1概况诺贝尔奖官方网站消息，瑞典皇家科学院2013年10月9日宣布，将2013年诺贝尔化学奖授予美国科学家马丁?卡普拉斯、迈克尔?莱维特、阿里耶?瓦谢尔，以表彰他们「在开发多尺度复杂化学系统模型方面所做的贡献」。这三位科学家将平分总共800万瑞典克朗（约120万美元）的奖金。2研究成果诺贝尔化学奖评选委员会在新闻稿中解释了三位获奖者的研究成果。他们说，卡普拉斯、莱维特和瓦谢尔研究的开创性在于，他们让经典物理学与迥然不同的量子物理学在化学研究中「并肩作战」。以前，化学家必须二选其一。依靠用塑料棒和杆创建模型的经典物理学方法的优势在于计算简单且能为大分子建模，但其无法模拟化学反应。而如果化学家选择使用量子物理学计算化学反应过程，但巨大的计算量使得其只能应付小分子。为此，在20世纪70年代，这三位科学家设计出这种多尺度模型，让传统的化学实验走上了信息化的快车道。多尺度复杂化学系统模型的出现无疑翻开了化学史的「新篇章」。化学反应发生的速度堪比光速。刹那间，电子就从一个原子核跳到另一个原子核，以前，对化学反应的每个步骤进行追踪几乎是不可能完成的任务。而在由这三位科学家研发出的多尺度模型的辅助下，化学家们让计算机做「做帮手」来揭示化学过程。例如，在模拟药物如何同身体内的目标蛋白耦合时，计算机会对目标蛋白中与药物相互作用的原子执行量子理论计算；而使用要求不那么高的经典物理学来模拟其余的大蛋白，从而精确掌握药物发生作用的全过程。诺贝尔化学奖评选委员会在当天发表的声明中说，对化学家来说，计算机是同试管一样重要的工具，计算机对真实生命的模拟已为化学领域大部分研究成果的取得立下了「汗马功劳」。通过模拟，化学家能更快获得比传统实验更精准的预测结果。三位科学家的研究成果，已经应用于废气净化及植物的光合作用的研究中，并可用于优化汽车催化剂、药物和太阳能电池的设计。3获奖原因瑞典皇家科学院发表的公告指出，化学家们在做实验的时候，过去常常会用塑料棒和小球来展示化学模型，今天化学家们开始使用计算机来展示各种模型，而且当今化学领域里的重要进展都离不开计算机的帮助。上个世纪七十年代卡普拉斯、莱维特和瓦谢尔等科学家所做的研究工作为今天的研究工作奠定了坚实的基础，帮助人们加深了对化学过程的理解和预测。4人物回应诺贝尔化学奖的颁奖时间正是美国洛杉矶的凌晨三点，被半夜叫醒而问到获奖感受时，瓦谢尔表示，感觉好极了。美国化学协会主席马兰纳对三位科学家获奖十分兴奋，她认为三位科学家的研究是理论和实验的完美结合，有助于科学家解决那些仅靠实验是无法理解的难题。5获奖者简介马丁?卡普拉斯，1930年出生于奥地利的维也纳，1953年在美国加州理工学院获得博士学位，现为法国斯特拉斯堡大学教授；美国哈佛大学西奥多?威廉?理查兹（美国第一位诺贝尔化学奖得主）冠名化学教授。迈克尔?莱维特，1947年出生于南非比勒陀利亚，1971年在英国剑桥大学获得博士学位，现为美国斯坦福医学院癌症研究所教授。阿里耶?瓦谢尔，1940年出生于以色列，1969年在以色列魏兹曼科学院获得博士学位，现为美国南加州大学杰出教授。解读:化学反应发生的速度迅雷不及掩耳，电子在原子核之间的跳转不过百万分之一秒，令人无从窥探。过去，化学家们曾利用塑料球和小棍来构建分子的模型，但现在，建模交给了计算机，设计和开展实验都可以在计算机上完成。