Кастрюля с водой на плите — просто вода, но внутри каждой молекулы идёт непрерывная пляска. Атомы водорода и кислорода дрожат, даже при абсолютном нуле, потому что так устроен квантовый мир. Эти дрожания меняют, сколько тепла запасает вода и как она течёт. Раньше, чтобы учесть их, приходилось запускать невероятно тяжёлые расчёты: каждый атом превращался в целый веер своих копий, и компьютер захлёбывался.
Авторы новой работы нашли лазейку. Они берут дорогой квантовый расчёт, но используют его лишь как учителя. Учитель показывает, как ведёт себя вода с учётом дрожаний, а ученик — простая классическая модель — запоминает эти уроки. Потом ученик работает сам, быстро и почти без затрат, но с ошибкой меньше, чем толщина волоса по сравнению с комнатой. В статье проверили метод на воде и других системах, где молекулы держатся за счёт водородных связей. Результат: энергия совпадает с точным квантовым расчётом до 0,2 миллиэлектронвольта на атом. Это как измерить высоту Эвереста с точностью до песчинки.
Метод назвали EPIGS (entropic path-integral coarse-graining). Главная хитрость в том, что он умеет переносить выученное на другие температуры и размеры системы. Обучился на маленьком кубике воды — применил к целому озеру. Это открывает дорогу к изучению белков, лекарств и материалов, где квантовые эффекты важны, но раньше были недоступны. Кастрюля на плите стала чуть понятнее, а вместе с ней и всё, что содержит воду.
Даже при абсолютном нуле атомы в молекуле воды не замирают полностью — они продолжают дрожать из-за квантовой неопределённости, и это влияет на свойства льда и жидкости.