第105章 曲线救国，计算化学！（2/2）

反正他现在时间多得是，五科省队刚拿下，国赛初赛要到五月才开始，学校那边巴不得他天天自学，别去上课打扰其他凡人。

更妙的是，华附的图书馆居然有正版gaussian 16的校园授权！虽然是教育版，计算资源有限，但对一个小分子体系的dft计算绰绰有余。

陈航眼睛一亮，感觉计划完全可行。

计算化学，现代化学研究中理论与实验并驾齐驱的另一条腿。

在化学史上，理论与实验的螺旋式上升从未停止。如果说门捷列夫的周期表是归纳法的伟大胜利，那么薛定谔方程的提出，则为从第一性原理计算分子性质提供了可能。

但薛定谔方程对于多电子体系的精确求解是“天文数字”般的困难，犹如试图用纸笔精确描绘一场席卷全球的风暴中每一粒尘埃的轨迹。

于是，一代代理论化学家开始了近似的艺术。早期的半经验方法，如huckel分子轨道理论，像一幅简笔画，抓住了有机共轭体系的神韵，却失了细节。而后来ab initio方法，如hartree-fock理论，力求严谨，但计算量随原子数增长极快，且因忽略了电子间复杂的瞬时相关作用，精度常不如人意。

直到密度泛函理论（dft） 的出现，它堪称理论化学领域的一场“范式革命”。其核心思想极具物理洞见：一个多电子体系基态的所有性质，仅仅由电子密度在空间中的分布决定，而无需考虑复杂的多体波函数。 这相当于将描绘“每一个电子”的艰巨任务，简化成了描绘“电子云的整体形状”。

这一思想的奠基者是沃尔特·科恩（walter kohn）和沈吕九（lu jeu sham）。科恩因提出dft的霍亨伯格-科恩定理（hohenberg-kohn theorems）而与约翰·波普尔（john pople， gaussian之父）分享了1998年的诺贝尔化学奖。有趣的是，贡献了至关重要的科恩-沈吕九方程（kohn-sham equations）的沈吕九先生，却与诺奖失之交臂，成为理论化学界常为人提及的憾事。

这世界最公平的就是科学贡献终将被铭记，但荣誉的分配却未必尽如人意，他们也不例外。

dft的成功，关键在于引入了交换-相关泛函（exchange-corrtion functional）。你可以把它理解为一种“智能补丁包”，用来近似处理电子之间的复杂相互作用。从最早的局域密度近似（lda），到广义梯度近似（gga， 如着名的 b3lyp），再到如今五花八门的杂化泛函和双杂化泛函，一代代科学家就像在为这个“补丁包”升级打怪，不断提升其精度与适用范围。一个优秀的计算化学家，必须像老中医熟悉药材一样，熟知各种泛函的“脾性”，知道在什么体系、研究什么性质时该用什么“方子”。

而将这套复杂理论变成化学家手中利器的最着名软件，便是 gaussian。

如果说dft是内功心法，gaussian就是一本详尽无比的武学秘籍兼练功房。它的诞生与发展，几乎就是一部计算量子化学的应用史。其创始人约翰·波普尔，一位从理论物理转向化学的学者，毕生目标就是让复杂的量子化学计算“民主化”，让实验化学家也能使用。从1970年的gaussian 70开始，到如今迭代至gaussian 16甚至更高版本，它集成了从半经验方法、hf方法到各种dft方法，乃至高级电子相关方法（如mp2，sd(t)）的庞杂计算引擎，并能预测分子的结构、能量、振动频率、光谱、反应路径等几乎一切静态和动态性质。

但gaussian本身也曾引发争议。

早期版本因其封闭的源代码和昂贵的商业授权，被一些学者诟病为“黑箱”，阻碍了方法的透明与创新。与之相对的是诸如cp2k、quantum espresso等开源软件的兴起。

然而，不可否认的是，gaussian凭借其无与伦比的易用性、丰富的功能和历经数十年积累的可靠性，至今仍是工业界和学术界大多数课题组进行日常量子化学计算的“标准配置”。其配套的可视化前端gaussview，更是让构建分子、提交任务、分析结果变得直观如搭积木。