黎樂民

（北京大學(xué)，北京100871）

化學(xué)研究的目標(biāo)是探尋化學(xué)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)與性能的變化規(guī)律，并用獲得的知識(shí)造福人類，為社會(huì)的生存、發(fā)展與進(jìn)步提供物質(zhì)支撐。化學(xué)研究成果在人類生活中發(fā)揮巨大作用。事實(shí)上，化工、材料、能源、信息、環(huán)境、醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)等產(chǎn)業(yè)在發(fā)展過程中解決的很多問題，關(guān)鍵在相關(guān)核心化學(xué)問題的突破。

早期化學(xué)是“純經(jīng)驗(yàn)”科學(xué)，依靠實(shí)驗(yàn)試探總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、找尋規(guī)律、建立理論，摸索前進(jìn)。盡管取得了很大的成績，但探索過程盲目性大、效率較低，進(jìn)展緩慢。量子力學(xué)建立后，化學(xué)過程的物理基礎(chǔ)清楚了，化學(xué)變化的規(guī)律和變化過程原則上是可以理論預(yù)測的。狄拉克在1929年指出：“全部的化學(xué)基本規(guī)律已經(jīng)完全知道了，困難只是在于運(yùn)用這些規(guī)律得到的數(shù)學(xué)方程太復(fù)雜，無法求解?！庇捎谟?jì)算能力的限制，狄拉克的論斷對(duì)于當(dāng)時(shí)的化學(xué)研究沒有提出解決辦法。20 世紀(jì)30年代提出的價(jià)鍵理論和分子軌道理論成為指導(dǎo)化學(xué)研究的有力理論武器，探索前進(jìn)的速度顯著提高。但價(jià)鍵理論和分子軌道理論只能給出定性結(jié)論，化學(xué)研究多年來還是在很大程度上依靠實(shí)驗(yàn)試探。實(shí)現(xiàn)化學(xué)研究模式革新，無疑將提高化學(xué)探索研究的效率。

從20 世紀(jì)50年代開始，計(jì)算科學(xué)技術(shù)加速進(jìn)步，各行各業(yè)都在發(fā)揮計(jì)算科技的作用，改變了整個(gè)社會(huì)的運(yùn)行形態(tài)和人類生活方式，也助力化學(xué)進(jìn)入發(fā)展新階段。狄拉克論述中提到的數(shù)學(xué)困難逐步得到解決，得 益于計(jì)算科技的進(jìn)步，理論與計(jì)算化學(xué)取得重要進(jìn)展。1998年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予量子化學(xué)家約翰·波普，授獎(jiǎng)理由為：“化學(xué)理論和計(jì)算的研究有很大進(jìn)展，其結(jié)果使整個(gè)化學(xué)正在經(jīng)歷著一場革命性變化?！薄盎瘜W(xué)不再是門純實(shí)驗(yàn)科學(xué)。”2013年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予理論化學(xué)家阿里耶·瓦謝勒、馬丁·卡普拉斯和邁克爾·萊維特， 授獎(jiǎng)理由為：“電腦和試管對(duì)化學(xué)家一樣重要?！薄巴ㄟ^模擬，化學(xué)家能獲得比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)更快速、更精準(zhǔn)的預(yù)測結(jié)果?！边@表明化學(xué)發(fā)展踏上新臺(tái)階，不再單純憑經(jīng)驗(yàn)摸索前進(jìn)。

由于計(jì)算能力的限制，迄今理論計(jì)算只能對(duì)簡單化學(xué)問題給出滿意的定量結(jié)果。不過近年來計(jì)算科技進(jìn)步神速。2018年計(jì)算機(jī)峰值計(jì)算能力已經(jīng)達(dá)到1017FLOPS量級(jí)，現(xiàn)在正向1018FLOPS 量級(jí)邁進(jìn)。計(jì)算能力的快速提高給通過理論與計(jì)算解決復(fù)雜化學(xué)問題提供了契機(jī)，為理論與計(jì)算化學(xué)創(chuàng)造了大好發(fā)展機(jī)遇，應(yīng)該及時(shí)抓住。

化學(xué)在從“必然王國”走向“自由王國”的進(jìn)程中，理論與計(jì)算應(yīng)該成為得力的“參謀”，幫助開拓新思路和將思維精密化?；瘜W(xué)問題很復(fù)雜，在實(shí)驗(yàn)研究中理論分析很重要。但定性思考一般不能得到明確結(jié)論，需要通過計(jì)算將思維精密化。現(xiàn)代計(jì)算能力的極大提升使得這種讓思維精密化的作用凸顯出來。理論計(jì)算方法可以在化學(xué)前進(jìn)的征途中起“參謀”作用，通過計(jì)算將思考精密化，在實(shí)驗(yàn)前預(yù)測結(jié)果，減少探索研究的盲目性。理論與計(jì)算方法應(yīng)該成為化學(xué)借力計(jì)算科技進(jìn)步踏上發(fā)展新階段的“杠桿”，推動(dòng)化學(xué)研究逐步改變傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)摸索模式，實(shí)現(xiàn)研究模式革新。

盡管很多化學(xué)家認(rèn)識(shí)到應(yīng)發(fā)揮理論與計(jì)算對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的啟發(fā)、指導(dǎo)作用，但目前理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究還沒有緊密結(jié)合，理論與計(jì)算起的“參謀”作用不顯著，化學(xué)研究普遍還是采用實(shí)驗(yàn)試探方法。出現(xiàn)這種情況，主要原因有兩個(gè)：一方面是對(duì)于實(shí)際的化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，理論計(jì)算結(jié)果可靠性和精確度還不盡如人意；或者計(jì)算量過大，難于進(jìn)行高精度計(jì)算。隨著計(jì)算能力的快速提升，結(jié)合理論與計(jì)算方法的進(jìn)步，問題將逐步得到解決。另一方面是沒有足夠方便的計(jì)算軟件可供使用，一般實(shí)驗(yàn)研究人員不易掌握專業(yè)性很強(qiáng)的計(jì)算方法。只要有方便使用的計(jì)算軟件和計(jì)算設(shè)備，實(shí)驗(yàn)化學(xué)家也會(huì)像使用紅外光譜儀、X-射線衍射儀、核磁共振譜儀等設(shè)備一樣，配合實(shí)驗(yàn)探索進(jìn)行理論計(jì)算，使理論思考精密化。理論與實(shí)驗(yàn)研究緊密結(jié)合是利用計(jì)算科技進(jìn)步助力化學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵。功能全、效率高、使用方便的計(jì)算軟件是實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)研究緊密聯(lián)系的橋梁。在穩(wěn)定支持理論和計(jì)算方法研究的同時(shí)，應(yīng)該充分重視計(jì)算軟件研發(fā)。