本报记者  陈 丹

    化学反应发生的速度迅雷不及掩耳，电子在原子核之间的跳转不过百万分之一秒，令人无从窥探。过去，化学家们曾利用塑料球和小棍来构建分子的模型，但现在，建模交给了计算机，设计和开展实验都可以在计算机上完成。而这些反映真实情况、了解和预测化学反应过程的计算机程序，正是建立在2013年诺贝尔化学奖的3位得主——马丁·卡普拉斯、迈克尔·莱维特和阿里耶·瓦谢勒在上世纪70年代的研究基础之上。

    当时，这三位科学家结合经典和量子物理学，设计出多尺度复杂化学系统模型，将传统的化学实验搬到了网络世界。这一完美结合现实与理论的化学系统模型，为更全面了解并预测化学反应进程奠定了基础。

    画面胜过万语千言

    利用计算机对真实生命进行模拟，让复杂化学过程中肉眼不可见的每一个细微步骤都“历历在目”， 这一有助于对催化剂、药物和太阳能电池进行优化的过程，已成为当今化学领域中大部分新研究成果成功的关键因素。

    让我们用一个小例子来解释这项技术如何让人类从中受益：如果能够人工模拟光合作用，将能够研制出更高效的太阳能电池；当水分子分裂，会释出氧气，同时产生可用于驱动车辆的氢。但这个过程的细节——当阳光照射绿叶，让蛋白质充满能量，整个原子结构随之发生变化——几乎不可能用传统的化学方法来反映。

    要了解其中的化学反应，就得知道这个充满能量的状态看起来是什么样的。这个时候就需要使用能够逼真模拟这一过程的计算机程序了。

    使用这种软件可以计算出各种似是而非的反应途径。这就是所谓的模拟或建模。由此你可以了解特定原子在不同阶段的化学反应扮演什么样的角色。而当你找到一个合理的反应路径，就比较容易开展真正的实验，来验证计算机正确与否。反过来，这些实验也可以提供新的线索，使模拟更加优化。这也是为何现在的化学家们花费尽可能多的时间坐在电脑前而不是摆弄试管的原因所在。

    量子化学与经典物理学携手

    那么，被授予诺贝尔化学奖的这个计算机程序到底特殊在哪里？

    以前，科学家在电脑上模拟分子时所用的软件，要么基于经典的牛顿物理理论，要么基于量子物理学。二者各有优势，也有短板：经典理论的程序可以计算和处理大化学分子，但只能显示处于静止状态的分子，这虽然让化学家们得以很好地描述原子在分子内的定位，却无法用来模拟化学反应，因为分子在反应过程中充满“活力”。经典物理学对这种活跃状态根本一无所知，这是一个严重的局限性。

    为此，科学家们不得不转向量子物理学，根据这种二元论，电子可以同时以粒子和波的形式存在，而薛定谔那只隐藏在盒子中的著名的猫，可以既是活的也是死的。量子物理学摒弃了科学家的任何偏见，因而模拟更显逼真。但不足之处是，量子理论的程序可以对化学过程进行详细推演，却要求具备强大的计算能力，计算机必须处理分子中每一个电子和每一个原子核。在20世纪70年代，科学家们只能进行小分子的计算，建模时也要被迫忽略与周围环境比如溶液的相互作用，而这却是现实生活中化学反应发生时最常见的背景。

    经典物理学和量子化学是两个完全不同的世界，而3位诺贝尔化学奖得主所做的，就是在这两个世界之间打开了一扇门。在他们的计算机模型中，牛顿和他的苹果与薛定谔和他的猫携手合作了。

    合作的第一步，是20世纪70年代在卡普拉斯位于美国哈佛大学的实验室中迈出的。卡普拉斯的研究小组开发的计算机程序，可以在量子物理学的帮助下模拟化学反应。他还开发了用于核磁共振（NMR）的“卡普拉斯方程”，这种基于分子的量子化学性质的方法是化学家们众所周知的。

    1970年，在以色列魏茨曼科学研究所获得博士学位的瓦谢勒带着他的经典计算机程序进入了卡普拉斯的实验室。以此为出发点，瓦谢勒和卡普拉斯开始开发一种能够对不同电子执行各种计算的新程序。

    在大多数分子中，每个电子都围绕一个特定的原子核旋转。但在有些分子内，特定的电子可以在几个原子核之间不受阻碍地移动。这种“自由电子”在视网膜中就可以找到。长期以来，卡普拉斯都对研究视网膜很感兴趣，因为这种分子的量子化学特性会影响到一种特定的生物功能。光线的照射能够让视网膜中的自由电子充满能量，从而改变分子的形态，这是人类产生视觉的第一阶段。

    卡普拉斯和瓦谢勒从一种结构更为简单的类似分子入手，成功完成了对视网膜的建模。他们开发出一种计算机程序，在执行自由电子计算时引入量子物理学理论，而当执行所有其他电子和原子核计算时，则采用更简单的经典理论。他们在1972年发表了这一研究结果。这是首次成功实现经典物理学和量子物理学在化学方面的合作。该程序是一个开创性的突破，但不足之处在于，它只能处理镜像对称的分子。

    一个了解生命的通用程序

    在哈佛工作两年后，阿里耶·瓦谢勒与迈克尔·莱维特聚首。莱维特当时已经在生物分子如DNA、RNA和蛋白质研究领域处于世界领先水平的英国剑桥大学读完了博士生课程。他一直希望能用他的经典计算机程序，更好地了解生物分子的“模样”，但却始终无法克服障碍，只能在观察分子的静止状态。

    两人设立了一个高目标：开发一个用于研究酶的程序，酶是生物体内管理和简化化学反应的蛋白质，它们几乎控制了生物体内所有的化学反应。

    为了模拟酶促反应，瓦谢勒和莱维特需要让经典物理学和量子物理学的合作更顺畅。1976年，他们成功开发出第一个酶促反应的计算机模型。这个程序是革命性的，因为它适用于任何种类的分子，帮助对各种分子甚至是真正的大生物分子建模。当模拟化学反应时，尺寸再也不是问题了。

    他们还进一步节省了计算工作量，让计算机“放弃”分子中的每个他们不感兴趣的单原子分子。研究已经表明，在计算过程中可以合并一些原子。

    化学界的革命

    多尺度复杂化学系统模型的出现无疑是化学界的革命。通过该模型，科学家实现了用电脑监控微小而瞬间的化学变化，从而能将催化等过程最优化。例如在模拟药物如何到达体内靶蛋白的实验中，电脑可直接对与药物相互作用的靶蛋白原子执行量子理论计算，精确分析出药物发生作用的全过程。

    前进的脚步不止于此。莱维特在其著作中描述了他的梦想之一：在分子水平上模拟生物体。这是一个诱人的想法，他们现在拥有多尺度复杂化学系统模型这个强有力的工具。至于能够走多远，带给我们的认知有多深，则要由时间来决定。