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2013年10月9日，今年的诺贝尔化学奖揭晓，瑞典皇家科学院将此奖授予了3位科学家：法国斯特拉斯堡大学和美国哈佛大学的理论化学家马丁·卡普拉斯（Martin Karplus）、美国斯坦福大学生物物理学家迈克尔·莱维特（Michael Levitt），以及美国南加州大学化学家亚利耶·瓦谢尔（Arieh Warshel），以奖励他们在“发展复杂化学体系的多尺度模型”方面所做的贡献。有意思的是，这3位获奖者都是双重国籍，除了美国国籍外，他们还分别拥有奥地利、英国和以色列国籍。

化学是一门实验科学。提到化学，人们想到的首先就是实验室里的瓶瓶罐罐和仪器设备。上化学实验课时，我们将反应物加入反应容器，在一定的条件下得到反应产物。我们想知道，反应物和产物的分子结构是什么样的？反应过程中发生了什么？

科学家发明了一些方法，例如X射线衍射和核磁共振，用来分析化合物的结构。著名的DNA双螺旋结构，就是通过X射线衍射的方法发现的。不过，用这些办法弄清楚一个复杂分子的结构并非易事。至于反应的过程中到底发生了哪些变化，就更难以分析。所以，科学家尝试通过理论计算来模拟、解释化合物的结构和化学反应的过程。

我们知道，在物理学领域，经典力学和量子力学分别适用于宏观和微观这两个不同的世界。在理论化学领域也是如此，采用经典力学的方法，计算比较简单，因此可以模拟相对复杂的分子结构，但无法模拟化学反应过程；而采用量子力学方法，可以模拟反应过程，但由于计算量太大，只能模拟少数原子组成的简单体系。北京大学化学与分子工程学院的高毅勤教授介绍说，如果进行高精度的量子化学计算，即使是仅有几十个原子的“简单”体系，用目前最强大的超级计算机进行计算也有很多困难。因为要计算每一个电子的状态，这些电子之间还互相耦合，需要求解非常复杂的偏微分方程，计算量大得惊人。

卡普拉斯等3位获奖者发展出的计算方法，将经典力学和量子力学结合起来，从而可以研究复杂化学体系的动力学，包括生物大分子的构象变化、酶催化反应等。高毅勤教授介绍，这些过程有时会涉及到多个不同的大分子协同作用来实现某种功能，不但体系中原子的数目非常多，而且还会涉及化学键的断裂等复杂情况。处理这样的复杂体系，不但要考虑电子的状态，也要考虑分子的结构及构象，还要考虑到分子周围的环境，这就是“多尺度”的含义。

如果都用最小尺度上的精确计算，那是不可能完成的任务。卡普拉斯等建立的方法，就是在不同的尺度上，用不同的方法来处理。例如发生反应处的少数核心原子，采用量子力学的方法进行精细计算；其他没有参与反应的原子则用经典力学方法计算，还可以用其他方法进一步简化，比如把几个原子作为一个比较大的粒子处理。采用这种方法，现在已经可以比较好地模拟包含几百到几千个原子的体系；如果用较低的精度，甚至可以处理包含几亿个原子的体系，例如可以模拟一个病毒的蛋白质外壳是如何运动、变化的。这种方法在众多领域得到非常广泛的应用，包括材料、药物研发、酶催化过程研究、化学反应模拟、生物大分子的模拟等。

在不同的尺度上，用不同的方法来处理。

卡普拉斯是分子动力学模拟领域早期的开拓者之一。早在20世纪六七十年代，他就对最简单的化学反应体系H+H2（即一个氢原子和一个氢气分子之间的反应）进行了计算模拟。瓦谢尔曾与莱维特合作，开发出一套基于经典理论对分子进行模拟的程序。1970年，瓦谢尔加入卡普拉斯的实验室，他们首次将经典和量子的方法结合。几年后，瓦谢尔又与莱维特合作，发表了首个模拟酶类反应的计算方法。

以往的化学研究中，理论化学起到的作用不大，重要的原因就是化学的体系相对来说比较复杂，难以计算。现在，基于3位获奖者建立的理论框架，随着计算机技术的发展，理论化学家们可以处理的体系越来越复杂，越来越接近真实的体系，精度也越来越高。“模拟的结果可以与实验结果相比较、验证，会促使理论研究进一步深入。这一点非常重要。”高毅勤教授说。由于他们的贡献，今天的化学研究，实验和理论相辅相成，互相促进。

中科院化学所边文生研究员评论道，1998年诺贝尔化学奖得主沃尔特·柯恩（Walter Kohn）和约翰·波普（John A. Pople）建立的量子化学计算方法，极大地推动了化学科学走向精确化。今年的诺贝尔化学奖再次颁给了理论化学家，表明化学这一传统的实验学科正在发生质变，理论化学正在发挥越来越重要的作用。

（本文发表于《科学世界》2013年第11期）