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　　在高中化學(xué)課本里面，分子結(jié)構(gòu)可算是最主要的內(nèi)容之一。但是，這些看上去由“球”(代表原子)和“棍”(代表化學(xué)鍵)構(gòu)成的模型已經(jīng)有些年頭了。并不是沒(méi)有更新的模型，問(wèn)題在于，科學(xué)家在更為準(zhǔn)確的分子外觀模型方面，并未取得一致意見(jiàn)。

　　20世紀(jì)20年代，沃爾特·海特勒(Walter Heitler)和弗里茨·倫敦(Fritz London)應(yīng)用剛剛興起的量子力學(xué)理論，向人們展示了如何描述化學(xué)鍵的形成。此后不久，美國(guó)著名化學(xué)家鮑林(Linus Pauling)又提出了雜化軌道理論，認(rèn)為當(dāng)不同原子的電子軌道在空間上重合時(shí)，就會(huì)形成化學(xué)鍵。而羅伯特·馬利肯(Robert Mulliken)和弗雷德里希·洪德(Friedrich Hund)卻提出了截然不同的理論：化學(xué)鍵的形成，是原子軌道并入一個(gè)包括多個(gè)原子的“分子軌道”的結(jié)果。那時(shí)的理論化學(xué)看起來(lái)就像物理學(xué)的一個(gè)分支。

　　近100年后，分子軌道模型成為認(rèn)可度最高的一種。但對(duì)于這種模型是否研究分子的最佳工具，化學(xué)家仍然沒(méi)有達(dá)成一致。原因在于，這類(lèi)分子模型，以及其他所有簡(jiǎn)化了的假想模型都不夠精確，只能部分描述分子結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，分子就是電子云中的一團(tuán)原子核，并通過(guò)相反的靜電力，與另外一團(tuán)原子核進(jìn)行著一場(chǎng)永不停止的“拔河游戲”，而且所有的組成部分都在不停地運(yùn)動(dòng)和重組?，F(xiàn)有的分子模型通常試圖將這樣一種處于動(dòng)態(tài)的實(shí)體變?yōu)殪o態(tài)，并且明確各個(gè)組分之間的關(guān)系，這種做法會(huì)顯示出分子的一些突出性質(zhì)，但同時(shí)也會(huì)將其他信息忽略掉。

　　而對(duì)于每天的工作就是破壞和構(gòu)建化學(xué)鍵的化學(xué)家來(lái)說(shuō)，量子理論又無(wú)法為化學(xué)鍵提供一個(gè)符合他們直覺(jué)的獨(dú)特定義。現(xiàn)在，很多人定義分子的方法，都是把分子看作是一堆通過(guò)化學(xué)鍵結(jié)合在一起的原子。在德國(guó)波鴻-魯爾大學(xué)的量子化學(xué)家多米尼克·馬克斯(Dominik Marx)看來(lái)，這些描述都有一個(gè)共同的毛病，那就是“在某些情況下是正確的，但換到其他條件下，就是錯(cuò)誤的”。

　　現(xiàn)在，科學(xué)家可以根據(jù)量子第一性原理(quantum first principles)，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬來(lái)計(jì)算分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)——只要電子數(shù)量相對(duì)較少，就能獲得精確度很高的結(jié)果?！坝?jì)算化學(xué)可以極度現(xiàn)實(shí)化和復(fù)雜化，”馬克斯說(shuō)。因此，計(jì)算機(jī)模擬越來(lái)越被看作是一種虛擬實(shí)驗(yàn)，用來(lái)預(yù)測(cè)一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。但是，一旦某個(gè)反應(yīng)的模擬計(jì)算不再局限于幾十個(gè)電子，計(jì)算量就將變得巨大無(wú)比，即使最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)恐怕也無(wú)法勝任。因此，我們面臨的挑戰(zhàn)將會(huì)是能否放大模擬范圍，比如細(xì)胞中的復(fù)雜分子過(guò)程或某些復(fù)雜材料的分子結(jié)構(gòu)。