主题：【原创】量子化学历史拾零-前言 -- 西行的风

Sir John Anthony Pople,我对这个人感兴趣的原因首先来自一台计算机,我带过的一门量子化学课程里,POPLE.CHEM.XXX.EDU是这台计算机的主机和网络用户名.后来和系里的老教授H.F聊天,老头对POPLE很是佩服的样子,让我更感兴趣了.于是就有了这个小故事.

前面说了,这个系列以知识和趣味为主,我就先从老先生的婚恋开始.

科学家给人的印象可能比较沉闷,作为诺贝尔化学奖(1998年老先生因为创建了理论模型化学，就是通过GAUSSIAN TYPE方程,典型的例子是6-31G(d,p),来作量子化学的计算而获得了诺贝尔化学奖)获得者,尤其是量子化学的诺贝尔奖,很多人可能觉得老先生是典型的学究性人物.其实那,说出来大伙可能会猛吃一惊,这位老先生年轻的时候把自己的女老师娶了.

话说1948年23岁正在剑桥三一学院攻读数学研究生的John Pople对钢琴很感兴趣,据说每天都弹,水平怎么样那? 不好说,不过他的邻居,退休的老哲学家Ludwig Wittgenstein很快就搬走了,这两者有没有联系那就没有人知道了.John可能觉得过意不去或者说怕未来的邻居重蹈覆辙,赶紧就请了一位女钢琴老师,这位钢琴老师Joy Bowers正是花样年华的时候,于是两位年轻人你教我学慢慢就成了朋友,再后来John更进一步,发展为恋人,再经过四年爱情长跑,开始了幸福的家庭生活,直到2002年Joy去世,两人婚姻持续了50年,老先生两年后,2004年跟随夫人而去.

说完家庭,我再来说说老先生的成就,大伙尤其是搞化学和物理的,可能或多或少都听说过鼎鼎大名的GAUSSIAN软件,它就是John Pople在 Carnegie-Mellon University时期开发的,第一个正式免费发布版本是Gaussian70,跟着就是Gaussian80.从那以后GAUSSIAN版本的使用就不再是免费的了.老先生可能是GAUSSIAN免费就是现在所说的开源的坚定支持者.遗憾的公司的资本一旦开始运作,就不是POPLE所能控制的了,很难说谁对谁错,GAUSSIAN现在成了最成功的计算化学软件的BENCHMARK.老先生在1991年到被彻底开除出公司.有个很有趣的站点 http://www.bannedbygaussian.org 大伙有兴趣可以看看你的学校有没有在GAUSSIAN的黑名单上.这个事情让我想起联想公司和首任总工程师倪光南的例子,两者是有一定可比性的.对双方而言都是悲剧性的结局.

掠过这个官司不提,GAUSSIAN的伟大之处在于自从老先生开发出这个软件后,计算化学算是真正实用普及开来,就像数值分析方法使得天气预报变得实用一样,GAUSSIAN使得量子化学计算真正在化学,生物化学变得简易可行起来,而不仅仅是在计算化学家的小圈子内流行.

见谅.

虽然后来搞了有机，但上课时觉得量子化学是最有意思的。

河里大牛众多,

第一次在本版被推荐,还请多多指教.

后来没搞理论，本科学那点量化基本都还给老师了。

当然是由于高达三世那个酷老头和他的Jaguar；在一个合作课题中用过Jaguar，但了解不多。前辈有没有兴趣8g一下？还有GAMESS

Walter Kohn,Density Functional Theory的发现者.在我看来,是一个典型美国梦的原型.年纪轻轻作为纳粹难民,先到英国,然后加拿大,最终认同美国作为祖国,再到1998年诺贝尔奖获得者,其中的艰辛和奋斗是让人敬佩的.

Walter Kohn,其父亲是奥地利商人,母亲受过高中教育,本人在高中时期数学成绩平平仅获得C,相信大伙肯定觉得这样一个人,最终拿到诺贝尔奖可以用奇迹来形容吧.这样的奇迹是怎么发生的那?

我们看看,二战时期,平凡少年的KOHN从奥地利家乡逃难到英格兰,年仅16岁(KOHN的父母是犹太人,后来在奥地利死于纳粹的大屠杀),后来辗转到加拿大,再到美国.这个过程里他的自我身份认同我相信一直是个问题,这段漂泊的经历肯定让年轻的WALTER刻骨难忘,因为后来他参加了加拿大军队,试图对德国作战,甚至在诺贝尔获奖感言的时候还提到奥地利给他带来的惨痛回忆.另一方面,WALTER在美国还一直参与犹太人在美的政治活动,冷战时期还坚决反对美苏的核竞赛,甚至试图终止他所在的University of California和Los Alamos and Livermore的核武器研究项目.从这些方面,我们可以看到二次世界大战对作为犹太人的WALTER的影响可谓贯穿了一生.不过,年轻时代和年老的KOHN先生在美国的生活还是很幸福的,现在有三个女儿和三个外孙,都在加利福尼亚.

