1概況諾貝爾獎官方網站消息，瑞典皇家科學院2013年10月9日宣佈，將2013年諾貝爾化學獎授予美國科學家馬丁?卡普拉斯、邁克爾?萊維特、阿里耶?瓦謝爾，以表彰他們「在開發多尺度複雜化學系統模型方面所做的貢獻」。這三位科學家將平分總共800萬瑞典克朗（約120萬美元）的獎金。2研究成果諾貝爾化學獎評選委員會在新聞稿中解釋了三位獲獎者的研究成果。他們說，卡普拉斯、萊維特和瓦謝爾研究的開創性在於，他們讓經典物理學與迥然不同的量子物理學在化學研究中「並肩作戰」。以前，化學家必須二選其一。依靠用塑料棒和桿創建模型的經典物理學方法的優勢在於計算簡單且能為大分子建模，但其無法模擬化學反應。而如果化學家選擇使用量子物理學計算化學反應過程，但巨大的計算量使得其只能應付小分子。為此，在20世紀70年代，這三位科學家設計出這種多尺度模型，讓傳統的化學實驗走上了信息化的快車道。多尺度複雜化學系統模型的出現無疑翻開了化學史的「新篇章」。化學反應發生的速度堪比光速。剎那間，電子就從一個原子核跳到另一個原子核，以前，對化學反應的每個步驟進行追蹤幾乎是不可能完成的任務。而在由這三位科學家研發出的多尺度模型的輔助下，化學家們讓計算機做「做幫手」來揭示化學過程。例如，在模擬藥物如何同身體內的目標蛋白耦合時，計算機會對目標蛋白中與藥物相互作用的原子執行量子理論計算；而使用要求不那麼高的經典物理學來模擬其餘的大蛋白，從而精確掌握藥物發生作用的全過程。諾貝爾化學獎評選委員會在當天發表的聲明中說，對化學家來說，計算機是同試管一樣重要的工具，計算機對真實生命的模擬已為化學領域大部分研究成果的取得立下了「汗馬功勞」。通過模擬，化學家能更快獲得比傳統實驗更精準的預測結果。三位科學家的研究成果，已經應用於廢氣凈化及植物的光合作用的研究中，並可用於優化汽車催化劑、藥物和太陽能電池的設計。3獲獎原因瑞典皇家科學院發表的公告指出，化學家們在做實驗的時候，過去常常會用塑料棒和小球來展示化學模型，今天化學家們開始使用計算機來展示各種模型，而且當今化學領域裡的重要進展都離不開計算機的幫助。上個世紀七十年代卡普拉斯、萊維特和瓦謝爾等科學家所做的研究工作為今天的研究工作奠定了堅實的基礎，幫助人們加深了對化學過程的理解和預測。4人物回應諾貝爾化學獎的頒獎時間正是美國洛杉磯的凌晨三點，被半夜叫醒而問到獲獎感受時，瓦謝爾表示，感覺好極了。美國化學協會主席馬蘭納對三位科學家獲獎十分興奮，她認為三位科學家的研究是理論和實驗的完美結合，有助於科學家解決那些僅靠實驗是無法理解的難題。5獲獎者簡介馬丁?卡普拉斯，1930年出生於奧地利的維也納，1953年在美國加州理工學院獲得博士學位，現為法國斯特拉斯堡大學教授；美國哈佛大學西奧多?威廉?理查茲（美國第一位諾貝爾化學獎得主）冠名化學教授。邁克爾?萊維特，1947年出生於南非比勒陀利亞，1971年在英國劍橋大學獲得博士學位，現為美國斯坦福醫學院癌症研究所教授。阿里耶?瓦謝爾，1940年出生於以色列，1969年在以色列魏茲曼科學院獲得博士學位，現為美國南加州大學傑出教授。解讀:化學反應發生的速度迅雷不及掩耳，電子在原子核之間的跳轉不過百萬分之一秒，令人無從窺探。過去，化學家們曾利用塑料球和小棍來構建分子的模型，但現在，建模交給了計算機，設計和開展實驗都可以在計算機上完成。