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理论化学和计算化学通论

几天前的傍晚,实验室的一行人从食堂吃完饭回到实验室,忽然听到今年诺贝尔化学奖授予了Martin Karplus, Michael Levitt和Arieh Warshel,整个实验室炸开了锅。大家各个都兴奋异常,“实验室完全沉浸在一股欢乐的气氛中”(某师妹的原话)。就拿我个人来说,本来周末还有一个组会报告需要准备,但是得知这个消息之后完全就把报告时的事情抛到脑后,跟实验室的同学热烈的讨论起这个事情来了。我们之所以这么兴奋,到不仅仅是“我们老板的又一个老板获得了诺贝尔奖”(某师弟原话),更重要的是,这次的诺奖是我们这一行当得到地最大的认可。另外,此次诺奖帮我们这个专业做了的科普,“之后果壳、松鼠会神马的肯定会有大量的关于MD和QM/MM的科普,以后别人再问我们在做什么,我们再也不用担心怎么去费尽地解释了”(刚才那个师妹的原话)。

 
 


但是高兴归高兴,在网上逛了一晚上,发现有很多关于此次诺奖的评论很让人不爽。首先一点就是很多人在吐槽说“你们就不能把诺贝尔化学奖颁给化学家么”、“今年又是理综奖”神马的,直接把我们这帮理论化学的研究生踢出了化学院。对于这种言论我在人人上发了一条状态反吐槽这件事情:“我们这些做理论化学的还真不容易,平时存在感就低,好不容易有个诺奖能怒刷一下存在感了,却还有一大堆人以为我们不是做化学的……”。当然,这件事情源于大众科普的失败,算是大环境的影响,我也只能无奈一下而已。但是之后在科学网这种比较专业的网站上看到某薛大教授的博文说是生物信息学获得了今年的诺奖,我就觉得滑稽了。Martin Karplus是分子动力学模拟MD的开拓者,Michael Levitt和Arieh Warshel是量子力学/分子力学混合模拟QM/MM的创始人。这次他们获奖的理由是“为复杂化学系统创立了多尺度模型”,怎么看这次的化学奖都是颁给MD和QM/MM的,硬生生跟生物信息学拉亲戚,就像获不了诺奖的中国人愣是去找外国获奖者的中国亲戚一样,怎么想怎么怪异。我平时是不怎么在网上发言的,但这次我跟这个薛大教授论战了好久,只是薛大教授坚持不放弃他的奇谈怪论不说,还说我这个“搞化学的就不要跟生物掺和”,连“隔行如隔山”这话都说出来了。只是不知我们组半数以上课题的研究对象都是蛋白质、DNA、细胞膜之类的生物大分子,不知道算不算是跟“生物瞎掺和”。直到现在薛大教授仍然不放弃他的奇谈怪论,我也懒得理他了。
 
如果说薛大教授的言论只是让人觉得可笑的话,科学网上另一个博主戴大教授认为今年诺贝尔化学奖是“乌龙”, 计算化学是“高中生就可以做得很好”的“一场忽悠起来的泡沫”,我就真的是义愤填膺,气都不知道该往哪儿出了。研究领域是“数理科学->物理学I->光学”(教授本人自己写的)的戴大教授还放豪言说“物理领域很多学科我都不敢发言的,化学任何学科我都可以”,不知道坚持“隔行如隔山”的薛大教授怎么看。
 
正好这周的组会报告做完了,为了我所从事的“计算化学”这一事业做一个“正名”,也为了反驳这个“化学任何学科都可以发言”的戴大教授的荒谬言论,也同时趁此机会整理一下我这几年研究生做下来对“计算化学”这一领域的理解,我决定写下这一篇博文来阐述我的观点(部分的观点来源我导师平时的教导)。序言有点长了,下面进入正题。因为发现论题太大,所以打算分几个部分来写,下面是第一部分。
 
