第一性原理

第一性原理

根據原子核和電子互相作用的原理及其基本運動規律,運用量子力學原理,從具體要求出發,經過一些近似處理後直接求解薛丁格方程的算法,習慣上稱為第一性原理 。第一性原理通常是跟計算聯繫在一起的,是指在進行計算的時候除了告訴程式你所使用的原子和他們的位置外,沒有其它的實驗的,經驗的或者半經驗的參量,且具有很好的移植性。作為評價事物的依據,第一性原理和經驗參數是兩個極端。第一性原理是某些硬性規定或推演得出的結論,而經驗參數則是通過大量實例得出的規律性的數據,這些數據可以來自第一性原理(稱為理論統計數據),也可以來自實驗(稱為實驗統計數據)。但是就某個特定的問題,第一性原理和經驗參數沒有明顯的界限,必須特別界定。如果某些原理或數據來源於第一性原理,但推演過程中加入了一些假設(這些假設當然是很有說服力的),那么這些原理或數據就稱為“半經驗的”。

基本信息

相關解釋

第一性原理,英文First Principle,是一個計算物理或計算化學專業名詞,廣義的第一性原理計算指的是一切基於量子力學原理的計算。

我們知道物質由分子組成,分子由原子組成,原子由原子核和電子組成。量子力學計算就是根據原子核和電子的相互作用原理去計算分子結構和分子能量(或離子),然後就能計算物質的各種性質。

從頭算(ab initio)是狹義的第一性原理計算,它是指不使用經驗參數,只用電子質量,光速,質子中子質量等少數實驗數據去做量子計算。但是這個計算很慢,所以就加入一

第一性原理第一性原理
些經驗參數,可以大大加快計算速度,當然也會不可避免的犧牲計算結果精度。

那為什麼使用“第一性原理”這個字眼呢?據說這是,來源於“第一推動力”這個宗教辭彙。第一推動力是牛頓創立的,因為牛頓第一定律說明了物質在不受外力的作用下保持靜止或勻速直線運動。如果宇宙誕生之初萬事萬物應該是靜止的,後來卻都在運動,是怎么動起來的呢?牛頓相信這是由於上帝推了一把,並且牛頓晚年致力於神學研究。現代科學認為宇宙起源於大爆炸,那么大爆炸也是有原因的吧。所有這些說不清的東西,都歸結為宇宙“第一推動力”問題。

科學不相信上帝,我們不清楚“第一推動力”問題只是因為我們科學知識不完善。第一推動一定由某種原理決定。這個可以成為“第一原理”。愛因斯坦晚年致力於“大統一場理論”研究,也是希望找到統概一切物理定律的“第一原理”,可惜,這是當時科學水平所不能及的。現在也遠沒有答案。

但是為什麼稱量子力學計算為第一性原理計算?大概是因為這種計算能夠從根本上計算出來分子結構和物質的性質,這樣的理論很接近於反映宇宙本質的原理,就稱為第一性原理了。

廣義的第一原理包括兩大類,以Hartree-Fork自洽場計算為基礎的ab initio從頭算,和密度泛函理論(DFT)計算。也有人主張,ab initio專指從頭算,而第一性原理和所謂量子化學計算特指密度泛函理論計算。

補充解釋

第一性原理就是從頭計算,不需要任何參數,只需要一些基本的物理常量,就可以得到體系基態的基本性質的原理

其他領域的套用

航空行業
美國太空探索技術公司(SpaceX)創始人埃隆·馬斯克曾說過:“如果你真的想做一些新的東西出來,就必須依賴物理學的方法。”
2002年,馬斯克有了一個想法:將第一枚火箭傳送到火星。可是,當他拜訪完全球各地的航空製造商之後,發現這是一件成本很高的事情,購買運載火箭的成本高達6500萬美元。於是,他採用了第一性原理思維將起初的情況分解為最基礎的問題,重新研究了一番造火箭這件事,最後在對比了自造和採購的優劣勢後,發現與其花幾千萬美元購買一枚已經造好的火箭,還不如購買便宜的原材料自造。於是,馬斯克決定創立SpaceX,並在幾年時間內,把發射火箭的成本削減至原本的十分之一,大大地彌補了自造帶來的那部分成本提升,讓SpaceX成為了世界史上第一家成功發射火箭的私人公司。
汽車行業
著名汽車企業特斯拉(Tesla)在早期開發電動車的時候,被電池的高成本所困擾。當時儲能電池的價格是每千瓦時600美元,85千瓦電池的價格將超過5萬美元。當時的馬斯克認為,這個高成本肯定是有解決辦法的。
於是,馬斯克從第一性原理的角度進行思考,分析電池組的材料組成,發現了購買成本和自組產品之間的巨大價格成本落差。因此,特斯拉在2013年建立了電池廠,投產之後電池的價格下降了30%,每年可以支持150萬輛電動車對電池的需求。
家居行業
目前家居行業湧現的“工廠直銷”的商業模式,其實也是第一性原理的套用。我們試著從第一性原理的思維出發來想一下家居的定價問題。以一套實木床為例:生產一張實木床,工廠直接生產成本(包括生產材料,生產人工,車間製造費用)是A元,實際出廠價得加上間接生產成本B元(間接生產成本=水電費+房租+器材損耗費+管理人員工資+出差等管理費用+稅費+利潤),即A+B元。
但,這只是生產成本。家居從工廠生產出來後,需要做外包裝加固和運輸到相存放的倉庫。這部分的錢,我們假設是C元。接下來,一般做法是,拿到賣場展示給消費者了。正常賣場需要20%的銷售成本,含場地租金和銷售費用,我們假設是D元。經銷商要保證至少20%的理論利潤,我們假設是E元。最後,還要計算運輸到客戶那的運輸成本,假設是F元。
到了這裡,這套床呈現在消費者面前的價格,已經是:A+B+C+D+E+F。如果再加上宣傳費用,估計還是往上漲一漲。但是,假如是“工廠直銷”呢?也就是去除不必要的環節,回歸最基礎的成本支出,你會發現,其實一套實木床的價格只需要是A+B+C+F。
而目前,在使用這種模式的家居百貨行業,有NITORI(日本)、可比優居(中國)等。

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