鑽石舞台

每年臨近10月的時候，整個科學界總瀰漫着一股興奮的情緒。人們在期待新一屆諾貝爾獎得主揭曉的同時，也不禁做出各種猜測。諾貝爾獎評選的是「最能造福人類」的成果，因此它始終激勵着各個領域的科學家在研究之路上披荊斬棘，並重新燃起社會各界對研究和科學進步的熱情。對計算科學家而言，隨着計算工具潛在的應用範圍不斷擴大，這種激勵也是多樣化的。

去年，我們回顧了諾貝爾獎的歷史，並討論了計算科學是如何直接或間接地影響了先前的獲獎主題，以及計算科學是如何明確獲得諾獎認可的。在今年的這期專刊中，我們將這些討論進一步擴展。我們採訪了各領域的專家——包括諾獎得主、諾獎得主曾經的同事，還有一位諾獎委員會成員。這不僅是為了讚美計算科學對物理和化學領域做出的多樣貢獻，更是為了展望未來，看清前路的挑戰。雖然有許多重要的模型已獲得了諾獎的認可，但本文中我們將重點關注計算科學在實現已有理論可計算化過程中的貢獻——有些成果甚至是在計算能力極其有限的條件下做出的。

我們在專刊中重點討論了1998年諾貝爾化學獎，它頒給了量子化學領域的兩位先驅——Walter Kohn和John Pople。Kohn因發展出了密度泛函理論（DFT）而獲獎，Pople則是因開發了量子化學的計算方法而獲獎。實際上，前者的研究成果使量子化學計算成為可能，而後者的量子化學軟件Gaussian徹底改變了計算化學領域。這款軟件使研究者能從理論上研究分子、分子的性質，以及分子間相互作用，它有效地將Kohn的DFT變成了現實。我們有幸請到了這兩位諾獎得主的前同事，同時也是量子化學領域巨擘的Lu Sham和Martin Head-Gordon，並與他們進行了交流。

Lu Sham曾與Kohn密切合作，共同提出了著名的Kohn–Sham方程。他們開發了一種簡化的動能近似法，並提高了DFT在材料科學和化學研究中的實用性。這項成果也是Kohn獲得諾貝爾獎的重大加分項。當他們最開始研究這項理論時，Sham並沒有料到它會產生這麼大的影響。「它隨後的發展實在出乎我的意料，」Sham說。他們的研究成果的確是一項重要的、開創性的貢獻。也正因此，仍有許多難題有待解決，其中一個挑戰是DFT方法在量子材料和強關聯繫統中的應用。Alex Zunger所著的一篇評述詳細探討了這一問題，以及連接DFT和量子材料的可能性和機遇。

Martin Head-Gordon在博士階段師從Pople。他在化學領域也取得了傑出的成就，包括對DFT和密度泛函的研究，以及在Gaussian和之後的Q-Chem的開發中所做的貢獻。同Pople共事的那段時光深刻影響了Head-Gordon的研究生涯。「他是在科學上對我影響最大的人，」Head-Gordon說。如今，Gaussian和Q-Chem依然是市面上使用範圍最廣的兩款量子化學軟件包。而Q-Chem還有許多未開發的領域有待探索。正如Head-Gordon所說：「我們正以各種方式邁向更加複雜的系統，改進核心算法是我們在這一階段的主要任務。」

另外，我們也關注了2013年的諾貝爾化學獎。這一年的諾貝爾化學獎頒給了Arieh Warshel、Michael Levitt和Martin Karplus，以表彰他們在開發複雜化學體系的多尺度模型方面的貢獻。Warshel建立的量子力學/分子力學（QM/MM）方法讓科學家們能以一種簡易而準確的計算方法來模擬龐大系統。我們採訪了Warshel，談到了他目前的研究，以及他在研究生涯中曾遇到的一些挑戰。Warshel提到，曾經很難「讓人們相信，計算機是準確理解酶工作原理的唯一方法。」儘管如此，Warshel、Levitt和Karplus的研究還是逐漸為學術界所廣泛接受。「大家很快注意到了分離QM和MM的簡單想法，而不是實現精確模擬的方法，」Warshel說。而正是這份簡潔，使得QM/MM至今仍然是各領域計算科學家不可或缺的一種方法。（詳見推文：分子力學引導下的量子化學計算 | 2013諾貝爾化學獎得主訪談）

