強化理論與計算的參謀作用，提高化學探索研究的效率

黎樂民

（北京大學，北京100871）

化學研究的目標是探尋化學物質的組成、結構與性能的變化規律，并用獲得的知識造福人類，為社會的生存、發展與進步提供物質支撐。化學研究成果在人類生活中發揮巨大作用。事實上，化工、材料、能源、信息、環境、醫藥和農業等產業在發展過程中解決的很多問題，關鍵在相關核心化學問題的突破。

早期化學是“純經驗”科學，依靠實驗試探總結經驗、找尋規律、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。量子力學建立后，化學過程的物理基礎清楚了，化學變化的規律和變化過程原則上是可以理論預測的。狄拉克在1929年指出：“全部的化學基本規律已經完全知道了，困難只是在于運用這些規律得到的數學方程太復雜，無法求解。”由于計算能力的限制，狄拉克的論斷對于當時的化學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化學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論，化學研究多年來還是在很大程度上依靠實驗試探。實現化學研究模式革新，無疑將提高化學探索研究的效率。

從20 世紀50年代開始，計算科學技術加速進步，各行各業都在發揮計算科技的作用，改變了整個社會的運行形態和人類生活方式，也助力化學進入發展新階段。狄拉克論述中提到的數學困難逐步得到解決，得 益于計算科技的進步，理論與計算化學取得重要進展。1998年，諾貝爾化學獎授予量子化學家約翰·波普，授獎理由為：“化學理論和計算的研究有很大進展，其結果使整個化學正在經歷著一場革命性變化。”“化學不再是門純實驗科學。”2013年諾貝爾化學獎授予理論化學家阿里耶·瓦謝勒、馬丁·卡普拉斯和邁克爾·萊維特， 授獎理由為：“電腦和試管對化學家一樣重要。”“通過模擬，化學家能獲得比傳統實驗更快速、更精準的預測結果。”這表明化學發展踏上新臺階，不再單純憑經驗摸索前進。

由于計算能力的限制，迄今理論計算只能對簡單化學問題給出滿意的定量結果。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達到1017FLOPS量級，現在正向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雜化學問題提供了契機，為理論與計算化學創造了大好發展機遇，應該及時抓住。

化學在從“必然王國”走向“自由王國”的進程中，理論與計算應該成為得力的“參謀”，幫助開拓新思路和將思維精密化。化學問題很復雜，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論，需要通過計算將思維精密化。現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，在實驗前預測結果，減少探索研究的盲目性。理論與計算方法應該成為化學借力計算科技進步踏上發展新階段的“杠桿”，推動化學研究逐步改變傳統的經驗摸索模式，實現研究模式革新。

盡管很多化學家認識到應發揮理論與計算對化學實驗研究的啟發、指導作用，但目前理論計算與實驗研究還沒有緊密結合，理論與計算起的“參謀”作用不顯著，化學研究普遍還是采用實驗試探方法。出現這種情況，主要原因有兩個：一方面是對于實際的化學實驗研究對象，理論計算結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性很強的計算方法。只要有方便使用的計算軟件和計算設備，實驗化學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合是利用計算科技進步助力化學發展的關鍵。功能全、效率高、使用方便的計算軟件是實現理論與實驗研究緊密聯系的橋梁。在穩定支持理論和計算方法研究的同時，應該充分重視計算軟件研發。