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LeisureTime版 - (转载)理论化学之华山论剑
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相关话题的讨论汇总
话题: 剑宗话题: 气宗话题: 化学话题: hoffmann话题: 理论
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s**********y
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好几年前看见的一篇文章,写的非常通俗易懂,非常喜欢作者提出的气宗剑宗的说法,
不知道西方文化里有没有相对应的划分方法,一种直击重点不拘小节,一种稳扎稳打条
分缕析。现如今做计算的门槛降的很低,只要有个还不错的计算机,买个现成软件一装
就能武装起一个实验室。大量产生数据的同时,一些重要的insight却被轻易的忽视了
,不能不说是一种悲哀啊,所以才有计算化学家站出来大声疾呼,Give me insight,
not numbers! 不过发现insight需要长期积累练出来的火眼金睛啊,对我这样的科研小
ds谈何容易。。。
全文转载如下。
The underlying physical laws necessary for mathematical theory of a
large part of physics and the whole of chemistry are thus completely
known, and the difficulty is only that the exact application of these
laws leads to equations much too complicated to be soluble.
(这样,大部分物理学和全部化学的数学理论背后的物理规律已经完全清楚了,
困难仅仅在于,这些规律的精确应用导致了复杂得难以求解的方程。)
--Paul A. M. Dirac, 1929
Yet science is not so simple ... Each science, and chemistry in
particular, generates its own modalities of understanding ... The question
is posed at a certain level of complexity, and understanding is posited
when the answer is given at the same, chemical level of complexity.
(然而科学并不是这么简单的……每种科学,尤其是化学,都有自己独特的理
解模式……问题只是在某种特定的复杂性层次上提出的,而当解答也在相同的化学
复杂性层次上给出时,理解就出现了。)
--Roald Hoffmann, 1984
理论化学长期以来有两个流派,正式名称可能叫做半经验计算的一派和从头计
算的一派,但我怎么越看越象华山派的剑宗和气宗?很~久很久以前,祖师爷开宗
立派的时候(量子力学引进化学中的时候),由于当时计算条件的严重限制,对稍
微大一点的分子的精确计算都是不可能的。于是大牛们就开始分裂。一派说别管精
确性了,我们仍然可以得到许多定性的理解,--就像剑宗。另一派说计算机和算
法都在不断进步,总有一天我们会算出来的,--就像气宗。
剑宗的领袖是1981年Nobel化学奖得主福井谦一(Kenichi Fukui,1918-1998)
与Roald Hoffmann(1937-)。气宗的掌门是1998年Nobel化学奖得主Walter Kohn
(1923-)和John A. Pople(1925-)。我想说Hoffmann是风清扬,但是实在不好
意思把岳不群指派给Kohn或Pople(也许方证更合适?)。
剑宗的剑是分子轨道的组合规则。气宗的气是计算方法和程序。
剑宗的理念是定性、图象、理解,气宗的精神是定量、数值、计算。
剑宗肯定自称是理论化学家。气宗很可能自称为计算化学家。
剑宗的文章被拒是因为充满解释却计算不可靠。气宗的文章被拒是因为充满计
算结果却没有解释。
剑气孰为本?剑宗的立场是:“剑派剑派,自然是以剑为主。”强调自己是化
