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每年臨近10月的時候，整個科學(xué)界總彌漫著一股興奮的情緒。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，因此它始終激勵著各個領(lǐng)域的科學(xué)家在研究之路上披荊斬棘，并重新燃起社會各界對研究和科學(xué)進步的熱情。對計算科學(xué)家而言，隨著計算工具潛在的應(yīng)用范圍不斷擴大，這種激勵也是多樣化的。

去年，我們回顧了諾貝爾獎的歷史，并討論了計算科學(xué)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(xué)是如何明確獲得諾獎?wù)J可的。在今年的這期專刊中，我們將這些討論進一步擴展。我們采訪了各領(lǐng)域的專家——包括諾獎得主、諾獎得主曾經(jīng)的同事，還有一位諾獎委員會成員。這不僅是為了贊美計算科學(xué)對物理和化學(xué)領(lǐng)域做出的多樣貢獻，更是為了展望未來，看清前路的挑戰(zhàn)。雖然有許多重要的模型已獲得了諾獎的認(rèn)可，但本文中我們將重點關(guān)注計算科學(xué)在實現(xiàn)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?？兄攸c討論了1998年諾貝爾化學(xué)獎，它頒給了量子化學(xué)領(lǐng)域的兩位先驅(qū)——Walter Kohn和John Pople。Kohn因發(fā)展出了密度泛函理論（DFT）而獲獎，Pople則是因開發(fā)了量子化學(xué)的計算方法而獲獎。實際上，前者的研究成果使量子化學(xué)計算成為可能，而后者的量子化學(xué)軟件Gaussian徹底改變了計算化學(xué)領(lǐng)域。這款軟件使研究者能從理論上研究分子、分子的性質(zhì)，以及分子間相互作用，它有效地將Kohn的DFT變成了現(xiàn)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(xué)領(lǐng)域巨擘的Lu Sham和Martin Head-Gordon，并與他們進行了交流。

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(fā)了一種簡化的動能近似法，并提高了DFT在材料科學(xué)和化學(xué)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(dāng)他們最開始研究這項理論時，Sham并沒有料到它會產(chǎn)生這么大的影響?！八S后的發(fā)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(chuàng)性的貢獻。也正因此，仍有許多難題有待解決，其中一個挑戰(zhàn)是DFT方法在量子材料和強關(guān)聯(lián)系統(tǒng)中的應(yīng)用。Alex Zunger所著的一篇評述詳細(xì)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(xué)領(lǐng)域也取得了杰出的成就，包括對DFT和密度泛函的研究，以及在Gaussian和之后的Q-Chem的開發(fā)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(xué)上對我影響最大的人，”Head-Gordon說。如今，Gaussian和Q-Chem依然是市面上使用范圍最廣的兩款量子化學(xué)軟件包。而Q-Chem還有許多未開發(fā)的領(lǐng)域有待探索。正如Head-Gordon所說：“我們正以各種方式邁向更加復(fù)雜的系統(tǒng)，改進核心算法是我們在這一階段的主要任務(wù)?！?/p>

另外，我們也關(guān)注了2013年的諾貝爾化學(xué)獎。這一年的諾貝爾化學(xué)獎頒給了Arieh Warshel、Michael Levitt和Martin Karplus，以表彰他們在開發(fā)復(fù)雜化學(xué)體系的多尺度模型方面的貢獻。Warshel建立的量子力學(xué)/分子力學(xué)（QM/MM）方法讓科學(xué)家們能以一種簡易而準(zhǔn)確的計算方法來模擬龐大系統(tǒng)。我們采訪了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(zhàn)。Warshel提到，曾經(jīng)很難“讓人們相信，計算機是準(zhǔn)確理解酶工作原理的唯一方法?！北M管如此，Warshel、Levitt和Karplus的研究還是逐漸為學(xué)術(shù)界所廣泛接受?！按蠹液芸熳⒁獾搅朔蛛xQM和MM的簡單想法，而不是實現(xiàn)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(lǐng)域計算科學(xué)家不可或缺的一種方法。（詳見推文：分子力學(xué)引導(dǎo)下的量子化學(xué)計算 | 2013諾貝爾化學(xué)獎得主訪談）

