Nature 盤點諾獎歷史,多位得主靠「計算科學」獲殊榮

.. 作者 | 王玥

編輯 | 陳彩嫻

在今年諾貝爾獎到來之際,Nature 雜誌總結了往年因計算科學貢獻而誕生的諾獎得主,以此紀念計算科學對化學和物理學領域的貢獻。

在諾貝獎的計算科學史上,第一個不得不提的便是1998年諾貝爾化學獎。該獎項表彰了量子化學領域的兩位先驅:Walter Kohn 和 John A.Pople。

Kohn 提出了密度泛函理論(DFT),DFT 是簡化以數學處理原子間成鍵問題的理論基礎,是目前許多計算得以實現的先決條件。Kohn 因其對化學作出了巨大的貢獻而獲得諾貝爾獎。

而 Pople 致力於量子化學和計算化學的研究,他所建立的方法被廣泛用於分子、分子的性質以及化學反應作用過程的理論研究,他設計的GAUSSIAN 計算程序使得普通研究者也能容易地掌握高深的計算方法。

Nature 與這兩位諾貝爾得主曾經的合作研究人員 Lu Sham 和 Martin Head-Gordon 進行了對話,而這兩位研究員本身也對這一領域產生了巨大影響。

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化的動能近似方法,並使 DFT 成為解決材料科學和化學問題的實用工具。這項工作在很大程度上促成 Kohn 獲得諾貝爾獎。

圖註:Kohn–Sham 方程

Sham回憶道,最初研究這個理論時,自己沒有想到會產生這麼大的影響力。但事實上,他們的研究是對於科學界十分重要且富有開創性的貢獻,並且在現實中仍有許多挑戰有待解決。例如,學者們目前面對的一個挑戰就是在量子材料和強相關係統中使用 DFT 方法。

而Martin Head-Gordon 在其博士期間則受過 Pople 的指導,他因在DFT和密度泛函方面的工作以及對開發軟件 Gaussian 和 Q-Chem 的貢獻而在化學領域聞名。他的學術生涯深受與波普爾合作經歷的影響。

Head-Gordon 也說:「在科學方面,他(Pople)給我以最深遠的影響。」 如今,Gaussian 和 Q-Chem 仍然是兩個使用最廣泛的商用量子化學軟件包。對於Q-Chem來說,還有許多尚未開發的視角需要研究。

Head-Gordon 也說:「我們正在以各種方式走向更複雜的系統,同時我們的主要任務是不斷改進核心算法。

而第二個與計算科學密切相關的諾獎則是 2013年諾貝爾化學獎,該獎項表彰了 Arieh Warshel、Michael Levitt 和 Martin Karplus。

這三位科學家因為複雜化學系統開發多尺度模型而獲得這份殊榮。量子力學/分子力學(QM/MM)方法的建立使該領域的科學家能夠以計算上可處理的方式準確地模擬大型系統。

同時,計算科學對物理領域的重要貢獻也不容忽視。Saul Perlmutter 因通過觀測遙遠的超新星發現宇宙加速膨脹而獲得2011年諾貝爾物理學獎。

圖註:2011年諾貝爾物理學獎得主 Saul Perlmutter

Perlmutter的研究涉及從寬視場圖像中識別數以萬計的星系,然後識別這些星系中超新星的出現。對於自己的研究,Perlmutter 評價道 ,計算技術才是這項研究的關鍵部分。

眼光放到近年,2021年諾貝爾物理學獎頒給了 Giorgio Parisi、Syukuro Manabe 和 Klaus Hasselmann。

該獎項的一半授予 Manabe 和 Hasselmann,以表彰他們對「建立地球氣候的物理模型、量化其可變性並可靠地預測全球變暖」的相關研究,而另一半獎項授予了 Parisi,以表彰他在「發現了從原子到行星尺度的物理系統中無序和波動的相互作用」中所做出的突出貢獻。

對此諾貝爾物理學委員會成員 John Wettlaufer 指出,正如這三位科學家的研究一樣,計算重點應該放在數據和數據驅動的方法上,而這需要多學科合作。

Wettlaufer 認為:「『多學科合作』聽起來是老生常談了,但如果人們不利用起彼此的知識併合作,就永遠無法有所建樹。」

其他的諾貝爾獎也許沒有直接表彰計算科學界的貢獻,但許多諾獎得主的相應研究都因為計算科學而得到了極大增色。

例如2020年諾貝爾化學獎就頒給了Emmanuelle Charpentier 和 Jennifer Doudnaa。這兩位科學家因使用 CRISPR-Cas9 基因剪刀開發了基因組編輯方法而受到表彰,她們的研究便是與計算科學息息相關。

參考鏈接:https://www.nature.com/articles/s43588-022-00325-x

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