学家,鼓吹一般物理学家没有的化学直觉。气宗的格言是:“气功一成,不论使
拳脚也好,动刀剑也好,便都无往而不利之。”往往不觉得自己和物理学家有何区
别,认为化学就是量子力学的应用。
两者都认为化学是统一的。剑宗说化学统一在轨道图象中。气宗说化学统一在
数值计算中。无机和有机在他们看来没区别。剑宗是知道它们的区别然后给出共通
的图象。气宗是压根不知道它们的区别,反正算就是了。
剑宗的独孤九剑是前线轨道理论、扩展Huckel方法(这是Hoffmann在25岁时发
明的一招,被引用过成千上万次,虽然有人称其为理论,他自己却永远都说这只是
个方法)、等叶片性(isolobality),--当我读《化学中的轨道相互作用》到等
叶片性那一章的时候,首先跳进我脑海的就是四个字“独孤九剑”!气宗的易筋经
(紫霞神功猥琐了点,端不上台面,大概就相当于Gaussian软件使用说明之类的吧)
是密度泛函理论、MP微扰论、耦合团簇方法。
剑宗究竟干些什么?推公式?不,那是气宗高手干的。编程序?不,那是气宗
少壮派干的。倒不是说这些事情剑宗一点都不干,只是它们对剑宗来说都是工具而
非精髓。剑宗的代表性工作模式是黑板、粉笔、画图、联想。按说这画图的规则就
那么几条,我也知道得差不多了,不见得比Hoffmann少多少,有时候推推公式还比
他强那么一点点(见后文《本命年》)。但说到联想嘛……功力就表现在这上面。
经常是Hoffmann说某某是显然的,然后我觉得当然是显然的,--可是在他说显然
之前我怎么都想不到。所以说这年头,算得准能够发文章不奇怪,算不准还能够发
文章才是大牛。可惜这种天马行空式的思维,我越来越觉得只有Hoffmann才能干。
因为联想需要两样东西:一,巨大的数据库;二,快速的检索。我要达到同样的水
平,不知这辈子有没有指望了。--但是没关系,路总是人走出来的。我曾经跟
Hoffmann说:“今天您在几分钟之内就找到了和这个含有五配位的Al的分子相似的
已知分子,画出了轨道结构,当时我简直是感动莫名。可是我没法做到同样的事。”
他回答说:“哦,不奇怪,这样的事我做了四十多年了。你也会发展出你自己的风
格的。”我再问:“您的风格是怎么来的?”回答是:“风格并不是特意培养出来
的。我只是一件一件事地做下去,然后风格自然就有了。想起来,我的风格是我的
老师们W. N. Lipscomb(1976年Nobel化学奖得主,Hoffmann是他第一个Harvard的
博士生)、R. B. Woodward(1965年Nobel化学奖得主,Hoffmann的博士后老板)的
风格的综合。你从你的老师们那里学到的,将来也会融合到你的风格中。”这话虽
然是鼓励性的,可也令我有些哭笑不得:他的老师们都是这样的主儿,加上在有机
化学方面对他影响很大的哥们E. J. Corey(1990年Nobel化学奖得主),这套豪华
阵容比他本人还要吓人,我真不知道上哪儿找这么多大师来融合:-)
多年以前,气宗嘲笑剑宗算不准,剑宗讽刺气宗算不大,大家倒也是乌鸦不必
说猪黑。九十年代以来,风云突变,计算机和算法的发展突破了瓶颈。好像一夜之
间,冒出来无数的商业计算程序。以前想都不敢想的计算任务,现在随便一个新手
拿起程序就能黑箱操作出结果来了,虽然很可能他自己压根不明白程序究竟做了些
什么、结果有什么意义。所以我师兄double_mad在香港时,说他们推公式、编程序
的(他们做量子统计物理的,也是很特别的一派,化学家看不懂他们的公式,理论
物理学家认为他们的公式品味太低根本称不上理论,结果就是两边不讨好只能自娱
自乐)整天焦头烂额苦思冥想,旁边有一群程序运行家(也许可以叫做runner?)
却把任务一提交就上网打牌下棋,简直是新旧社会两重天。很多学问的发展史就是
庸俗化的历史,从阳春白雪的科学(思想)转化为下里巴人的技术(教条),典型
的例子是佛教、马克思主义,计算化学现在也来了。
剑宗入门不太容易,不先理解足够多的理论就什么都看不懂(虽然剑宗的理论
是我见到的最简单的可以称为理论的东西)。气宗入门,多年以前也许是困难的,
也要先苦读一大堆理论和程序;现在却变得轻松得象吃一盘白菜,什么理论都不要?
只需要会用一个程序就行了。而只需要会用程序,就可以做很多具有实用意义的事
情,有人愿意为此出钱。所以剑宗的人比气宗的少得多的多,少到甚至许多气宗的
人都不知道剑宗的存在,--反正我在科大没遇见懂得剑宗思维的。不过反过来说?
