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复杂化学体系的多尺度模型 　　摘要：介绍了2013年诺贝尔化学奖的获奖者、获奖成果及对教育的启示。 　　关键词：化学；诺贝尔奖；多尺度模型 　　文章编号：1008-0546（2013）11-0002-03 中图分类号：O6-1 文献标识码：B 　　doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2013.11.001 　　北京时间2013年10月9日下午5点45分，瑞典皇家科学院诺贝尔颁奖委员宣布今年的诺贝尔化学奖授予马丁·卡普拉斯（Martin Karplus），迈克尔·莱维特（Michael Levitt）和亚利耶·瓦谢尔（Arieh Warshel），以奖励他们在“发展复杂化学体系多尺度模型”方面所做的贡献。这三位科学家长期致力于开发计算机程序来研究化学反应，他们创造性地让经典物理学与量子物理学在化学研究中“并肩作战”，为用计算机程序模拟和预测化学过程奠定了强有力的基础。 　　一、获奖者简介 　　马丁·卡普拉斯（Martin Karplus），1930年出生于维也纳，拥有美国和奥地利双重国籍，是一位在奥地利出生的美国理论化学家，犹太裔。卡普拉斯1950年取得哈佛大学的文学学士学位，1953年获加州理工学院的博士学位，现为美国哈佛大学化学教授。他是著名化学家鲍林的学生。主要研究方向是生物大分子的分子动力学模拟，他提出的“卡普拉斯方程”后来被应用于核磁共振技术之中。他兴趣广泛，爱好摄影、写作，举办过多次个人摄影展。 　　迈克尔·莱维特（Michael Levitt），1947年出生于南非比勒陀利亚，拥有美国和英国双重国籍，生物物理学家，美国斯坦福大学结构生物学教授。1971年于英国剑桥大学冈维尔与凯斯学院获得博士学位。莱维特曾到北大做过访问和报告，是北大定量生物学中心的兼职教授，该中心主任汤超对莱维特的印象是莱维特时时刻刻都在工作，“他现在还是自己编程，相比之下，有很多科学家都让学生来做编程，而莱维特总是自己做，比较有特色。”此外，汤超还认为莱维特“总是给人耳目一新的感觉，总是去做新的东西”，是个非常有创造性的人。 　　亚利耶·瓦谢尔（Arieh Warshel），1940年出生于以色列，拥有美国和以色列双重国籍。瓦谢尔曾参加过两次中东战争。1969年在以色列魏兹曼科学院获得博士学位，随后，他在哈佛大学做博士后工作，1972年至1976年，他回到魏兹曼研究院研究分子生物学，在英国剑桥的实验室工作，2008年成为英国皇家化学学会资深会员，2009年当选美国国家科学院院士，目前为美国南加州大学杰出教授。 　　二、获奖成果介绍 　　1.复杂化学体系的多尺度模型 　　为了帮助人们理解物质的性质和变化，化学家们常常会利用塑料短杆和小球来表示分子结构。今天，借助计算机软件的帮助，化学家们使用电脑来展示各种分子模型，甚至可以模拟化学变化过程。 　　那么，谁设计了这些软件？设计的依据又是什么？ 　　上世纪70年代以前，科学家们在电脑上模拟分子所使用的软件，要么是基于经典物理学的，要么是基于量子物理学的。经典物理的强大之处在于其计算过程相对简单，可以模拟非常大型的分子及其精细结构。但是经典物理也有明显的劣势，它只能计算静态，无法模拟化学反应过程，因为在反应过程中，分子是充满能量而处于激活态的。为了表现这一部分，化学家们不得不求助于量子物理学。在量子物理学中，电子具有波粒二象性，它既可以是粒子，也可以同时是波，因此它可以如实描述化学反应过程，但却需要计算机处理分子内部的每一个电子和每一个原子核，靠它只能算有限的小分子，甚至无法考虑溶剂的影响。 　　今年的三位诺贝尔化学奖得主成功地将这两种方法进行分工，如图1所示：反应中心的自由电子用量子计算，外围的原子用经典物理，更外面的溶液就当成均一的电介质，不模拟。因此，采用经典物理和量子物理两种不同标准来研究化学反应的过程，这就是多尺度。这三位科学家不仅提出了“多尺度模型”，而且依据其编制出了相应的计算机程序。 　　2.复杂化学体系的多尺度模型的由来与发展 　　多尺度模型是如何发展和形成的呢？ 　　多尺度模型的最初一步是在20世纪70年代，由马丁·卡普拉斯和亚利耶·瓦谢尔在美国哈佛大学的实验室中迈出的。 　　卡普拉斯一直致力于量子物理方法的研究工作。他带领的研究组开发的计算机程序可以利用量子物理原理来模拟化学反应过程。他还提出了“Karplus方程”，该方程的原理后来被应用到了核磁共振技术中，这是一项化学家们所熟知的，基于分子的量子特性而发展起来的方法。 　　1970年，瓦谢尔来到卡普拉斯在美国的实验室并带来了他的计算机程序。瓦谢尔曾在以色列的魏茨曼科学研究院进行博士阶段的研究工作，在超级计算机“Golem”（Golem，犹太人民间传说中的无生命的巨人，注