PoŸ¡taŸov  simulace
Co se stane pýi sr §ce Ÿernìch dØr? Nen¡-li mo§n‚ prov‚st pokus, sahaj¡ vØdci k poŸ¡taŸov‚ simulaci. Dosud nepýekonateln‚ hranice padaj¡ a otev¡raj¡ se nov‚ oblasti vØdØn¡. U§itek z toho vçak maj¡ i pýedmØty denn¡ potýeby.

Cesty do nezn ma

"Bez poŸ¡taŸov‚ simulace bychom nikdy nedok zali zkonstruovat inkoustovou tisk rnu," pýizn v  Ross R. Allen, vedouc¡ projektu a nestor vìzkumn¡k… z laboratoý¡ spoleŸnosti Hewlett-Packard v Palo Altu. Na ot zku, zda by tentì§ £kol nesplnily prototypy, zam¡tavØ krout¡ hlavou: "To se uk zalo jako nemo§n‚. Pro konstrukci nov‚ tiskov‚ techniky chybØly technik…m z kladn¡ vØdomosti."
U§ v letech 1981 a§ 1983 pracoval chemik Ross R. Allen na softwaru, kterì simuluje maliŸk‚ inkoustov‚ kapky. ChtØl zjistit, co se stane, kdy§ kapalina vystýikuje z trysky a dost v  se do styku se vzduchem, a jak‚ s¡ly p…sob¡ na kapku po dopadu na pap¡r. SimulaŸn¡ software psal pro tehdejç¡ vysoce vìkonnì poŸ¡taŸ Vax.
Celì tìden se stroj potìkal s 10 000 ý dky fortransk‚ho programu. Nakonec poŸ¡taŸ opravdu zn zornil, co se v rozhoduj¡c¡ch 100 mikrosekund ch s kapkou inkoustu stane. Teprve pak, kdy§ vØdci odvodili optim ln¡ tvar inkoustov‚ patrony a trysky, mohli technici tisk rnu sestrojit.
Allen pro tuto simulaci vytvoýil komplexn¡ programovì syst‚m, do nØho§ zahrnul veçker‚ poznatky modern¡ fyziky o vlastnostech kapalin. Vìsledek Ÿinnosti poŸ¡taŸov‚ho programu tehdy fascinoval dokonce i  autora sam‚ho. To, jak se kapka inkoustu v dan‚ situaci zachov  a jakì tvar zaujme, dosud nikdo z vØdc… nevØdØl.

