让牛顿与薛定谔猫共舞

在我们印象中，化学研究总是跟瓶瓶罐罐打交道；此外，最多再来点小球、小棍之类所谓的模型。的确，仪器和实物模型历来是化学家施展身手必不可少的“道具”。不过，得益于电脑，化学家手上又多了一种“道具”，那就是计算模型。如今的化学家，一手拿试管、烧杯，另一手玩电脑（你可别以为他们像你一样，一边做实验，一边玩游戏或者上微博），化学研究已步入“电脑时代”。而促成这一切的是今年获诺贝尔化学奖的三位科学家：马丁·卡普拉斯、迈克尔·赖韦特、阿列·沃什尔。

捕捉化学反应电光火石般的一瞬

所谓的计算模型，说起来其实是挺枯燥的，无非是电脑上的一些程序，化学家用它们来模拟现实中的化学反应。

为什么化学家不满足于用瓶瓶罐罐做实验，还要用电脑来模拟呢？这种非实物的模型如何保证是可靠的呢？这真是说来话长。

我们知道，化学反应本质上就是电子的转移。譬如说，这个原子失去电子，那个原子得到电子，或者两者共享电子等等，诸如此类。这些反应是极为迅速的。在化学课上，老师喜欢用“眼睛一眨，老母鸡变鸭”来形容化学反应之快，可是“眼睛一眨”还是不够恰当，真该用“电光火石般的一瞬”来形容。你也许可以用慢镜头拍摄下一团物质是如何变成另一团物质的，但你永远无法拍摄下单个的化学反应是如何进行的，因为单个的反应转瞬之间就完成了。所以，传统的化学实验中，反应发生时，我们看到的已经是反应结果。

当化学家们知道，化学反应的本质就是最外层电子的转移时，他们就可以通过计算来了解这些电子是如何在一瞬间完成转移的。化学现象的背后无非是物理学规律。比如，要想知道电子是如何在这个或那个原子之间转移的，只要计算出电子在力的作用下如何运动即可，而涉及的力，也不过是大家熟悉的静电力。只是对于大多数反应而言，情况复杂，需要用电脑来处理。这样的一套计算程序，就是化学反应的计算模型。

看来化学的基础研究真是一步都离不开物理啊。在量子力学出现之前，人们只知道经典物理学。所以涉及电子的计算，只要用一用牛顿定律就够了。可是，等量子力学出来之后，事情就变复杂起来。

一个杂合理论的诞生

量子力学有着完全迥异于经典物理学的许多特征，而像分子、原子和电子这些微观粒子，本质上又必须遵循量子力学的规律。比如说，根据量子力学的描述：电子好像有分身术，在同一时间既可在这个原子上，又可在那个原子上；电子在核外的运动是量子化的，能量状态有基态、激发态之分；电子在自身能量不够，越不过障碍的情况下，竟然可以“投机取巧”，通过“隧道”钻过去，使得本来不能发生的反应得以发生……这些现象都是经典物理学难以理解的。当然，最能形象地说明量子力学怪异之处的还是那只著名的薛定谔猫，这只猫可以处于既死又活的状态。

早在1930年代，美国化学家鲍林就开始借助量子力学来解释化学键的形成，由此开创了一门叫“量子化学”的新学科。所以，要想真实地模拟化学反应，化学家的计算模型也必须用量子化学来构建。

可是计算一旦涉及量子力学，计算量就几乎成倍增加。有时候，单模拟一个简单的反应都要耗时几个月甚至数年。所以经典模型和量子模型各有缺陷：前者简单实用，但不准确；后者复杂准确，但不实用。

美国化学家马丁·卡普拉斯是鲍林的关门弟子，如今是计算化学领域祖师爷级别的人物。早在1970年代，他在哈佛大学就开始建立量子模型，在电脑上模拟一些简单的化学反应。与此同时，以色列魏茨曼研究院的两名博士，迈克尔·赖韦特和阿列·沃什尔当时正用经典模型模拟像酶这一类生物大分子的反应。

两个小组的研究手段各有所长又各有所短。当沃什尔到哈佛之后，他跟卡普拉斯一拍即合。在此后的岁月里，三人发展了一套计算复杂化学体系的“多尺度模型”。

牛顿与薛定谔猫共舞

说穿了其基本思想倒也简单。这是一套融合了经典模型和量子模型各自优点的杂合模型。形象地说，在该模型里，就是让牛顿与薛定谔猫共舞。

首先，他们注意到，很多反应虽看似很复杂，动辄有百万个原子参加，但发生反应的关键部位原子数量却并不多。举个例子，植物的光合作用是一个非常复杂的过程，其中一个重要步骤是把水分解成氢和氧，这个步骤涉及一种分子量高达数十万的酶。倘若用量子化学处理数十万个原子以及它们的最外层电子，哪怕只想一想都要让人出一身汗。但幸运的是，反应并没有把酶上的所有原子都卷进去，只发生在称作反应中心的一个很小区域。比如说，在反应中心你只看到4个锰离子、一个钙离子和数个氧原子，正是在这里水分子被分解。

那么在做电脑模拟的时候，只要对反应中心的原子、电子运用量子力学来计算即可，其余的则留给经典模型处理。这样一来，既没有遗失关键的信息，又能极大地简化计算。这就好比处理一张照片，感兴趣的地方保留高像素，对不感兴趣的做模糊处理，这样既保留了有用信息，又不至于让文件太占内存空间。

这套方法很快显出它的威力。1972年，卡普拉斯和沃什尔成功建立了视网膜结构的模型。1976年，沃什尔和赖韦特又发表了首个酶类反应的计算模型。正是三人的工作，促成了一门叫“计算化学”的新学科的诞生。

不过，计算化学真正大展宏图还是1990年之后。归功于电脑速度的飞速提升，如今计算化学已成了科学家的得力助手，从模拟光合作用，到新型药物的研制，再到太阳能的开发，几乎在各个领域都留下了身影，甚至有一天还会被用来在分子层面模拟有机生命呢。

最后再说上几句。今年让三位化学家获奖的成果，与其说是一项重大发现，不如说是思想方法上的一项重要创新。虽然这种成果不够具象，但其意义远比个别的发现重要，因为有了新思想和新方法，新发现自然就会源源而来。不妨这么说，这是一次已经催生了很多诺贝尔奖，还将继续催生更多诺贝尔奖的诺贝尔奖。

推荐访问:共舞 薛定谔猫