而這些反映真實情況、瞭解和預測化學反應過程的計算機程序，正是建立在2013年諾貝爾化學獎的3位得主——馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特和阿里耶·瓦謝勒在上世紀70年代的研究基礎之上。當時，這三位科學家結合經典和量子物理學，設計出多尺度複雜化學系統模型，將傳統的化學實驗搬到了網路世界。這一完美結合現實與理論的化學系統模型，為更全面瞭解並預測化學反應進程奠定了基礎。畫面勝過萬語千言利用計算機對真實生命進行模擬，讓複雜化學過程中肉眼不可見的每一個細微步驟都「歷歷在目」， 這一有助於對催化劑、藥物和太陽能電池進行優化的過程，已成為當今化學領域中大部分新研究成果成功的關鍵因素。讓我們用一個小例子來解釋這項技術如何讓人類從中受益：如果能夠人工模擬光合作用，將能夠研製出更高效的太陽能電池;當水分子分裂，會釋出氧氣，同時產生可用於驅動車輛的氫。但這個過程的細節——當陽光照射綠葉，讓蛋白質充滿能量，整個原子結構隨之發生變化——幾乎不可能用傳統的化學方法來反映。要了解其中的化學反應，就得知道這個充滿能量的狀態看起來是什麼樣的。這個時候就需要使用能夠逼真模擬這一過程的計算機程序了。使用這種軟體可以計算出各種似是而非的反應途徑。這就是所謂的模擬或建模。由此你可以瞭解特定原子在不同階段的化學反應扮演什麼樣的角色。而當你找到一個合理的反應路徑，就比較容易開展真正的實驗，來驗證計算機正確與否。反過來，這些實驗也可以提供新的線索，使模擬更加優化。這也是為何現在的化學家們花費儘可能多的時間坐在電腦前而不是擺弄試管的原因所在。量子化學與經典物理學攜手那麼，被授予諾貝爾化學獎的這個計算機程序到底特殊在哪裡?以前，科學家在電腦上模擬分子時所用的軟體，要麼基於經典的牛頓物理理論，要麼基於量子物理學。二者各有優勢，也有短板：經典理論的程序可以計算和處理大化學分子，但只能顯示處於靜止狀態的分子，這雖然讓化學家們得以很好地描述原子在分子內的定位，卻無法用來模擬化學反應，因為分子在反應過程中充滿「活力」。經典物理學對這種活躍狀態根本一無所知，這是一個嚴重的侷限性。為此，科學家們不得不轉向量子物理學，根據這種二元論，電子可以同時以粒子和波的形式存在，而薛定諤那隻隱藏在盒子中的著名的貓，可以既是活的也是死的。量子物理學摒棄了科學家的任何偏見，因而模擬更顯逼真。但不足之處是，量子理論的程序可以對化學過程進行詳細推演，卻要求具備強大的計算能力，計算機必須處理分子中每一個電子和每一個原子核。在20世紀70年代，科學家們只能進行小分子的計算，建模時也要被迫忽略與周圍環境比如溶液的相互作用，而這卻是現實生活中化學反應發生時最常見的背景。經典物理學和量子化學是兩個完全不同的世界，而3位諾貝爾化學獎得主所做的，就是在這兩個世界之間打開了一扇門。在他們的計算機模型中，牛頓和他的蘋果與薛定諤和他的貓攜手合作了。合作的第一步，是20世紀70年代在卡普拉斯位於美國哈佛大學的實驗室中邁出的。卡普拉斯的研究小組開發的計算機程序，可以在量子物理學的幫助下模擬化學反應。他還開發了用於核磁共振(NMR)的「卡普拉斯方程」，這種基於分子的量子化學性質的方法是化學家們眾所周知的。1970年，在以色列魏茨曼科學研究所獲得博士學位的瓦謝勒帶著他的經典計算機程序進入了卡普拉斯的實驗室。以此為出發點，瓦謝勒和卡普拉斯開始開發一種能夠對不同電子執行各種計算的新程序。在大多數分子中，每個電子都圍繞一個特定的原子核旋轉。但在有些分子內，特定的電子可以在幾個原子核之間不受阻礙地移動。