一.理论化学和计算化学通论
 
任何科学,都由实验和理论两个部分组成。一个真正的科学研究首先是成功地完成实验,之后就是用理论解释实验或者从实验中总结出理论,缺少了哪一部分,那都不是真正的或者说完整的科学研究。最早期科学家大部分是不区分实验和理论的,那时候科学家大部分既做实验也做理论。但是随着科学的发展,无论是实验还是理论都大大的复杂化,科学家同时进行实验和理论的研究变得越来越困难,所以两者开始分工,逐渐产生了实验科学家和理论科学家。物理学发展地最早,所以如今实验物理学和理论物理学都有了各自的庞大领域,甚至在很多大众心目中理论物理学家比实验物理学家更强势(就像我们理论化学研究生的困扰一样,据说某实验物理学研究生在网上发牢骚说:“我们做物理学也有做实验的好不好?!”)
 
化学,被称为一门实验科学,甚至有Chemistry=Chem-is-try的说法。这种说法,无论是实验化学家还是理论化学家都应该牢记,这告诉我们化学的研究一定要以实验结果为准则,实验就是试金石,是检验理论正确与否的唯一标准。但是这并不是说理论化学就毫无用处,恰恰相反,实验的现象和数据只有通过理论进行符合科学合理地解释,化学才能能真正成为一门科学。这就像当年如果没有原子、分子论,没有元素周期律,那化学(chemistry)永远不会从炼金术(alchemy)变身成为真正的科学一样,如果没有现代化学理论的发展,化学也不会得到真正的发展。有些理论物理学家很不屑我们这些搞理论化学的,说:你们化学也有“理论”么,用的还不都是我们物理的东西。不要忘了Dirac说过“大部分物理学和全部化学的数学理论所必需的基础物理定律已经完全知道了,但困难在于严格运用这些定律导致的方程求解起来太复杂。”而将描述原子间的成键相互作用的这些“太复杂”的方程转换为任何化学家都能看懂的化学键理论,就是著名理论化学家Pauling的工作。几十年来,无数数理功底不是太好的化学家运用化学键理论解决了无数的化学问题,这正是化学键理论的魅力所在。
 
理论化学发展到今天,其最大的组成部分就是计算化学。计算化学之所以能在化学领域有着广泛的应用,其原因有二:一是计算化学的基础理论导致化学体系的计算无论是在计算精度还是计算速度上都有极大的优势。计算化学的基础理论大多来源于两部分:量子力学和牛顿力学,这两个学科在化学上的应用则分别诞生了量子化学和分子模拟两个学科。涉及电子的化学反应需要用量子化学来解决,正是因为在量子化学计算上的贡献,Walter Kohn 和John Pople才获得了1998年的诺贝尔化学奖(要是当年网络普及的话,估计会像今天的一样被中国大众被当成是“理综”奖吧)。而一旦涉及到分子间的相互作用,其量子效应往往可以忽略不计(质量最轻的氢原子除外,所以需要一些其他方法来处理),使用牛顿力学就足以描述,从而大大地简化了计算,这就是分子模拟。而分子模拟中最重要的工具分子动力学模拟MD,也终于在今年获得了诺贝尔化学奖,计算化学的两大部分终于都得到了学术上最高荣誉的认可。计算化学大大发展的第二个原因是计算能力大大提升。几十年前计算化学中的很多概念就已经被提出,然而受制于计算能力的限制,计算化学体系几乎是不可能的。然而随着电子计算机的高速发展,根据摩尔定律,计算机的计算能力每18个月就翻了一番,而计算成本则降低了一半。这导致以前根本不可能进行的计算化学也得到了日新月异的发展,能进行模拟的体系也越来越大。目前,随着并行计算和GPU计算在计算化学中的应用,计算化学可以做的事情也越来越多。有些人可能会不屑地说:这不都是计算机的功劳么?那我倒想反问:现在的那一项最新的实验科学成就不得益于技术的进步呢?如果没有CERN的大型强子对撞机,希格斯-玻色子能获得今年的诺贝尔物理学奖吗?只有顺应了时代的潮流的人才能不被时代所淘汰,计算机的发展导致了现如今正是计算化学发展的黄金时期,如果真像某戴大教授所说的那样“过二十年再看”,那么就会发现被时代淘汰的人正是那些后知后觉者才对。
 
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