本文转载自诺贝尔化学奖系列，原文为《【2013 诺贝尔化学奖】将实验带入网际空间》。
译者/曹|他在德克萨斯A & amp美国m大学，现就读于日本Raya公司。译者/蔡云明|台大化学系名誉教授，化学反应正以闪电般的速度进行；电子在原子核之间跳跃，躲过化学家的眼睛。2013年诺贝尔化学奖得主利用计算机揭示了化学的神秘路径。了解化学操作的细节使得催化剂、药物和太阳能电池的优化更加高效。
世界各地的许多化学家几乎每天都在计算机上设计和进行实验。通过马丁卡普拉塞、迈克尔莱维特和亚利耶瓦谢尔在20世纪70年代开发的方法，化学家们检查了复杂化学过程中肉眼看不到的每一个小步骤。
为了让读者感受到人类是如何从中受益的，我们先举个例子。请穿上你的实验服，因为我们要给你一个挑战：创造人工光合作用。绿叶中的化学反应使大气中充满氧气，这也是地球上生命存在的必要条件之一。但从环境的角度来看，这是有意义的，因为如果你能模拟光合作用，你就能创造出更高效的太阳能电池。当水分解时，它会产生氧气，但伴随的氢气可以用来驱动我们的车辆。因此，你完全有理由参与这个项目。如果你成功了，你将为解决温室效应问题做出贡献。
将实验带入网际空间
作为第一步，你要去网上找控制光合作用的蛋白质的三维结构图像。这些图像可以从网上自由获取，你可以在电脑上随意旋转扭曲。它揭示了巨型蛋白质分子中的数万个原子。在中心的某个地方，有一小块区域叫做反应中心，水分子就是在这里被裂解的。但是只有少数原子直接参与这个反应。图像清楚地显示了原子和离子的位置，但它无法说出这些原子和离子是如何工作的，这是你需要弄清楚的。不知何故，电子必须从水分子中取出，另外四个质子(H)必须被处理。这到底是怎么回事？
如今，化学家在计算机上做实验几乎和在实验室里做实验一样频繁。从计算机上得到的计算结果经过真实的实验验证后，我们就可以得到原子世界如何运作的新线索。可以说理论和实践是相辅相成的。图/诺贝尔化学奖系列这个过程是传统化学方法无法理解的。一毫秒(10-3秒)内发生的事情太多，排除了用试管实验来研究的可能。从你的电脑图像中猜测反应过程还是比较困难的，因为图像是静态拍摄的。然而，当阳光照射在绿叶上时，那些蛋白质充满了能量，整个分子的结构发生了变化。要理解这个化学反应，你需要知道充满能量的分子结构是什么样子的。
这是你需要召唤计算机程序来帮助你的时刻，而这些计算机程序是建立在2013年诺贝尔化学奖获得者所奠定的基石之上的。
00-1010用这个计算机程序，你可以计算出各种可能的反应路径，这就是所谓的模拟或建模。这种方法使你对原子在化学反应不同阶段的作用有所了解。当你有了可能的反应路径，就更容易进行真实的实验来验证计算机是对是错。这些实验反过来提供了新的线索，导致更好的计算机模拟结果。理论和实践相辅相成。结果，化学家在电脑前花的时间几乎和他们在试管间花的时间一样多！
那么诺贝尔化学奖获得者开发的计算机程序到底有什么魔力呢？
一张图超过千言万语但并非全部
过去科学家想在计算机上模拟分子时，他们的程序要么基于经典牛顿物理，要么基于量子物理，两者各有利弊。基于经典物理学的程序可以计算和处理大的化学分子。它们只能显示静态分子，让化学家很好地了解分子中原子的相对位置，但你不能用这些程序模拟化学反应。在化学反应中，分子充满能量，处于激发态，超出了经典物理的理解范围，这就成为一个严重的局限性。
牛顿和薛定谔的猫：曾几何时，经典物理和量子化学属于两个对立的世界，2013年诺贝尔化学奖得主为这两个世界打开了一扇门，带来了繁荣的合作。图/诺贝尔化学奖系列当科学家想要模拟化学反应时，需要求助于量子物理；在他的二元论理论中，电子被认为既是粒子又是涨落，其中著名的“薛定谔的猫”就藏在一个盒子里，可能是活的，也可能是死的。物理学的长处在于它是无偏的，它的模型不包含科学家的预测，所以这样的模拟更真实。但是它的缺点是计算需要巨大的计算机资源，因为计算机需要处理分子。
中的每一个电子以及原子核。这就好像一张数位图像的像素（pixel）数目，像素越多，解析度越佳，但是需要较多的电脑空间。类似地，透过量子物理的计算，虽然可以描绘化学反应中的详细过程，但是需要强大的电脑。在 1970 年代，这意味着科学家们只能对小分子进行计算。在模拟时，他们被迫忽略分子与周遭环境的作用，虽然真实世界中的化学反应大都在某些溶液中进行，但是假若科学家们计算时，要电脑将溶剂也一併考虑的话，他们将需要等待个几十年才能得到结果。
所以古典物理与量子化学是两个本质上不同，而且在某些方面相互冲突的世界。但是 2013 年的诺贝尔化学奖得主们，替这两个世界打开了一扇大门。在他们的模型里，牛顿与他的苹果，跟薛丁格和他的猫合作。
