Max Home IndustryЭнтропия, мера молекулярного беспорядка или случайности системы, имеет решающее значение для понимания физического состава системы. В сложных физических системах взаимодействие внутренних элементов неизбежно, что делает вычисление энтропии сложной с вычислительной точки зрения и часто непрактичной задачей. Например, склонность правильно свернутого белка к распаду можно предсказать с помощью вычислений энтропии.
Новое исследование Тель-Авивского университета предлагает радикально простой и эффективный способ вычисления энтропии — и, вероятно, он существует на вашем компьютере.
«Мы открыли способ вычисления энтропии с помощью стандартного алгоритма сжатия, такого как zip-архив, установленный на наших компьютерах», — объясняет профессор Рой Бек из Школы физики и астрономии TAU. «Сегодня суперкомпьютеры используются для моделирования сворачивания или неправильного сворачивания белков в болезненных состояниях. Наше исследование продемонстрировало, что, используя стандартный алгоритм сжатия, мы можем по-новому взглянуть на физические свойства этих белков, вычисляя их значения энтропии с помощью алгоритма сжатия.
«Возможность вычислять энтропию отвечает насущной потребности в использовании невероятных возможностей компьютерного моделирования для решения неотложных и своевременных проблем в науке и медицине», — добавляет профессор Бек.
Исследование было проведено профессором Беком и аспирантами ТАУ Рам Авинери и Мишей Корнрайх. Он был опубликован в Physical Review Letters 22 октября.
По словам профессора Бека, у исследования бесконечное множество приложений. От биомедицинского моделирования до фундаментальных исследований, проводимых в области физики, химии или материаловедения, новый алгоритм будет простым в использовании на любом компьютере.
«Старшеклассник использовал нашу концепцию для расчета энтропии сложной физической системы — модель XY», — говорит профессор Бек. «Хотя это считается сложной задачей с точки зрения энтропии, студент справился с ней без особых указаний. Это демонстрирует, насколько легко этот метод может быть использован практически любым человеком для решения очень интересных задач».
Идея вычислительного метода впервые возникла, когда студенты профессора Бека, Авинери и Корнрайх, обсуждали энтропию с точки зрения теории информации. Они задавались вопросом, насколько хорошо эта идея может работать на практике, а не в теории.
«Они смоделировали несколько стандартных физических систем со значениями энтропии, с которыми они могут сравнивать», — говорит профессор Бек. «Вскоре они обнаружили, что размер файла данных моделирования после сжатия увеличивается и уменьшается в соответствии с ожидаемой энтропией. Вскоре после этого они поняли, что могут преобразовать размер сжатого файла в полезное значение — физическую энтропию. Удивительно, но простое преобразование они были действительны для всех изученных систем «.
В настоящее время исследователи расширяют сферу применения своей методологии на широкий и разнообразный набор систем.
«С тех пор, как мы начали работать и рассказывать о своей работе, к нам обращались многие исследователи из самых разных областей с просьбой помочь им вычислить энтропию на основе их данных», — заключает профессор Бек. «На данный момент мы концентрируемся на моделировании сворачивания белков — актуальной и актуальной теме, которая может значительно выиграть от нашего открытия».