Nature 盤點(diǎn)諾獎(jiǎng)歷史，多位得主靠「計(jì)算科學(xué)」獲殊榮

本文作者：我在思考中

2022-09-28 09:32

導(dǎo)語(yǔ)：?計(jì)算科學(xué)，從黃金配角到諾獎(jiǎng)主角。

作者 | 王玥

編輯 | 陳彩嫻

在今年諾貝爾獎(jiǎng)到來之際，Nature 雜志總結(jié)了往年因計(jì)算科學(xué)貢獻(xiàn)而誕生的諾獎(jiǎng)得主，以此紀(jì)念計(jì)算科學(xué)對(duì)化學(xué)和物理學(xué)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。

在諾貝獎(jiǎng)的計(jì)算科學(xué)史上，第一個(gè)不得不提的便是1998年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。該獎(jiǎng)項(xiàng)表彰了量子化學(xué)領(lǐng)域的兩位先驅(qū)：Walter Kohn 和 John A.Pople。

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Kohn 提出了密度泛函理論（DFT），DFT 是簡(jiǎn)化以數(shù)學(xué)處理原子間成鍵問題的理論基礎(chǔ)，是目前許多計(jì)算得以實(shí)現(xiàn)的先決條件。Kohn 因其對(duì)化學(xué)作出了巨大的貢獻(xiàn)而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

而 Pople 致力于量子化學(xué)和計(jì)算化學(xué)的研究，他所建立的方法被廣泛用于分子、分子的性質(zhì)以及化學(xué)反應(yīng)作用過程的理論研究，他設(shè)計(jì)的GAUSSIAN 計(jì)算程序使得普通研究者也能容易地掌握高深的計(jì)算方法。

Nature 與這兩位諾貝爾得主曾經(jīng)的合作研究人員 Lu Sham 和 Martin Head-Gordon 進(jìn)行了對(duì)話，而這兩位研究員本身也對(duì)這一領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大影響。

Lu Sham 曾與 Kohn 密切合作，研究出大名鼎鼎的 Kohn-Sham 方程。該方程提出了一種簡(jiǎn)化的動(dòng)能近似方法，并使 DFT 成為解決材料科學(xué)和化學(xué)問題的實(shí)用工具。這項(xiàng)工作在很大程度上促成 Kohn 獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

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圖注：Kohn–Sham 方程

Sham回憶道，最初研究這個(gè)理論時(shí)，自己沒有想到會(huì)產(chǎn)生這么大的影響力。但事實(shí)上，他們的研究是對(duì)于科學(xué)界十分重要且富有開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)，并且在現(xiàn)實(shí)中仍有許多挑戰(zhàn)有待解決。例如，學(xué)者們目前面對(duì)的一個(gè)挑戰(zhàn)就是在量子材料和強(qiáng)相關(guān)系統(tǒng)中使用 DFT 方法。

而Martin Head-Gordon 在其博士期間則受過 Pople 的指導(dǎo)，他因在DFT和密度泛函方面的工作以及對(duì)開發(fā)軟件 Gaussian 和 Q-Chem 的貢獻(xiàn)而在化學(xué)領(lǐng)域聞名。他的學(xué)術(shù)生涯深受與波普爾合作經(jīng)歷的影響。

Head-Gordon 也說：“在科學(xué)方面，他（Pople）給我以最深遠(yuǎn)的影響?！?如今，Gaussian 和 Q-Chem 仍然是兩個(gè)使用最廣泛的商用量子化學(xué)軟件包。對(duì)于Q-Chem來說，還有許多尚未開發(fā)的視角需要研究。

Head-Gordon 也說：“我們正在以各種方式走向更復(fù)雜的系統(tǒng)，同時(shí)我們的主要任務(wù)是不斷改進(jìn)核心算法。

而第二個(gè)與計(jì)算科學(xué)密切相關(guān)的諾獎(jiǎng)則是 2013年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，該獎(jiǎng)項(xiàng)表彰了 Arieh Warshel、Michael Levitt 和 Martin Karplus。

這三位科學(xué)家因?yàn)閺?fù)雜化學(xué)系統(tǒng)開發(fā)多尺度模型而獲得這份殊榮。量子力學(xué)/分子力學(xué)（QM/MM）方法的建立使該領(lǐng)域的科學(xué)家能夠以計(jì)算上可處理的方式準(zhǔn)確地模擬大型系統(tǒng)。

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同時(shí)，計(jì)算科學(xué)對(duì)物理領(lǐng)域的重要貢獻(xiàn)也不容忽視。Saul Perlmutter 因通過觀測(cè)遙遠(yuǎn)的超新星發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹而獲得2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

圖注：2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主 Saul Perlmutter

Perlmutter的研究涉及從寬視場(chǎng)圖像中識(shí)別數(shù)以萬(wàn)計(jì)的星系，然后識(shí)別這些星系中超新星的出現(xiàn)。對(duì)于自己的研究，Perlmutter 評(píng)價(jià)道，計(jì)算技術(shù)才是這項(xiàng)研究的關(guān)鍵部分。

眼光放到近年，2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了 Giorgio Parisi、Syukuro Manabe 和 Klaus Hasselmann。

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該獎(jiǎng)項(xiàng)的一半授予 Manabe 和 Hasselmann，以表彰他們對(duì)“建立地球氣候的物理模型、量化其可變性并可靠地預(yù)測(cè)全球變暖”的相關(guān)研究，而另一半獎(jiǎng)項(xiàng)授予了 Parisi，以表彰他在“發(fā)現(xiàn)了從原子到行星尺度的物理系統(tǒng)中無序和波動(dòng)的相互作用”中所做出的突出貢獻(xiàn)。

對(duì)此諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)成員 John Wettlaufer 指出，正如這三位科學(xué)家的研究一樣，計(jì)算重點(diǎn)應(yīng)該放在數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法上，而這需要多學(xué)科合作。

Wettlaufer 認(rèn)為：“‘多學(xué)科合作’聽起來是老生常談了，但如果人們不利用起彼此的知識(shí)并合作，就永遠(yuǎn)無法有所建樹?！?/span>

其他的諾貝爾獎(jiǎng)也許沒有直接表彰計(jì)算科學(xué)界的貢獻(xiàn)，但許多諾獎(jiǎng)得主的相應(yīng)研究都因?yàn)橛?jì)算科學(xué)而得到了極大增色。

例如2020年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)就頒給了Emmanuelle Charpentier 和 Jennifer Doudnaa。這兩位科學(xué)家因使用 CRISPR-Cas9 基因剪刀開發(fā)了基因組編輯方法而受到表彰，她們的研究便是與計(jì)算科學(xué)息息相關(guān)。

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