在這期?？校覀冞€討論了計算科學(xué)界對物理學(xué)的重要貢獻。我們采訪到了Saul Perlmutter——他因觀察遙遠(yuǎn)的超新星，發(fā)現(xiàn)了宇宙加速膨脹而獲得了2011年諾貝爾物理學(xué)獎。在這項研究當(dāng)中，Perlmutter需要從廣域圖像中識別出成千上萬個星系，并在這些星系中尋找超新星。他表示，“這份任務(wù)很適合交給計算機來做?！边@項研究需要借助先進的計算技術(shù)，而他剛好遇上了計算技術(shù)大發(fā)展的良機?！皬募夹g(shù)上看，可以說我的研究正當(dāng)其時，”Perlmutter說，“計算技術(shù)在這項研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用?！保ㄔ斠娡莆模?a target="_blank" >計算機“眼”中的宇宙膨脹 | 2011諾貝爾物理學(xué)獎得主訪談）

最近，2021年諾貝爾物理學(xué)獎授予了Giorgio Parisi、Syukuro Manabe和Klaus Hasselmann。他們因在理解復(fù)雜物理系統(tǒng)（如地球氣候），以及在實現(xiàn)復(fù)雜物理系統(tǒng)的可計算化方面的研究而獲獎。我們聯(lián)系到了諾貝爾物理學(xué)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后。Wettlaufer指出，要想進一步推動該領(lǐng)域發(fā)展，并解決氣候變化相關(guān)的挑戰(zhàn)，就應(yīng)將數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)驅(qū)動方法作為計算科學(xué)發(fā)展的重點，而這離不開多學(xué)科合作?！斑@可能是一句老生常談，但如果人們繼續(xù)各自為戰(zhàn)，那么它將永遠(yuǎn)無法實現(xiàn)，”Wettlaufer說。Mojib Latif所著的一篇評述也討論了當(dāng)前的挑戰(zhàn)，以及先進的地球系統(tǒng)和全球氣候模式如何能有助于解答這些緊迫問題，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(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的計算 | 諾貝爾委員會成員訪談）

其他年份的諾貝爾獎或許并未直接認(rèn)可計算科學(xué)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(xué)獎——Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna因開發(fā)了CRISPR–Cas9基因組編輯技術(shù)而共同獲獎。Lei Stanley Qi在博士期間曾得到過Doudna的指導(dǎo)。在一篇評述中，他向我們說明了計算分析是如何揭示CRISPR抵御病毒感染的一般性免疫功能，并助力了CRISPR系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)，以及計算科學(xué)如何賦能CRISPR基因組編輯工具的進一步發(fā)展。（詳見推文：計算如何賦能CRISPR的發(fā)現(xiàn)與技術(shù)發(fā)展？| 諾獎研究回顧）

有趣的是，這些采訪和文章存在著一些共同主題。首先是實驗者和理論學(xué)家之間的合作的重要性。例如，Sham說明了DFT可用于指導(dǎo)后續(xù)的實驗研究。而Perlmutter指出，實驗和觀測證實了他所在領(lǐng)域的許多計算預(yù)測。但正如Head-Gordon所說，理論與實驗之間的反饋循環(huán)固然重要，但也不可能一帆風(fēng)順，比如要盡可能確保在實驗中重現(xiàn)模擬對象。另一個反復(fù)出現(xiàn)的主題是多學(xué)科研究的重要性。例如，Wettlaufer指出，多學(xué)科合作是有效開展數(shù)據(jù)驅(qū)動的氣候研究的必要條件。而Qi表示，其他領(lǐng)域開發(fā)出的計算工具（如蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測算法）能極大地提高CRISPR技術(shù)的潛力。這些共通之處表明，盡管上述研究所處的領(lǐng)域不同，本質(zhì)（從建模、理論到軟件開發(fā)）相異，但它們也存在關(guān)聯(lián)，面臨著相似的挑戰(zhàn)。這些都反映出計算科學(xué)研究的特點。（詳見推文：氣候模式的發(fā)展之路 | 諾獎研究回顧）

萬眾期待的2022年諾貝爾獎已于10月3日至10日逐步揭曉。關(guān)注諾獎的同時，也歡迎您前來閱讀本期?？ㄟ^精選訪談和評述了解計算科學(xué)對自然科學(xué)的影響和貢獻。