come questa molecola pentra nell'organismo, come viene distribuita, può passare la barriera emato-encefalica? etc). ti servono poi modelli di cancerogeneità in quell'organismo, anche questo un mondo di complessità in cui sopravvivono molto poche certezze. e il ruolo della chimica computazionale come predittore? be' questo sta a monte della citologia: probabilmente se hai un modello ragionevole della tua cellula di interesse, dei suoi recettori (e in generale di tutte le sue molecole), il calcolatore può darti, usando delle approssimazioni ragionevoli per trattare sistemi di moltissimi atomi come le molecole biologiche (per esempio, i legami chimici vengono approssimati a molle e si usa la meccanica classica perché il computer non sarebbe in grado di risolvere i calcoli quantistici), la costante di legame tra un recettore della tua cellula di interesse e la molecola per cui sei interessato a fare una predizione, oltre a possibili predizioni sul cambio di conformazione del recettore in questione etc. da qui cominci a integrare tutto ciò che sai di citochimica, quindi l'istologia, e successivamente la fisiologia.
i metodi che ti ho descritto sopra si chiamano ab initio. sono spesso al centro di studi molto costosi, ma forniscono generalmente buoni/ottimi risultati. non sono sempre applicabili; c'è un limite di complessità, e soprattutto un limite ai fondi che possono essere stanziati per la ricerca. una classe differente di metodi è quella a cui invece facevi riferimento tu, in cui le proprietà complesse, quali quelle biologiche, sono essenzialmente estrapolate da classi di affinità, utilizzando svariate tecniche di statistica. forniscono risultati che di solito si usano per direzionare la ricerca sperimentale; chiaramente il livello di semplificazione rispetto ai calcoli eseguiti ab initio è enorme, e sono i metodi che si usano quando si devono screenare liste massicce di molecole per la loro potenziale pericolosità. se tu sei un ricercatore che lavora con una sola molecola più probabilmente puoi però permetterti i costi di una ricerca più approfondita. devi però anche capire che in commercio entrano ogni anno decine di migliaia di nuove molecole, ed è impensabile fare uno screening del primo tipo per ciascuna di esse.. -
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g_f, non sono del tutto d'accordo quando dici CITAZIONEle approssimazioni che si fanno sono "garantite", nel senso che quando trascuri un qualche cosa lo trascuri perché sai che è poco significativo.
Perché, ti faccio un altro esempio, in una reazione A+B=C, se noi conosciamo "tutto" dalla teoria sia di A sia di B (reagenti) sia di C (prodotti), come è possibile che non conosciamo anche tutto del meccanismo di reazione, quando c'è piú di una via possibile? È per questo, e tante altre cose, che dico che approssimiamo troppo pure quello che dovremmo conoscere bene, e non riusciamo per questo a predire il risultato di reazioni con reagenti un minimo complessi (ma comunque noti) senza farle direttamente.
Unito al fatto che, come hai detto tu, al momento ci è impossibile sapere tutto di come funziona il corpo umano, ma questo, mi auguro, è solo questione di tempo.
Quello a cui penso è che forse le approssimazioni eccessive provengono da un sistema di modellizzazione di atomi/molecole intrinsecamente "sbagliato", e quindi ci serve una "nuova fisica".
Ma comunque è solo una riflessione, perché non saprei come ovviare al problema
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eh ma, di nuovo, il problema non sta nella fisica. xd il problema sta nella potenza dei metodi computazionali che abbiamo a disposizione. come ti accennavo sopra, i computer che si usano per fare questo tipo di calcoli, tra le altre cose, approssimano [e questa sì è un'approssimazione estrema, ma la si compie in virtù del fatto che il sistema non è risolubile esattamente] i sistemi di atomi a sistemi classici -- il legame chimico è trattato come una molla newtoniana. che è chiaramente sbagliato per oggetti microscopici, che seguono le leggi della meccanica quantistica. se esistesse/fosse possibile un computer quantistico, questo potrebbe risolvere esattamente il tuo sistema; ma il limite è il potere computazionale, non la teoria a monte . -
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gf secondo te un eventuale computer quantistico con sufficiente potenza di calcolo potrebbe simulare un sistema fisico quantistico in maniera valida? e la scala delle simulazioni quanto potrebbe essere vasta ? particelle? atomi? molecole? e un eventuale "algoritmo" in cosa consisterebbe?
secondo te, ragionando in termini pratici, arriverà mai il giorno in cui saremo in grado di fare ciò, o vedi più i QC come aggeggi in grado di abbassare la complessità computazionale di alcuni specifici problemi già formulati? (ricerca/sorting, fattorizzazione in numeri primi ECC)
cosa ne pensi al riguardo
ps: perché non mi rispondi su arctic bay ciccione
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non apro ab da una vita e mezza cmq bisognerebbe chiedere a SIMMONS che ci ha tipo fatto una tesi magistrale sull'informazione quantistica 
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Ma il legame chimico non era approssimato usando il potenziale di Morse? . -
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Secondo me seimur non sa neanche cos'è una giunzione josephson ihihihiiiii
monoluce anche io sapevo così, gf avrà detto che il legame viene modellizzato come una molla per far capire anche agli ingegneri presenti CREDO. -
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Non ho capito lo stesso. . -
.Secondo me seimur non sa neanche cos'è una giunzione josephson ihihihiiiii
monoluce anche io sapevo così, gf avrà detto che il legame viene modellizzato come una molla per far capire anche agli ingegneri presenti CREDO
in tutte le applicazioni importanti alle macromolecole che si fanno nelle università e che ho presente (drug design -- che spesso significa sviluppare nuovi metodi per cristallizzare le proteine, predizione del rischio ambientale, predizioni dei cambi di conformazione delle proteine per la ricerca di base / la medicina / usi industriali, predizioni sul folding...) si usa letteralmente la meccanica newtoniana per modellizzare il legame chimico. le molecole di cui sto parlando io e che hanno una rilevanza per la biologia, per la progettazione di farmaci, per gli studi clinici o per l'industria sono formate da un numero di atomi dell'ordine del 10^4, e il numero di legami atomici al loro interno dovrebbe quindi essere dello stesso ordine di grandezza.
poi per esempio la stragrande maggioranza di queste molecole assumono la loro conformazione operativa e svolgono la loro azione in ambiente acquoso, ma al calcolatore non si programmano tutte le molecole d'acqua che circondano la molecola -- solo quelle adese alla superficie, e il campo elettrico viene modellizzato al computer come una proprietà generale uniforme del background in un modo che non ricordo bene, perché questi ricordi sono lontani nella mia memoria xd per un periodo però ci ho anche lavorato con queste cose (al tirocinio della triennale).
ci sono un sacco di trucchi di questo tipo che ti spiega chi lavora in questo campo, ricordo che anche ad un corso della magistrale di fisica che avevo seguito un paio d'anni fa il professore aveva accennato a qualcosa di attinente che però ora non ricordo.
comunque sì, al calcolatore si lavora in moltissimi casi con livelli di approssimazione molto "grezza" nel caso delle macromolecole, ma lo si fa perché i risultati sono comunque dei predittori molto buoni. infatti ci sono dei gruppi di ricerca enormi in tutto il mondo che impegnano i server delle università in attività di questo tipo. il limite delle nostre predizioni sta davvero nelle macchine che abbiamo a disposizione, non nella teoria quantistica..
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