Forscher im Labor von Prof. Roy Beck haben eine einfache und zugängliche Lösung für ein Problem gefunden, mit dem selbst Supercomputer zu kämpfen haben: die Messung der Entropie, des Grades der molekularen Unordnung oder Zufälligkeit in einem komplexen System.
In komplexen physikalischen Systemen ist das Zusammenspiel interner Elemente unvermeidlich, so dass die Entropieberechnung eine rechenintensive und oft zeitraubende Aufgabe ist.
Jetzt schlägt eine neue Studie der Tel Aviv University eine radikal einfache und effiziente Methode zur Berechnung der Entropie vor – und sie existiert wahrscheinlich auf jedem Computer.
“Wir haben eine Möglichkeit gefunden, die Entropie mit einem Standard-Kompressionsalgorithmus wie der Zip-Software zu berechnen, die wir alle auf unseren Computern haben“, erklärt Prof. Roy Beck von der TAU School of Physics and Astronomy. “Supercomputer werden heute eingesetzt, um die Faltung oder Fehlfaltung von Proteinen in kranken Zuständen zu simulieren. Unsere Studie zeigte, dass wir mit Hilfe eines Standard-Kompressionsalgorithmus neue Erkenntnisse über die physikalischen Eigenschaften dieser Proteine gewinnen können, indem wir ihre Entropiewerte mit einem Kompressionsalgorithmus berechnen.“
Eine Vielzahl neuer Lösungen
“Die Fähigkeit, Entropie zu berechnen, erfüllt die dringende Notwendigkeit, die unglaubliche Leistung von Computersimulationen zu nutzen, um dringende, zeitnahe Probleme in Wissenschaft und Medizin zu lösen“, fügt Prof. Beck hinzu.
Laut Prof. Beck hat die Forschung endlose Anwendungsmöglichkeiten. Von biomedizinischen Simulationen bis hin zur Grundlagenforschung in Physik, Chemie oder Materialwissenschaften – der neue Algorithmus wäre einfach an jedem Computer zu bedienen.
“Ein Gymnasiast hat mit unserem Konzept die Entropie eines komplexen physikalischen Systems – dem XY-Modell – berechnet“, sagt Prof. Beck. “Obwohl dies als ein herausforderndes Problem in Bezug auf die Entropie angesehen wird, hat der Student dies mit sehr wenig Anleitung erreicht. Dies zeigt, wie einfach diese Methode von fast jedem Menschen zur Lösung sehr interessanter Probleme eingesetzt werden kann.“
Eine Entdeckung auf dem Weg dorthin
Die Idee für die Berechnungsmethode entstand erst, als Prof. Becks Studenten Avinery und Kornreich die Entropie aus informationstheoretischer Sicht diskutierten. Sie fragten sich, wie gut diese Idee in der Praxis und nicht in der Theorie funktionieren könnte.
“Sie haben einige physikalische Standardsysteme mit Entropiewerten simuliert, mit denen sie vergleichbar sind“, sagt Prof. Beck. “Bald stellten sie fest, dass die Größe der Simulationsdatendatei nach der Komprimierung steigt und fällt, genau wie die erwartete Entropie. Kurz darauf erkannten sie, dass sie die komprimierte Dateigröße in einen brauchbaren Wert umwandeln konnten – die physikalische Entropie. Überraschenderweise galt die einfache Konvertierung für alle untersuchten Systeme.”
Die Forscher erweitern derzeit die Anwendung ihrer Methodik auf eine breite und vielfältige Auswahl von Systemen. “Seitdem wir mit der Arbeit und dem Gespräch über unsere Arbeit begonnen haben, sind wir von vielen Forschern aus den unterschiedlichsten Bereichen angesprochen worden und haben uns gebeten, ihnen zu helfen, die Entropie aus ihren Daten zu berechnen“, schließt Prof. Beck. “Im Moment konzentrieren wir uns auf die Simulation der Proteinfaltung, ein aktuelles und dringliches Thema, das von unserer Entdeckung enorm profitieren kann.”
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Sender/Quelle: Tel Aviv University
VonNaftali/מנפּתלי/ByNaftali 