PýemØna kýem¡ku na kov
Pýedpoklady pro prakticky pou§itelnou poŸ¡taŸovou simulaci vytv ýej¡ vØdci za pomoci model…, kter‚ bØhem mnohalet‚ pr ce st le vylepçuj¡. To, co se podaýilo Dr. Allenovi v 80. letech s inkoustovou kapkou, dok zal profesor Michele Parrinello v pý¡padØ kýem¡ku.
Tento sicilskì rod k vyvinul spoleŸnØ se svìm kolegou Robertem Carem na univerzitØ v Terstu poŸ¡taŸovou simulaci atom…. Z tohoto £kolu se nakonec stalo jeho celo§ivotn¡ d¡lo a program pod oznaŸen¡m "Car-Parrinello Molecular Dynamics" se rozç¡ýil nejenom na univerzit ch a ve vìzkumnìch centrech. Parrinello dnes pracuje ve stuttgartsk‚m Institutu Maxe Plancka pro vìzkum pevnìch l tek, kde spoleŸnØ se svìm tìmem u§ 15 let zdokonaluje syst‚m na st le novìch £loh ch. Jeho kolega Car dnes pracuje v ¦enevØ, mnoho dalç¡ch vØdc… software pou§¡v  a pýisp¡v  k jeho dalç¡mu rozvoji.
Parrinello se zprvu zabìval kýem¡kem. Pýi extr‚mn¡m zahý t¡ se tento prvek mØn¡ ve vodivì kov. Tento poznatek, u§iteŸnì pro vìvoj poŸ¡taŸovìch Ÿip…, z¡skali Car a Parrinello na z kladØ poŸ¡taŸov‚ simulace jednotlivìch atom…. Jeho software od t‚ doby vyu§¡vaj¡ vØdci v chemickìch vìzkumnìch £stavech a v pr…myslu, jako týeba ve firm ch BASF nebo Hoechst, i pro jin‚ l tky.
Jestli§e chcete napý¡klad vyr bØt polymery, tedy umØl‚ hmoty, je týeba vytv ýet dlouh‚ molekulov‚ ýetØzce. Bez podp…rnìch l tek, takzvanìch katalyz tor…, je tاk‚ pýimØt polymery k tomu, aby tvoýily stabiln¡ slouŸeniny. Na poŸ¡taŸi lze l tky i vliv teploty a dalç¡ch vnØjç¡ch faktor… libovolnØ kombinovat. Lze tak z¡skat pýedstavu o vhodn‚m slo§en¡ materi lu mnohem rychleji, ne§ by to bylo mo§n‚ pomoc¡ laboratorn¡ch pokus….
NejnovØjç¡ par dn¡ kousek se vçak Parrinellovi podaýil pýi simulaci v oblasti astrofyziky. V poŸ¡taŸi (Cray T3E) "zahý l" vodu na teplotu 6000 øK a vystavil ji pýitom tlaku milionkr t vØtç¡mu, ne§ je atmosf‚rickì tlak na Zemi. Pý¡Ÿ¡nou toho, §e se t¡mto nijak vla§nìm "vìvarem" zabìval, byla skuteŸnost, §e satelity namØýily na planetØ Uran oscilace, kter‚ dokazuj¡ pý¡tomnost vody uvnitý planety. V nitru takov‚ho tØlesa ale p…sob¡ extr‚mn¡ teploty a tlak. Parrinello dok zal svou simulac¡ vìsledky mØýen¡ satelitu vysvØtlit.

Kov vznikne i z vody...
Pr vØ vìsledky takovìch simulac¡ posunuj¡ vìzkum vesm¡ru vpýed. Napý¡klad z hadn‚ hodnoty magnetick‚ho pole planety Neptun se daj¡ vysvØtlit pouze tak, §e se uvnitý planety nach z¡ kapalina, kter  je vynikaj¡c¡m vodiŸem. Je snad mo§n‚, §e se voda za tak extr‚mn¡ch podm¡nek dost v  do tohoto neobvykl‚ho stavu?
Kdy§ superpoŸ¡taŸ v Institutu Maxe Plancka ve Stuttgartu po tìdnu vìpoŸt… odevzdal vìsledky, bylo pýekvapen¡ ve vØdeckìch kruz¡ch dokonal‚: pýi vysok‚ teplotØ a vysok‚m tlaku se voda pýemØn¡ v kov s magnetickìmi vlastnostmi. Po vydaýen‚m experimentu si Parrinello dokonce dal vyrobit odpov¡daj¡c¡ model molekuly a Ÿasto jej hrdØ prezentoval. Atomy vytv ýej¡c¡ nov  spojen¡ mØn¡ molekulu vody, jak ji zn me z vyuŸovac¡ho pýedmØtu chemie, ve zcela novou strukturu.
Michele Parrinello u§ pýemìçl¡ o nov‚m projektu - chtØl by se vØnovat biologickìm syst‚m…m. Nyn¡ zkoum  pomoc¡ simulace enzym pro boj proti viru HIV. Pokud uspØje, pom…§e lidstvu oslabit hr…zu z AIDS.

