強化理論與計算的參謀作用，提高化學(xué)探索研究的效率

黎樂民

（北京大學(xué)，北京100871）

化學(xué)研究的目標是探尋化學(xué)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)與性能的變化規(guī)律，并用獲得的知識造福人類，為社會的生存、發(fā)展與進步提供物質(zhì)支撐?；瘜W(xué)研究成果在人類生活中發(fā)揮巨大作用。事實上，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”科學(xué)，依靠實驗試探總結(jié)經(jīng)驗、找尋規(guī)律、建立理論，摸索前進。盡管取得了很大的成績，但探索過程盲目性大、效率較低，進展緩慢。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?！庇捎谟嬎隳芰Φ南拗?，狄拉克的論斷對于當時的化學(xué)研究沒有提出解決辦法。20 世紀30年代提出的價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，探索前進的速度顯著提高。但價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驗試探。實現(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50年代開始，計算科學(xué)技術(shù)加速進步，各行各業(yè)都在發(fā)揮計算科技的作用，改變了整個社會的運行形態(tài)和人類生活方式，也助力化學(xué)進入發(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 益于計算科技的進步，理論與計算化學(xué)取得重要進展。1998年，諾貝爾化學(xué)獎授予量子化學(xué)家約翰·波普，授獎理由為：“化學(xué)理論和計算的研究有很大進展，其結(jié)果使整個化學(xué)正在經(jīng)歷著一場革命性變化?！薄盎瘜W(xué)不再是門純實驗科學(xué)?！?013年諾貝爾化學(xué)獎授予理論化學(xué)家阿里耶·瓦謝勒、馬丁·卡普拉斯和邁克爾·萊維特， 授獎理由為：“電腦和試管對化學(xué)家一樣重要?！薄巴ㄟ^模擬，化學(xué)家能獲得比傳統(tǒng)實驗更快速、更精準的預(yù)測結(jié)果。”這表明化學(xué)發(fā)展踏上新臺階，不再單純憑經(jīng)驗摸索前進。

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

化學(xué)在從“必然王國”走向“自由王國”的進程中，理論與計算應(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，在實驗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，需要通過計算將思維精密化?，F(xiàn)代計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。理論計算方法可以在化學(xué)前進的征途中起“參謀”作用，通過計算將思考精密化，在實驗前預(yù)測結(jié)果，減少探索研究的盲目性。理論與計算方法應(yīng)該成為化學(xué)借力計算科技進步踏上發(fā)展新階段的“杠桿”，推動化學(xué)研究逐步改變傳統(tǒng)的經(jīng)驗摸索模式，實現(xiàn)研究模式革新。

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