這種「自由電子」在視網膜中就可以找到。長期以來，卡普拉斯都對研究視網膜很感興趣，因為這種分子的量子化學特性會影響到一種特定的生物功能。光線的照射能夠讓視網膜中的自由電子充滿能量，從而改變分子的形態，這是人類產生視覺的第一階段。卡普拉斯和瓦謝勒從一種結構更為簡單的類似分子入手，成功完成了對視網膜的建模。他們開發出一種計算機程序，在執行自由電子計算時引入量子物理學理論，而當執行所有其他電子和原子核計算時，則採用更簡單的經典理論。他們在1972年發表了這一研究結果。這是首次成功實現經典物理學和量子物理學在化學方面的合作。該程序是一個開創性的突破，但不足之處在於，它只能處理鏡像對稱的分子。一個瞭解生命的通用程序在哈佛工作兩年後，阿里耶·瓦謝勒與邁克爾·萊維特聚首。萊維特當時已經在生物分子如DNA、RNA和蛋白質研究領域處於世界領先水平的英國劍橋大學讀完了博士生課程。他一直希望能用他的經典計算機程序，更好地瞭解生物分子的「模樣」，但卻始終無法克服障礙，只能在觀察分子的靜止狀態。兩人設立了一個高目標：開發一個用於研究酶的程序，酶是生物體內管理和簡化化學反應的蛋白質，它們幾乎控制了生物體內所有的化學反應。為了模擬酶促反應，瓦謝勒和萊維特需要讓經典物理學和量子物理學的合作更順暢。1976年，他們成功開發出第一個酶促反應的計算機模型。這個程序是革命性的，因為它適用於任何種類的分子，幫助對各種分子甚至是真正的大生物分子建模。當模擬化學反應時，尺寸再也不是問題了。他們還進一步節省了計算工作量，讓計算機「放棄」分子中的每個他們不感興趣的單原子分子。研究已經表明，在計算過程中可以合併一些原子。化學界的革命多尺度複雜化學系統模型的出現無疑是化學界的革命。通過該模型，科學家實現了用電腦監控微小而瞬間的化學變化，從而能將催化等過程最優化。例如在模擬藥物如何到達體內靶蛋白的實驗中，電腦可直接對與藥物相互作用的靶蛋白原子執行量子理論計算，精確分析出藥物發生作用的全過程。前進的腳步不止於此。萊維特在其著作中描述了他的夢想之一：在分子水平上模擬生物體。這是一個誘人的想法，他們現在擁有多尺度複雜化學系統模型這個強有力的工具。至於能夠走多遠，帶給我們的認知有多深，則要由時間來決定。對於當今的化學家來說，計算機的作用早已和試管一樣重要。而將化學研究帶入這一階段的，正是2013年諾貝爾化學獎的獲得者們。在當下，製藥公司在開發新葯時，進行動物和臨牀試驗之前，都會運用計算機模擬實驗結果。隨著計算機的不斷升級，在虛擬空間中，對化學反應的模擬也越來越細緻。2013年10月9日，瑞典皇家科學院宣佈，將本年諾貝爾化學獎授予三位美國科學家：83歲的哈佛大學、法國斯特拉斯堡大學教授馬丁·卡普拉斯，66歲的斯坦福大學教授邁克爾·萊維特和73歲的南加州大學教授阿里耶·瓦謝勒。上世紀70年代，三位科學家的工作奠定了用計算機程序來瞭解和預測化學反應進程的基礎，使得化學研究實現了革命性的跨越：從多年前化學家們用塑料球和塑料棒來演示分子模型，到目前用計算機模擬化學反應的細微的過程。隨著幾個毫秒之內電子的跳躍，大多數的化學反應都在電光石火之間完成。反應進程中，用實驗追蹤每一小步幾乎是不可能的，這也使得經典化學在前進過程中一度有過很艱難的時期。瑞典皇家科學院在官方頒獎公告中評論，卡普拉斯、萊維特和瓦謝勒所做的工作是開拓性的。