Kdy§ se sraz¡ Ÿern‚ d¡ry...
PoŸ¡taŸov‚ simulace, zejm‚na v astrofyzice, potýebuj¡ obrovskì vìpoŸetn¡ vìkon. Dr. Ed Seidl pracuje v Institutu Maxe Plancka pro gravitaŸn¡ fyziku v r mci Institutu Alberta Einsteina v Postupimi na simulaci Ÿernìch dØr. Pýitom u§ nevystaŸ¡ s poŸ¡taŸem SGI, kterì je v £stavu k dispozici. Takovì vìzkum se daý¡ teprve s pýispØn¡m superpoŸ¡taŸ… americk‚ho NCSA (National Center for Supercomputing Applications) v Illinois, centra Konrada Zuse v Berl¡nØ a poŸ¡taŸ… vìpoŸetn¡ho stýediska v Garchingu. Tyto poŸ¡taŸe spolu komunikuj¡ pýes vìkonn‚ s¡tØ rychlost¡ 10 megabit… za sekundu a vìpoŸty koordinuje software s n zvem "Cactus Computational Toolkit", vyvinutì Seidelovou pracovn¡ skupinou. üeçen¡m slo§itìch soustav diferenci ln¡ch rovnic se tak vØdci pýibli§uj¡ po kr…Ÿc¡ch pýedstav m o vlastnostech vesm¡ru.
Pro mezin rodn¡ spolupr ci m  Seidel z va§nì d…vod: "Probl‚my, kter‚ ýeç¡me, jsou tak rozs hl‚ a vy§aduj¡ tolik znalost¡ expert… z nejr…znØjç¡ch obor…, §e £spØch je mo§nì jen s vyu§it¡m s¡tØ spolupracuj¡c¡ch £stav…."
VØdci jsou nyn¡ na stopØ takzvanìm gravitaŸn¡m vln m, kter‚ Albert Einstein pýedpovØdØl ve sv‚ obecn‚ teorii relativity. Zat¡m se jeçtØ nikomu nepodaýilo takov‚ deformace fyzik ln¡ho prostoru dok zat. V NØmecku, USA a v It lii se vçak u§ stavØj¡ detektory, kter‚ by mØly tyto vlny vystopovat.
Tak‚ na hannoversk‚ univerzitØ pracuj¡ vØdci spoleŸnØ s Institutem Alberta Einsteina a s univerzitou v GlasgowØ na projektu GEO600, kterì m  mØýit gravitaŸn¡ vlny. Vìsledky simulac¡ z Postupimi pak maj¡ poslou§it ke spr vn‚ interpretaci budouc¡ch mØýen¡.
PoŸ¡taŸov‚ simulace nab¡zej¡ podstatnou vìhodu: vØdci mohou libovolnØ mØnit parametry a sledovat £Ÿinek na celì syst‚m. Aœ ji§ pracuj¡ na simulaci inkoustov‚ tisk rny, nebo na simulaci Ÿernìch dØr, poŸ¡taŸov‚ modely v§dy vysvØtluj¡ chov n¡ komplexn¡ho syst‚mu.
Avçak re ln‚ experimenty t¡m nedoslou§ily. Ed Seidel k tomu ý¡k : "Bez pokus… ŸlovØk snadno ztrat¡ orientaci a vìsledky simulac¡ ho mohou zav‚st çpatnìm smØrem." Probl‚mem je Ÿasto skuteŸnost, §e extr‚mn¡ teploty a tlaky p…sob¡ ve skuteŸnosti pouze po zlomky sekund, napý¡klad pýi vzn¡cen¡ jadern‚ n lo§e. Vìsledky vojensk‚ho vìzkumu jsou pýitom civiln¡m vØdc…m k dispozici jen zý¡dka. Vzhledem k tomu, §e vìkonnost poŸ¡taŸ… rychle roste, z¡sk  simulace v budoucnosti jistØ jeçtØ lepç¡ pozici, ne§ jakou zauj¡m  dnes. Vìuka na univerzit ch se tomu u§ pýizp…sobuje. Ross Allen k tomu poznamen v : "Dnes u§ nevychov v me chemiky, ale poŸ¡taŸov‚ in§enìry."

