In zwei Kellerräumen an der Fakultät für Physik rechnen 240 zu einem Hochleistungsrechner verbundene Prozessoren Tag und Nacht an Computersimulationen von physikalischen Phänomenen. Drehte man die auf Hochtouren arbeitende Klimaanlage ab, würde die Raumtemperatur innerhalb weniger Minuten auf "Sauna-Niveau" ansteigen: "Einmal ist sie kurz ausgefallen, aber zum Glück ohne gröbere Schäden - nur die Kabelkanäle aus Plastik wurden von der Hitze verbogen", erzählt Univ.-Prof. Mag. Dr. Christoph Dellago, Dekan der Fakultät für Physik und Leiter der Gruppe Computergestützte Physik.
Für den Physiker ist der gruppeneigene Computer-Cluster "klogW" - der Name ist eine Anspielung auf Ludwig Boltzmanns Formel für Entropie, die auch seinen Grabstein am Wiener Zentralfriedhof ziert - das wichtigste alltägliche Forschungsinstrument. Ein PC alleine würde Jahrzehnte brauchen, um die Programme und Algorithmen auszuführen, die Dellagos Gruppe entwickelt.
Rechenintensive Forschung
Aber selbst "klogW" braucht mehrere Monate, um das Verhalten von weicher Materie oder Nanokristallen bei einer Veränderung der Außenbedingungen (Temperatur, Druck etc.) zu simulieren. Denn dafür muss der Vorgang - ausgehend von einem definierten Anfangsszenario - in eine Reihe von Teilschritten zerlegt werden. Je kleiner diese Abschnitte, bzw. größer und realistischer das zu berechnende System, desto rechenintensiver wird die Simulation: "Denn das Programm bestimmt für jeden Schritt die exakte Position jedes einzelnen Atoms - und das können gut und gerne mehrere tausend Atome sein", so Dellago.
Seltene Ereignisse
Nun erfordert die Simulation von Phasenübergängen unzählige winzig kleine Recheneinheiten. Grund dafür ist das gleichzeitige Auftreten von sehr langsamen und relativ raschen Abläufen: das sogenannte "Zeitskalenproblem".
"Man kann sich das bildlich anhand einer Landschaft mit zwei Tälern und einem Pass dazwischen vorstellen: Das Atom sitzt ganz unten in Tal A, wo seine Energie am niedrigsten ist. Wenn ich nun die Temperatur oder den Druck erhöhe, verändert sich die Landschaft und Talboden B wäre die günstigere Position. Der Weg über den Pass kostet aber Energie, deshalb rührt es sich sehr lange nicht von der Stelle", veranschaulicht Dellago.
Hat sich das Teilchen nun endlich zum Überqueren der Barriere "aufgerafft", dann passiert das ganz plötzlich und sehr rasch - innerhalb weniger Picosekunden.
"Um diesen Moment nicht zu verpassen, müssen wir auch die langsame Phase vor dem 'Sprung', in der eigentlich so gut wie gar nichts passiert, in sehr kurzen Schritten simulieren. Das kostet wertvolle Computerzeit."
Zeitskalenproblem umgehen
Daher stellt die Entwicklung und Verbesserung von Simulationsalgorithmen, die das Zeitskalenproblem umgehen, einen wesentlichen Aspekt innerhalb des Projekts dar. Dafür bleibt "klogW" weiterhin unersetzbar, auch wenn Dellago seine Forschungsfragen mitunter den rechnerischen Grenzen des Clusters anpassen muss. "Hier setze ich jedoch stark auf den neuen, gemeinsamen Hochleistungsrechner von Universität Wien, TU Wien und BOKU Wien", so der Wissenschafter. Dieser Supercomputer soll mit etwa 4.000 hochparallel arbeitenden Prozessorkernen ab Herbst 2009 auch für die Projekte der Gruppe Computergestützte Physik "neue Rechenwelten" erschließen.
Probe aufs Exempel
"Angepasste" Fragen zu stellen, ist aber auch in einem anderen Zusammenhang wichtig: Damit ein theoretisches Modell Gültigkeit hat, muss es dem Vergleich mit der Realität standhalten. Mittels Computersimulation können jedoch auch Phänomene beobachtet werden, die im Experiment (noch) nicht zugänglich sind. "Letztlich entscheidet aber das Experiment, was richtig ist und was nicht", sagt Dellago: "Deshalb ist die Zusammenarbeit zwischen computergestützter und experimenteller Physik zentral."
Um Kontaktpunkte zwischen Simulation und Experiment herzustellen, braucht es allerdings Kompromisse auf "beiden Seiten": "Die experimentellen PhysikerInnen müssen auch mit solchen Systemgrößen experimentieren, die eine computergestützte Simulation erlauben. Wir SimulatorInnen hingegen sind gefordert, uns in Richtung Experiment zu bewegen, sprich nachprüfbare Vorhersagen zu treffen. "
Daher arbeitet Dellago im laufenden Projekt auch mit kolloidalen Systemen: Sie sind als Modell für molekulare und atomare Systeme geeignet, aber durch ihren größeren Durchmesser im Experiment leichter beobachtbar. (br)
Das FWF-Projekt "Simulation von Phasenübergängen in weicher Materie" startete im September 2008 unter der Leitung von Univ.-Prof. Mag. Dr. Christoph Dellago von der Gruppe "Computergestützte Physik" an der Fakultät für Physik und am Center for Computational Material Science (CMS). |