而这些反映真实情况、了解和预测化学反应过程的计算机程序，正是建立在2013年诺贝尔化学奖的3位得主——马丁·卡普拉斯、迈克尔·莱维特和阿里耶·瓦谢勒在上世纪70年代的研究基础之上。当时，这三位科学家结合经典和量子物理学，设计出多尺度复杂化学系统模型，将传统的化学实验搬到了网路世界。这一完美结合现实与理论的化学系统模型，为更全面了解并预测化学反应进程奠定了基础。画面胜过万语千言利用计算机对真实生命进行模拟，让复杂化学过程中肉眼不可见的每一个细微步骤都「历历在目」， 这一有助于对催化剂、药物和太阳能电池进行优化的过程，已成为当今化学领域中大部分新研究成果成功的关键因素。让我们用一个小例子来解释这项技术如何让人类从中受益：如果能够人工模拟光合作用，将能够研制出更高效的太阳能电池;当水分子分裂，会释出氧气，同时产生可用于驱动车辆的氢。但这个过程的细节——当阳光照射绿叶，让蛋白质充满能量，整个原子结构随之发生变化——几乎不可能用传统的化学方法来反映。要了解其中的化学反应，就得知道这个充满能量的状态看起来是什么样的。这个时候就需要使用能够逼真模拟这一过程的计算机程序了。使用这种软体可以计算出各种似是而非的反应途径。这就是所谓的模拟或建模。由此你可以了解特定原子在不同阶段的化学反应扮演什么样的角色。而当你找到一个合理的反应路径，就比较容易开展真正的实验，来验证计算机正确与否。反过来，这些实验也可以提供新的线索，使模拟更加优化。这也是为何现在的化学家们花费尽可能多的时间坐在电脑前而不是摆弄试管的原因所在。量子化学与经典物理学携手那么，被授予诺贝尔化学奖的这个计算机程序到底特殊在哪里?以前，科学家在电脑上模拟分子时所用的软体，要么基于经典的牛顿物理理论，要么基于量子物理学。二者各有优势，也有短板：经典理论的程序可以计算和处理大化学分子，但只能显示处于静止状态的分子，这虽然让化学家们得以很好地描述原子在分子内的定位，却无法用来模拟化学反应，因为分子在反应过程中充满「活力」。经典物理学对这种活跃状态根本一无所知，这是一个严重的局限性。为此，科学家们不得不转向量子物理学，根据这种二元论，电子可以同时以粒子和波的形式存在，而薛定谔那只隐藏在盒子中的著名的猫，可以既是活的也是死的。量子物理学摒弃了科学家的任何偏见，因而模拟更显逼真。但不足之处是，量子理论的程序可以对化学过程进行详细推演，却要求具备强大的计算能力，计算机必须处理分子中每一个电子和每一个原子核。在20世纪70年代，科学家们只能进行小分子的计算，建模时也要被迫忽略与周围环境比如溶液的相互作用，而这却是现实生活中化学反应发生时最常见的背景。经典物理学和量子化学是两个完全不同的世界，而3位诺贝尔化学奖得主所做的，就是在这两个世界之间打开了一扇门。在他们的计算机模型中，牛顿和他的苹果与薛定谔和他的猫携手合作了。合作的第一步，是20世纪70年代在卡普拉斯位于美国哈佛大学的实验室中迈出的。卡普拉斯的研究小组开发的计算机程序，可以在量子物理学的帮助下模拟化学反应。他还开发了用于核磁共振(NMR)的「卡普拉斯方程」，这种基于分子的量子化学性质的方法是化学家们众所周知的。1970年，在以色列魏茨曼科学研究所获得博士学位的瓦谢勒带著他的经典计算机程序进入了卡普拉斯的实验室。以此为出发点，瓦谢勒和卡普拉斯开始开发一种能够对不同电子执行各种计算的新程序。在大多数分子中，每个电子都围绕一个特定的原子核旋转。但在有些分子内，特定的电子可以在几个原子核之间不受阻碍地移动。