Dnes vìzkum, z¡tra bاnì §ivot
PoŸ¡taŸi podporovan‚ sna§en¡ vØdc… m  vØtç¡ vìznam pro bاnì §ivot, ne§ si um¡me pýedstavit. Na z kladØ simulac¡ mate- ri l… vznikaj¡ nejen umØl‚ hmoty. 
Ve farmaceutick‚m vìzkumu modeluj¡ vØdci vliv l‚k… na organismus. Ve vìvojovìch oddØlen¡ch automobilky Ford se pomoc¡ softwaru Roberta Cara a Michela Parrinella zkoum  povrch hlin¡ku a mo§nosti dalç¡ho vylepçen¡ materi lu. Vìrobce pneumatik Pirelli zase zjiçœuje, kter‚ pý¡sady v Ÿern‚ gumØ zlepç¡ pýilnavost pneumatik k vozovce. Vìrobci kabel… hledaj¡ optim ln¡ materi ly pro obaly vodiŸ…. Seznam pracoviçœ a podnik…, kter‚ pou§¡vaj¡ simulaŸn¡ software k optimalizaci materi l… a k n vrh…m novìch vìrobk…, by byl velmi dlouhì. Jak d…le§itì je jeho program pro pr…mysl, samozýejmØ v¡ Michele Parrinello velmi dobýe: "I ta sebemenç¡ vylepçen¡ maj¡ pýi vìrobØ velkì vìznam."
Harald Fette

"Vìzkum bez poŸ¡taŸov‚ simulace je nemyslitelnì."
Odpov¡d  Michele Parrinello, ýeditel stuttgartsk‚ho Institutu Maxe Plancka (na obr zku s modelem klastrov‚ molekuly v rukou).
Chip: Jak‚ m¡sto maj¡ simulace ve vØdØ?
Parrinello: Bez simulace by byl u§ dnes nemyslitelnì hlavnØ vìzkum v oblasti pý¡rodn¡ch vØd.

Chip: Nahrad¡ poŸ¡taŸ vØdeck‚ myçlen¡?
Parrinello: I nad le je potýebn  vØdeck  intuice. VØdec mus¡ rozeznat souvislosti a z mo§nost¡, kter‚ poŸ¡taŸe vypoŸ¡taj¡, vybrat ty spr vn‚.

Chip: Vaçe simulace jsou sice fascinuj¡c¡ - napý¡klad jak se voda na planetØ Uran mØn¡ v elektrovodivì kov - ale komu prakticky poslou§¡?
Parrinello: To, co se na prvn¡ pohled zd  velmi odta§it‚, n m pom h  v porozumØn¡ komplexn¡m struktur m. Jen tak m…§eme vìvoj posunout kupýedu.

PoŸ¡taŸov  simulace poh n¡ technickì pokrok
V osmdes tìch letech se vØdc…m podaýil pr…lom v oblasti poŸ¡taŸov‚ simulace. Vìkonnost poŸ¡taŸ… a softwaru u§ dos hla takov‚ £rovnØ, §e tyto metody mohly i u vysoce komplexn¡ch probl‚m… dodat spolehliv‚ vìsledky. 
Jedn¡m z pý¡klad… je metoda Roberta Cara a Michela Parrinella, d¡ky n¡§ m…§e chemickì pr…mysl z¡sk vat d…le§it‚ poznatky potýebn‚ pýi vìrobØ umØlìch hmot. Tak‚ v automobilov‚m pr…myslu se aerodynamick‚ tunely a sr §kov‚ testy st le v¡ce nahrazuj¡ poŸ¡taŸovou simulac¡.
To, k Ÿemu byly dý¡ve zapotýeb¡ velk‚ poŸ¡taŸe, lze dnes Ÿasto zvl dnout i na PC s Pentiem II. Ve velkìch vìzkumnìch centrech dosahuj¡ poŸ¡taŸe vìkonnosti i pýes 500 gigaflops (miliard operac¡ s pohyblivou desetinnou Ÿ rkou za sekundu). Pro srovn n¡: Pentium II na 400 MHz dosahuje asi 170 megaflops.
Simulace v astrofyzice, napý¡klad kolize Ÿernìch dØr, zvl dnou teprve sdru§en‚ s¡ly nØkolika superpoŸ¡taŸ…. Institut Alberta Einsteina v Postupimi se proto spojil s vìzkumnìmi £stavy v Berl¡nØ, Washingtonu a v Illinois.