在這期專刊中，我們還討論了計算科學界對物理學的重要貢獻。我們採訪到了Saul Perlmutter——他因觀察遙遠的超新星，發現了宇宙加速膨脹而獲得了2011年諾貝爾物理學獎。在這項研究當中，Perlmutter需要從廣域圖像中識別出成千上萬個星系，並在這些星系中尋找超新星。他表示，「這份任務很適合交給計算機來做。」這項研究需要藉助先進的計算技術，而他剛好遇上了計算技術大發展的良機。「從技術上看，可以說我的研究正當其時，」Perlmutter說，「計算技術在這項研究中發揮了關鍵作用。」（詳見推文：計算機「眼」中的宇宙膨脹 | 2011諾貝爾物理學獎得主訪談）

最近，2021年諾貝爾物理學獎授予了Giorgio Parisi、Syukuro Manabe和Klaus Hasselmann。他們因在理解複雜物理系統（如地球氣候），以及在實現複雜物理系統的可計算化方面的研究而獲獎。我們聯繫到了諾貝爾物理學獎委員會成員John Wettlaufer，他向我們介紹了Parisi三人摘得桂冠的原因。從他的講述中，我們得以瞥見諾貝爾委員會決策的幕後。Wettlaufer指出，要想進一步推動該領域發展，並解決氣候變化相關的挑戰，就應將數據和數據驅動方法作為計算科學發展的重點，而這離不開多學科合作。「這可能是一句老生常談，但如果人們繼續各自為戰，那麼它將永遠無法實現，」Wettlaufer說。Mojib Latif所著的一篇評述也討論了當前的挑戰，以及先進的地球系統和全球氣候模式如何能有助於解答這些緊迫問題，以減輕人類活動對氣候變化和全球變暖的影響。（詳見推文：實現複雜系統的計算 | 諾貝爾委員會成員訪談）

其他年份的諾貝爾獎或許並未直接認可計算科學界的貢獻，但獲獎的研究均得到了計算的極大加持，例如2020年的諾貝爾化學獎——Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna因開發了CRISPR–Cas9基因組編輯技術而共同獲獎。Lei Stanley Qi在博士期間曾得到過Doudna的指導。在一篇評述中，他向我們說明了計算分析是如何揭示CRISPR抵禦病毒感染的一般性免疫功能，並助力了CRISPR系統的發現，以及計算科學如何賦能CRISPR基因組編輯工具的進一步發展。（詳見推文：計算如何賦能CRISPR的發現與技術發展？| 諾獎研究回顧）

有趣的是，這些採訪和文章存在着一些共同主題。首先是實驗者和理論學家之間的合作的重要性。例如，Sham說明了DFT可用於指導後續的實驗研究。而Perlmutter指出，實驗和觀測證實了他所在領域的許多計算預測。但正如Head-Gordon所說，理論與實驗之間的反饋循環固然重要，但也不可能一帆風順，比如要儘可能確保在實驗中重現模擬對象。另一個反覆出現的主題是多學科研究的重要性。例如，Wettlaufer指出，多學科合作是有效開展數據驅動的氣候研究的必要條件。而Qi表示，其他領域開發出的計算工具（如蛋白質結構預測算法）能極大地提高CRISPR技術的潛力。這些共通之處表明，儘管上述研究所處的領域不同，本質（從建模、理論到軟件開發）相異，但它們也存在關聯，面臨着相似的挑戰。這些都反映出計算科學研究的特點。（詳見推文：氣候模式的發展之路 | 諾獎研究回顧）

萬眾期待的2022年諾貝爾獎已於10月3日至10日逐步揭曉。關注諾獎的同時，也歡迎您前來閱讀本期專刊，通過精選訪談和評述了解計算科學對自然科學的影響和貢獻。