他們設法將牛頓的經典物理學和截然不同的量子物理學兩個體系的優點結合起來，並設計出了在經典物理和量子物理領域都適用的研究方法。上世紀70年代初，卡普拉斯最早在其哈佛的實驗室裏開始了這項研究。當時，他紮根於量子物理的研究，與其團隊開發出一套用量子物理方法模擬化學反應的計算機程序。而在千里之外的以色列，瓦謝勒在讀博士期間，與萊維特合作，也已經開發出了一套基於經典理論的計算機程序。藉助這套程序，對包括很大的生物分子在內的所有分子進行建模都已成為可能。拿到博士學位後，瓦謝勒加入了卡普拉斯的哈佛團隊，同時將自己的經典理論程序也同時帶了過來，從那時開始，卡普拉斯與瓦謝勒開始合作開發一套新的程序，用於對不同的電子進行不同種類的計算。在大部分的分子中，每個電子都圍繞著一個特定的原子核，然而在一些特殊的分子中，某些電子則有可能在不同的細胞核之間無阻運動，如果存在於生物體內，這些分子的量子化學性能往往可以影響某種生物機能。例如，卡普拉斯對視網膜的研究興趣已久，因為眼睛視網膜的分子中就存在著這種「自由電子」。當光照射到視網膜上，這些自由電子就能夠獲得能量，改變分子的結構，也是人類形成視覺的初級階段。最終卡普拉斯和瓦謝勒成功建立了視網膜的計算機模型，他們從更簡單的類似分子結構起步，開發了一套計算機程序：當計算自由電子時，使用量子物理方法，在涉及其他的電子和原子核的計算時，則使用更簡單的經典理論方法。1972年，二人的研究成果發布，兩套物理方法結合使用在化學研究上極具開創性，但仍有侷限——這套程序只能用來處理鏡像對稱結構的分子。兩年之後，也是在哈佛的實驗室，瓦謝勒與最初的科研夥伴萊維特再次重逢，兩人定下了雄心勃勃的目標，希望開發出一套能夠用來研究酶的程序。在活體器官中，酶是化學反應的總管，掌管著生命體中所有的的化學過程，正是多種酶的共同作用使得生命成為可能。為了模擬酶的反應，萊維特和瓦謝勒試圖將程序中兩套物理學協作的方法改進的更加流暢，其間亦經歷了種種障礙。最終在1976年，二人達成心願，共同發表了第一個酶反應的計算模型。這時，他們開發出的程序可以適用於任何分子，分子的大小已經不再是一個問題。30多年之後，由這項技術奠定基礎的計算化學（computational chemistry）廣泛應用於生物科技領域，科學家們藉助計算機製造出更大、更複雜的分子，用來治療癌症和風濕性關節炎等頑症。在材料科學的發展中，例如在太陽能電池的生產和汽車尾氣凈化催化劑的設計中，計算科學也發揮著至關重要的作用。10月9日，卡普拉斯在熟睡中被獲獎電話吵醒。他早早起牀，穿上考究的襯衫和深色褲子，在接連不斷的祝賀和採訪電話聲中平靜地喫了早餐。「得知（獲獎）很高興」，在記者一遍遍問其感受時，他不斷地重複著，「我知道我被提名了好多年了。」在接受路透社採訪時，瓦謝勒回顧了研究過程中遭遇的種種困難。「我的論文甚至沒有一篇是沒經過被退回就直接發表的……從1975年開始，我就清楚的意識到，這將是生物物理領域最有力的技術，但當時我真的不知道，自己的想法是否能夠在有生之年被證明是正確的。」「我就是個計算機獃子。」勒維特則對路透社稱，是興趣將他推向了今天的成功。他表示，在上世紀60年代，個人電腦還未誕生，科學家們想要使用計算機的話，就要想出一個用其工作的理由。「我並是為了玩計算機才成為一個計算化學家的，但在任何創造性的工作中，大部分時間都應該是感覺到你是在玩。」
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