1、.學(xué)科交天地寬 2019年度諾貝爾化學(xué)獎獲得者科恩和波普簡介2019年10月13日下午3時正，瑞典皇家科學(xué)院正式公布了2019年度諾貝爾化學(xué)獎獲得者名單，美國的奧地利裔科學(xué)家瓦爾特*科恩Walter Kohn教授和英國的約翰*波普J(rèn)ohn Pople教授分享了總額為97萬美元的獎金。令全世界科學(xué)工作者驚奇的是，這二位諾貝爾獎得主在獲獎后第二天承受記者采訪時，不約而同地分別自稱為物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家。本文將介紹二位學(xué)者為科學(xué)所作出的突出奉獻(xiàn)，以及他們怎樣利用物理和數(shù)學(xué)為工具，在化學(xué)領(lǐng)域作出了舉世矚目的成就。1 物理學(xué)家*化學(xué)家瓦爾特*科恩瓦爾特。科恩于1923年3月9日出生于奧地利名城維也納的一個猶

2、太家庭，早年其父母均在納粹集中營中被殺害，16歲的科恩從納粹統(tǒng)治的奧地利逃亡加拿大，并入伍參加了第二次世界大戰(zhàn)。戰(zhàn)后的科恩進(jìn)入加拿大的多倫多大學(xué)深造，并于1945年獲數(shù)學(xué)和物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，1946年再次于多倫多大學(xué)獲應(yīng)用數(shù)學(xué)碩士學(xué)位，1948年在哈佛大學(xué)獲博士學(xué)位。科恩曾任哈佛大學(xué)物理系教員，卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)助教和教授，圣迭戈的加利福尼亞大學(xué)物理系教授，系主任，1979年來到圣巴巴拉的加利福尼亞大學(xué)，先后任理論物理所所長和物理系教授。科恩同時擔(dān)任了IBM、通用原子、Bell 實驗室等多家著名企業(yè)的參謀。并被承受為倫敦皇家學(xué)會的外籍會員，量子分子科學(xué)國際科學(xué)院、國家科學(xué)院和美國藝術(shù)與科學(xué)院院士。

3、科恩在提醒材料的電子構(gòu)造方面作出了突出的奉獻(xiàn)。他創(chuàng)立并開展了分布密度理論，使科學(xué)家們在探知物理、化學(xué)和材料科學(xué)中的原子、分子和固態(tài)物質(zhì)的電子構(gòu)造中，所使用的方法發(fā)生了根本性的改變。隨著超級計算機(jī)的出現(xiàn)，分布密度理論正成為電子材料領(lǐng)域研究的主要工具。科恩也在半導(dǎo)體物理、超導(dǎo)、外表物理和催化劑等領(lǐng)域作出了出色的奉獻(xiàn)，發(fā)表了200余篇學(xué)術(shù)論文。曾獲物理學(xué)的Feenberg獎，外表物理的Davission-Germer獎，固態(tài)物理的Oliver Buckley獎。以及1988年國家科學(xué)獎、2019年Niels Bohr/UNESCO金獎，并被愛爾蘭、奧地利、德國、瑞士、加拿大、法國和美國的多所大學(xué)授予

4、榮譽學(xué)位。科恩創(chuàng)立并指導(dǎo)了設(shè)立在圣巴巴拉的加利福尼亞大學(xué)的理論物理國家科學(xué)基金研究所，該研究所集中了來自全世界的一流科學(xué)家，在科恩的指導(dǎo)下，這個機(jī)構(gòu)很快成為理論物理及相關(guān)學(xué)科中諸多領(lǐng)域的先驅(qū)者，創(chuàng)始了很多新的研究方向。科恩還是一位積極的和平主義者，他曾于80年代初冷戰(zhàn)頂峰時幾次寫信給當(dāng)時的美國總統(tǒng)里根，敦促他停頓軍備競賽。他還經(jīng)常舉辦講座，呼吁核科學(xué)家應(yīng)具有社會和道德責(zé)任感，這一舉動贏得了全世界科學(xué)工作者的尊重和敬仰。2 數(shù)學(xué)家*化學(xué)家約翰*波普波普于1925年出生于英國，1951年于劍橋大學(xué)獲得數(shù)學(xué)博士學(xué)位，曾任劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)研究助理、講師，英國特丁頓國家物理實驗室根底物理部負(fù)責(zé)人，卡內(nèi)基-梅

5、隆大學(xué)化學(xué)物理教授以及卡內(nèi)基-梅隆的約翰*克里斯丁*沃奈爾大學(xué)的自然科學(xué)教授。1986年至今，任美國西北大學(xué)化學(xué)系教授。波普同時是美國國家科學(xué)院的外籍會員，美國化學(xué)會會員，美國前沿科學(xué)學(xué)會會員，美國化學(xué)物理學(xué)會會員，雖然客居他鄉(xiāng)多年，他始終保存著英國國籍，所以他同時是英國皇家學(xué)會的正式會員。波普也擔(dān)任了很多社會職務(wù)，如國際量子分子科學(xué)學(xué)院副院長，?分子物理雜志?編委等。波普一生致力于量子化學(xué)和計算化學(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)反響作用過程的理論研究，這些方法基于薛定諤等物理學(xué)家提出的量子力學(xué)的根本原理，將分子的特性以及某一化學(xué)反響輸入計算機(jī)后，輸出的將是對該分子的