神剑的奥妙岂是俗人随随便便就能领会的!当然,成为高手宗师还是很难的,无论
剑宗或者气宗。
虽然我对气宗大师没有感觉,对气宗小混混的日子感觉可是太深了。其实气宗
和剑宗最大的区别就在这一点上。作为气宗的学徒,每天干的事情就是用现成的程
序,输入、输出、数据处理,不知道数据为什么是这样,不知道数据中最值得注意
的什么,不知道数据能引出什么普遍结论。结果对了是程序的功劳,错了不知道去
怪谁。总之就是我能干的别人同样能干,我们是革命的螺丝钉。常常想起《唐伯虎
点秋香》中唐伯虎在华府编号9527那段:“死做活做像条狗,被人骂不能汪汪叫。
像条狗,真好笑……”说某某人牛,一是他能推出一堆看不懂的公式,二是他的计
算资源强大所以更加准确。无论怎样,美感、哲理都是谈不上的。如果科学就是这
样无趣,那简直太恐怖啦。虽然可以跟自己说,在有创造性之前总要经过学徒、技
术员的阶段,可怎么都看不到如何超越这个阶段。超越了又如何?难道就是推更多
的公式,编更多的程序,用更多的计算机?最后就是不知道自己为什么要干这种莫
名其妙的事情,“你说你感到万分沮丧,甚至开始怀疑人~生……”
谢天谢地,如果说许多气宗低手的这条路象资本主义的流水线一样泯灭个性的
话,剑宗就像马克思梦想的共产主义那样解放人性。剑宗不会有不理解自己的计算
结果这样的事,就像手工艺人不会不知道自己产品的来历。剑宗的理念是:“化学
是一个整体。化学是简单的。化学是有趣的。”又要普适、又要简单、又要有趣、
还得科学,真难以想象世界上还有这么好的事,--可是居然还真有。普适,因为
分子轨道理论是普适的。虽然电子关联是个问题,但密度泛函理论又堵上了这个缺
口。简单,因为轨道构造规则是简单的。"Orbital Interactions in Chemistry"的
前40页几乎就说尽了所有的规则,而且极其容易记忆。有趣,因为构造轨道就像画
画,而这画既漂亮又含有丰富的信息。BeH2的直线形和H2O的折线形,过渡金属三维
配合物的18电子规则,B12H12的正二十面体形状,聚乙炔不导电但少量掺杂后导电
率激增,这种种现象都有简单而精妙的解释。大自然总是能给我们新的惊喜。归结
到一句话就是:“化学是一门艺术!”剑宗是一门美学,思想美、方法美、结论美。
Hoffmann上大学的时候,差点当了艺术家,后来出版了诗集(当然是得Nobel奖之后
了:-)),现在还不断写才子书。风流的人,正与倜傥的学问交相映衬。我现在
的同事们,都坚信科学在于人脑而不在电脑,趣味在于结构而不是数值,--所以
都“活得象个人样”。在这个意义上,选择剑宗不但是专业上的事情,甚至具有形
而上的意义,事关后工业时代人的个性、自由、尊严、生命中不能不承受之重与不
能承受之轻……:-)
我曾经不止一次问过Hoffmann:“理论化学的前途是什么?”他总要先来一句:
“我不知道。我的年纪越来越大了……”然后才开始说正经的。不过现在在我看来,
理论化学的前途就在于气剑结合、以气御剑、独孤九剑加易筋经。以前两派都是阳
春白雪,能在哪一边绘修了。我相信这就是以后的趋势。
两者结合,虽然已经有人在做,不过多半还是剑宗的人不得已使用气宗的程序,
却只当作一个数字图书馆,就是从头计算完了再用扩展Huckel方法来一遍,还是很
生硬的。虽然我说了气宗学徒许多坏话,但绝不是说气宗高手也是这样。气宗的长
处在于严密、精确、循序渐进。毕竟,现在许多问题是没有计算就没有理解的。至
于气宗更深入的妙处,我希望以后有机会学习。气剑之间高明的结合,应该是既保
持精确性,又获得图象理解,两个目的可以在一个计算中毕其功于一役。这样的路
已经有人在走了,参见"Kohn-Sham Density Functional Theory: Predicting and
Understanding Chemistry", by F. M. Bickelhaupt and E. J. Baerends(荷兰一
位较大的牛,不是更深的蓝),Reviews in Computational Chemistry, 2000, Vol.
15, 1 - 86.这是最值得注意的阶级斗争新动向。这个目标,我觉得几乎可以说是理
论化学的最后一战,--再不“洪哥,我们动手吧”以后就没得混了。在这个方向
上创立模式的人,以后就等着被象A. D. Becke那样被引用个相思入骨吧(Becke在
1993年发表的一篇文章提出了现在最流行的一种算法,已经被引用了超过9000次)!
这是我遇到的第一个真正的机会。不过,如果懂得无招胜有招的道理,何时何
处不可以是机会?
d***o
发帖数: 761
2
"The purpose of computing is insight, not numbers." Richard Humming.

【在 s**********y 的大作中提到】
: 好几年前看见的一篇文章,写的非常通俗易懂,非常喜欢作者提出的气宗剑宗的说法,
: 不知道西方文化里有没有相对应的划分方法,一种直击重点不拘小节,一种稳扎稳打条
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: ,不能不说是一种悲哀啊,所以才有计算化学家站出来大声疾呼,Give me insight,
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