这种「自由电子」在视网膜中就可以找到。长期以来，卡普拉斯都对研究视网膜很感兴趣，因为这种分子的量子化学特性会影响到一种特定的生物功能。光线的照射能够让视网膜中的自由电子充满能量，从而改变分子的形态，这是人类产生视觉的第一阶段。卡普拉斯和瓦谢勒从一种结构更为简单的类似分子入手，成功完成了对视网膜的建模。他们开发出一种计算机程序，在执行自由电子计算时引入量子物理学理论，而当执行所有其他电子和原子核计算时，则采用更简单的经典理论。他们在1972年发表了这一研究结果。这是首次成功实现经典物理学和量子物理学在化学方面的合作。该程序是一个开创性的突破，但不足之处在于，它只能处理镜像对称的分子。一个了解生命的通用程序在哈佛工作两年后，阿里耶·瓦谢勒与迈克尔·莱维特聚首。莱维特当时已经在生物分子如DNA、RNA和蛋白质研究领域处于世界领先水平的英国剑桥大学读完了博士生课程。他一直希望能用他的经典计算机程序，更好地了解生物分子的「模样」，但却始终无法克服障碍，只能在观察分子的静止状态。两人设立了一个高目标：开发一个用于研究酶的程序，酶是生物体内管理和简化化学反应的蛋白质，它们几乎控制了生物体内所有的化学反应。为了模拟酶促反应，瓦谢勒和莱维特需要让经典物理学和量子物理学的合作更顺畅。1976年，他们成功开发出第一个酶促反应的计算机模型。这个程序是革命性的，因为它适用于任何种类的分子，帮助对各种分子甚至是真正的大生物分子建模。当模拟化学反应时，尺寸再也不是问题了。他们还进一步节省了计算工作量，让计算机「放弃」分子中的每个他们不感兴趣的单原子分子。研究已经表明，在计算过程中可以合并一些原子。化学界的革命多尺度复杂化学系统模型的出现无疑是化学界的革命。通过该模型，科学家实现了用电脑监控微小而瞬间的化学变化，从而能将催化等过程最优化。例如在模拟药物如何到达体内靶蛋白的实验中，电脑可直接对与药物相互作用的靶蛋白原子执行量子理论计算，精确分析出药物发生作用的全过程。前进的脚步不止于此。莱维特在其著作中描述了他的梦想之一：在分子水平上模拟生物体。这是一个诱人的想法，他们现在拥有多尺度复杂化学系统模型这个强有力的工具。至于能够走多远，带给我们的认知有多深，则要由时间来决定。对于当今的化学家来说，计算机的作用早已和试管一样重要。而将化学研究带入这一阶段的，正是2013年诺贝尔化学奖的获得者们。在当下，制药公司在开发新药时，进行动物和临床试验之前，都会运用计算机模拟实验结果。随著计算机的不断升级，在虚拟空间中，对化学反应的模拟也越来越细致。2013年10月9日，瑞典皇家科学院宣布，将本年诺贝尔化学奖授予三位美国科学家：83岁的哈佛大学、法国斯特拉斯堡大学教授马丁·卡普拉斯，66岁的斯坦福大学教授迈克尔·莱维特和73岁的南加州大学教授阿里耶·瓦谢勒。上世纪70年代，三位科学家的工作奠定了用计算机程序来了解和预测化学反应进程的基础，使得化学研究实现了革命性的跨越：从多年前化学家们用塑料球和塑料棒来演示分子模型，到目前用计算机模拟化学反应的细微的过程。随著几个毫秒之内电子的跳跃，大多数的化学反应都在电光石火之间完成。反应进程中，用实验追踪每一小步几乎是不可能的，这也使得经典化学在前进过程中一度有过很艰难的时期。瑞典皇家科学院在官方颁奖公告中评论，卡普拉斯、莱维特和瓦谢勒所做的工作是开拓性的。他们设法将牛顿的经典物理学和截然不同的量子物理学两个体系的优点结合起来，并设计出了在经典物理和量子物理领域都适用的研究方法。