量子化学与古典物理合作
在 1970 年代，在美国剑桥哈佛大学卡普拉斯的实验室里，开展了合作的第一步。卡普拉斯具有深厚的量子背景，他的研究小组发展的电脑程式，藉着量子物理的帮助可以模拟化学反应。他也发展了所谓的「卡普拉斯方程式」应用于核磁共振（NMR），那是一个化学家熟知的方法，乃基于分子的量子化学性质所建立的。当瓦歇尔完成他的博士学位后，在 1970 年进入了卡普拉斯的实验室。他的博士学位是在以色列 Rehovot 的 Weismann 科学研究院所获得的，该研究院拥有一台能力强大的电脑，被称为 Golem，那是取自犹太传说中的一位有生命的泥人的名字。透过 Golem 的帮助，瓦歇尔与李维特基于古典理论，发展了一个突破性的电脑程式，此程式能够模拟各种分子，甚至于真正很大的生物分子。
当瓦歇尔加入卡普拉斯在哈佛大学的研究小组时，带着他那古典的电脑程式，以这个程式为起点，他与卡普拉斯发展了一个新的程式，以不同的方式计算不同的电子。在大部分的分子中，每一个电子绕着特定的原子核运行，但是在某些分子中，某些电子可以毫无阻碍的在数个原子核间移动，这些「自由电子」可以存在于像是视网醛（retinal）这个分子中，此分子是嵌在眼睛的视网膜上。卡普拉斯对于视网醛有着长期的兴趣，因为这个分子的量子化学性质，影响了某些生物的功能；当光照射在视网膜上，视网醛的自由电子就会得到能量，因此改变了分子的形状，这是人类视觉的第一步。
最后，卡普拉斯与瓦歇尔终于能够处理视网醛，不过他们是从具有简单结构的类似分子开始的。他们发展了一个电脑程式，运用量子物理来处理自由电子的计算，但是用简单的古典理论来处理其它的电子以及所有的原子核。在 1972 年，他们发表了研究结果，这乃是第一次有人能够透过古典与量子物理的合作来处理化学相关的问题，但是此法仅能处理具有镜面对称性的分子（像人一般有一面镜子在身体正中央而左右对映）。
一个万用程式来计算生命的化学
在哈佛大学待了两年之后，瓦歇尔又与李维特合作。此时李维特已经完成了英国剑桥大学的博士训练，正值全球尖端的研究都在于探讨像是 DNA、RNA 以及蛋白质这类的生物分子。他企图用他的古典电脑程式，来对生物分子的结构做进一步的了解，然而限制仍然存在，仅能观察静态的分子。
李维特与瓦歇尔瞄準了一个很高的目标，他们想要发展一个程式用来研究酵素；也就是生命活体中，控制与催化化学反应的许多蛋白质。早在瓦歇尔还是一位年轻的学生时，他就对于酵素如何运作很好奇。透过酵素间的相互合作，生命才可能存在，它们控制了基本上所有生命体内的各种化学，如果你想要了解生命，你就必须了解酵素。
爲了能够模拟酵素的反应，李维特与瓦歇尔必须让古典与量子物理的合作更为顺畅，这花了他们许多年去克服各种障碍。他们的探索始于 Weismann 科学研究院，但是当李维特在数年后完成了他的博士后研究的训练，他回到了剑桥，在那里瓦歇尔也来加入。在 1976 年，他们达成了目标，并发表了第一个酵素反应的电脑模拟，他们的程式是革命性的，因为它可以用在各种分子上，在模拟化学反应时，大小已经不成问题。
聚焦于运作的心脏
现在当化学家模拟化学反应时，他们需要时就会运用这种力量。他们对每一个直接影响化学过程的电子与原子核，进行吃力的量子物理计算，这样，他们取得关键所在儘可能最佳的解析，分子其他的部分则用古典的方程式来模拟。
爲了不浪费电脑的能力，李维特与瓦歇尔将计算的负载进一步修减，电脑不需要一直处理分子中不重要部分的每一个原子，他们展示了可以将多个原子合併计算。
现在的计算中，科学家还在模拟时加入了第三个层次。简单的来说，电脑可将离化学反应中心很远的原子们包裹在一起，成为一个均匀的质体。在科学圈内，这被称为介电介质（dielectric medium）。
模拟将带我们进展至多远决定在未来
因为现今的科学家可以用电脑来进行实验，这让我们对化学反应如何的进行得到了更深的理解。卡普拉斯、李维特以及瓦歇尔发展的方法的强度在于它们是万用的，它们可以用来研究各种化学；从生命的分子到工业上的化学反应，科学家可以将太阳能电池、汽车用的催化剂或甚至于药物最佳化，而这仅是举几个例子而已。
不过进展不会停在那里，在李维特的一篇论文中，写到了他的梦想：在分子的层次模拟生命体，那真是个极为诱人的想法。由 2013 年的诺贝尔化学奖得主们发展的电脑模拟，是极为有力的工具，到底它可将我们的知识推进到多远，只有未来才能决定。
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