KOHN先生的主要成就在于DFT理论,就是中文所说的密度泛函理论,这个理论由KOHN先生和Pierre Hohenberg共同证明出来的,我这里用的是证明而非推导,因为没有人能够给出量子化学里的波函数和电子密度的具体关系,KOHN先生最初证明了基态(GROUND STATE)波函数和电子密度是一一对应的关系,就是说电子密度确定了,基态波函数就确定了.反过来亦然.大伙可能就要问了,这个有什么用阿?很有用.在此以前所有的波函数都要处理3N个变量(N是多系统体系的粒子个数,3N就是乘以三坐标X,Y,Z).从DFT理论后,就可以用Kohn-Sham method得到电子密度,进而推导出近似的波函数,量子化学的中心问题,波函数求解问题就得以简化解决了.这个东西对于大规模分子和SOLID STATE PHYSICS计算很有用,缺陷就是分子间弱相互作用计算不是很精确.

无论如何,KOHN先生的工作是开创性的,简单实用.今天DFT计算随处可见,"简单就是美"再一次得到了体现.

KOHN先生一生的曲折经历和学术上的成就倒是体现了中国的一句老话,

宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来.

他有很多物理上的工作，不少工作现在还很有价值。据说他一直有个遗憾，就是没拿到诺贝尔物理学奖，却拿了化学奖。

Max Planck生于1858,亡于1947,熟悉欧洲历史或者军事历史的人都知道这意味着什么,一次和二次世界大战,德国都是战争发源地.作为德国人的一员,Max Plank的后半生可以预见的处于战争的阴影中.

话说Max可谓出生于书香门第,他的爷爷,父亲都是教授,他本人学习优异,而且很有音乐天赋,这个人可是个音乐全才,唱歌,管风琴,钢琴,大提琴那是样样都会,而且会谱曲,还创作歌剧.牛吧.这要放到现在,什么周杰伦,童安格什么的都要一边凉快了,不过那,很可惜,可能是家庭影响,这位本来在音乐界很有前途的少年在17岁就开始深入研究物理学,而且非常感兴趣.

要说19世纪是个科学界的黄金时代,经典物理学发展到及至,以致于Max的指导教授Philipp von Jolly直接了当的泼了瓢冷水,原话大意是"你搞这个干什么,物理学已经发展到完美了(你在浪费时间)."Max倒是回答的老老实实,"我没指望发现点啥,就是喜欢,搞清楚学会就行了."老师到也无话可说,两人都没想到的是,就是Plank解开了量子力学的面纱.1897年是个重要年份,这年作为柏林大学教授的Max开始和电力公司合作(和现在很象吧),大意就是你出钱,我来把灯泡的电力发光最大化,开始研究黑体辐射(black-body radiation),这玩意通俗讲就是搞清楚电磁辐射的强度和温度还有辐射频率的关系是什么.Max搞出了个Plank黑体辐射定律,就是鼎鼎大名的E = hν.第一次提出电磁能量只能被不连续的辐射出来,既是说量子化.有趣的是就是Max本人都对这个理论不感冒,以至于沮丧的说出"这东西是个怪胎,我简直觉得我以前学的物理学都要被动摇了."恰恰就是这个不受欢迎的胎儿表明了量子力学的诞生.从这点意义上说,Plank应该算是量子力学之父.

说完了Plank的成就,就不能不提他幸福的前半生和不幸的晚年了.

前面说了,Max出生书香世家,学术生涯一帆风顺,29岁结婚,生了四个孩子(两男两女),其中还有一对双胞胎,一直到1909年,这家人是热闹非凡,Plank多才多艺,家庭幸福,学术成就非凡,Albert Einstein, Otto Hahn,Lise Meitner还有Hermann von Helmholt这些学术界大人物是他们家的常客,并且时不时大伙还来个家庭音乐会.可惜,这一切似乎是Max一生中最好的时光,1909年,他的第一任夫人因病去世,算是天灾,跟着就是人祸了,1914年Plank的长子Karl在一战中阵亡,二儿子Erwin跟着在法国作战被俘,两个女儿没有参加战争,却都在一战期间难产而死.这样的打击为人父母者可想而知.Plank坚持了下来,似乎上天还觉得不够,一战时期生存下来的二儿子Erwin在1944年试图刺杀Hitler时被抓获,1945年被绞死.这似乎是对Plank的最后一击,老人在两年后抑郁而终.

常言说科学没有国界,但科学家是有祖国的. Max Karl Ernst Ludwig Planck,不管本人愿意与否,命运都和德国这个国家紧密相连.

P.S. 写完Plank跌宕起伏的人生,这让我对最近的奥运火炬传递活动有所感触,个人也许可以选择国籍,但你的肤色,思想和生活方式却难以改变,国家的命运真的是和个人息息相关.