上世纪70年代初，卡普拉斯最早在其哈佛的实验室里开始了这项研究。当时，他扎根于量子物理的研究，与其团队开发出一套用量子物理方法模拟化学反应的计算机程序。而在千里之外的以色列，瓦谢勒在读博士期间，与莱维特合作，也已经开发出了一套基于经典理论的计算机程序。借助这套程序，对包括很大的生物分子在内的所有分子进行建模都已成为可能。拿到博士学位后，瓦谢勒加入了卡普拉斯的哈佛团队，同时将自己的经典理论程序也同时带了过来，从那时开始，卡普拉斯与瓦谢勒开始合作开发一套新的程序，用于对不同的电子进行不同种类的计算。在大部分的分子中，每个电子都围绕著一个特定的原子核，然而在一些特殊的分子中，某些电子则有可能在不同的细胞核之间无阻运动，如果存在于生物体内，这些分子的量子化学性能往往可以影响某种生物机能。例如，卡普拉斯对视网膜的研究兴趣已久，因为眼睛视网膜的分子中就存在著这种「自由电子」。当光照射到视网膜上，这些自由电子就能够获得能量，改变分子的结构，也是人类形成视觉的初级阶段。最终卡普拉斯和瓦谢勒成功建立了视网膜的计算机模型，他们从更简单的类似分子结构起步，开发了一套计算机程序：当计算自由电子时，使用量子物理方法，在涉及其他的电子和原子核的计算时，则使用更简单的经典理论方法。1972年，二人的研究成果发布，两套物理方法结合使用在化学研究上极具开创性，但仍有局限——这套程序只能用来处理镜像对称结构的分子。两年之后，也是在哈佛的实验室，瓦谢勒与最初的科研伙伴莱维特再次重逢，两人定下了雄心勃勃的目标，希望开发出一套能够用来研究酶的程序。在活体器官中，酶是化学反应的总管，掌管著生命体中所有的的化学过程，正是多种酶的共同作用使得生命成为可能。为了模拟酶的反应，莱维特和瓦谢勒试图将程序中两套物理学协作的方法改进的更加流畅，其间亦经历了种种障碍。最终在1976年，二人达成心愿，共同发表了第一个酶反应的计算模型。这时，他们开发出的程序可以适用于任何分子，分子的大小已经不再是一个问题。30多年之后，由这项技术奠定基础的计算化学（computational chemistry）广泛应用于生物科技领域，科学家们借助计算机制造出更大、更复杂的分子，用来治疗癌症和风湿性关节炎等顽症。在材料科学的发展中，例如在太阳能电池的生产和汽车尾气净化催化剂的设计中，计算科学也发挥著至关重要的作用。10月9日，卡普拉斯在熟睡中被获奖电话吵醒。他早早起床，穿上考究的衬衫和深色裤子，在接连不断的祝贺和采访电话声中平静地吃了早餐。「得知（获奖）很高兴」，在记者一遍遍问其感受时，他不断地重复著，「我知道我被提名了好多年了。」在接受路透社采访时，瓦谢勒回顾了研究过程中遭遇的种种困难。「我的论文甚至没有一篇是没经过被退回就直接发表的……从1975年开始，我就清楚的意识到，这将是生物物理领域最有力的技术，但当时我真的不知道，自己的想法是否能够在有生之年被证明是正确的。」「我就是个计算机呆子。」勒维特则对路透社称，是兴趣将他推向了今天的成功。他表示，在上世纪60年代，个人电脑还未诞生，科学家们想要使用计算机的话，就要想出一个用其工作的理由。「我并是为了玩计算机才成为一个计算化学家的，但在任何创造性的工作中，大部分时间都应该是感觉到你是在玩。」
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