6、性質(zhì)以及化學(xué)反響發(fā)生情況的描繪，其結(jié)果常被用來解釋各種類型的實驗結(jié)果。波普教授的突出奉獻(xiàn)之一是設(shè)計了名為GAUSSIAN的計算程序，這一程序使普通研究者也能容易地掌握高深的計算方法。該軟件的第一版于1970年發(fā)布，此后不斷開展，數(shù)易其版，全世界的大學(xué)和商業(yè)公司中成千上萬的化學(xué)家利用這一軟件，解決了很多化學(xué)問題。例如研究人造化學(xué)品如何破壞地球上空的臭氧層，制造新塑料和開發(fā)新藥物等等。一些科學(xué)家正利用波普的方法模擬藥品對愛滋病毒的反響。今年GAUSSIAN又發(fā)布了新的版本GAUSSINA 98，其日文版本也同時問世。軟件的消費者美國的GAUSSIAN公司在得到波普獲獎的消息后，立即在其網(wǎng)頁中打出了

7、向波普教授祝賀和致意的詞句，隨后這一網(wǎng)頁的全世界訪問者猛增，給GAUSSIAN公司帶來了新的商機(jī)。由于波普對科學(xué)的出色奉獻(xiàn)，此前他曾榮獲多項獎項，如1992年的Wolf獎，2019年度美國化學(xué)會的理論化學(xué)獎等。波普是在波士頓看望兒子時得知獲得諾貝爾獎的，在下榻的飯店承受記者采訪時，他謙虛地把他獲得的榮譽歸功于集體的協(xié)作，他說，“這個榮譽不是我一個人的，而是這么多年來和我一起工作的所有學(xué)生的榮譽。我一直有一些非常優(yōu)秀的學(xué)生和同事，他們給了我很大的幫助。西北大學(xué)教務(wù)長L B Dumas教授評價波普的獲獎時說，“獲獎對約翰和西北大學(xué)來說都是一個極大的榮譽，我們有出色的化學(xué)系，這也證明了他們在計算化學(xué)

8、前沿領(lǐng)域的工作是非常重要的。約翰是這個研究小組的領(lǐng)頭人，他們正在進(jìn)展交*邊緣學(xué)科的研究。這一研究開展不久，即有大量事實證明，邊緣學(xué)科有著無限廣闊的開展前景。3 交*學(xué)科的出色成果2019年度諾貝爾化學(xué)獎的公布，向人們展示，數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)學(xué)科的交*和交融已成為當(dāng)前科學(xué)開展的重要特征之一。從科恩和波普共同致力于開展的量子化學(xué)的成長過程可以清楚的看到這一點。早在20世紀(jì)初期，物理中量子力學(xué)的開展即為計算分子的性質(zhì)和他們之間的互相作用提供了可能，20年后，科學(xué)家的努力使得通過計算方法解決大部分物理問題和全部的化學(xué)問題所需的根本理論已經(jīng)相當(dāng)完善。然而，由于分子性質(zhì)的計算建立在對單原子運動軌跡的描繪的根

9、底上，計算方法在數(shù)學(xué)上非常繁雜，使化學(xué)家們望而生畏，因此量子物理的理論一直沒有可以應(yīng)用到解決化學(xué)問題中來。到了60年代中期，一位物理學(xué)家和一位數(shù)學(xué)家的介入使問題的解決嶄露新的活力。物理學(xué)家科恩認(rèn)為，計算時沒有必要考慮每個單電子的運動過程，而只需理解空間某一位置的平均電子數(shù)即可，這種簡化方法即所謂的分布密度理論。這一理論成為后來大多數(shù)數(shù)學(xué)計算的先決條件。幾乎同時，數(shù)學(xué)家波普也參加到這一問題的解決中來。波普認(rèn)為，將理論方法應(yīng)用到化學(xué)中，必須首先明確在給定體系中方法的精度和準(zhǔn)確度，更重要的是所建立的方法必須能為大多數(shù)沒有數(shù)學(xué)背景的研究者容易掌握。60年代電子計算機(jī)的大力開展給波普的工作創(chuàng)造了不可缺少

10、的條件，在理論和計算工具充分具備的條件下，波普設(shè)計了計算程序GAUSSIAN-70，這一程序的準(zhǔn)確程度大大優(yōu)于同類軟件。從70年代到80年代，波普不斷地改進(jìn)計算方法，同時建立了“模型化學(xué)理論。90年代初期，波普將科恩的分布密度理論引入他的計算方法，使得更復(fù)雜的分子分析成為可能。通過以科恩和波普為代表的量子化學(xué)工作者的不斷努力，今天，量子化學(xué)無疑成為化學(xué)工作者最有用的工具之一。目前大多數(shù)研究者開場從理論和實驗二條途徑解決化學(xué)中存在的問題。繼2019年的諾貝爾化學(xué)獎授予生物化學(xué)家Boyer、分子生物學(xué)家Walker和生物物理學(xué)家Skou后，今年的諾貝爾化學(xué)獎又授予了一位物理學(xué)家和一位數(shù)學(xué)家。而這二位科學(xué)家同時又是出色的量子化學(xué)家。這也說明，科學(xué)的開展使學(xué)科之間的界限越來越模糊，正如科恩所說“我從事物理學(xué)研究已有50多年，但是獲得的卻是諾貝爾化學(xué)獎。這反映出物理中的電子是物理學(xué)研究的一個重要課題，恐怕也是化學(xué)研究領(lǐng)域最重要的課題。這說明，一個物理問題的解決可能同時也是一個化學(xué)問題的解決。一個數(shù)學(xué)問題的打破