化学反应发生的速度迅雷不及掩耳，电子在原子核之间的跳转不过百万分之一秒，令人无从窥探。过去，化学家们曾利用塑料球和小棍来构建分子的模型，但现在，建模交给了计算机，设计和开展实验都可以在计算机上完成。而这些反映真实情况、了解和预测化学反应过程的计算机程序，正是建立在2013年诺贝尔化学奖的3位得主——马丁·卡普拉斯、迈克尔·莱维特和阿里耶·瓦谢勒在上世纪70年代的研究基础之上。

　　当时，这三位科学家结合经典和量子物理学，设计出多尺度复杂化学系统模型，将传统的化学实验搬到了网络世界。这一完美结合现实与理论的化学系统模型，为更全面了解并预测化学反应进程奠定了基础。

　　画面胜过万语千言

　　利用计算机对真实生命进行模拟，让复杂化学过程中肉眼不可见的每一个细微步骤都“历历在目”， 这一有助于对催化剂、药物和太阳能电池进行优化的过程，已成为当今化学领域中大部分新研究成果成功的关键因素。

　　让我们用一个小例子来解释这项技术如何让人类从中受益：如果能够人工模拟光合作用，将能够研制出更高效的太阳能电池；当水分子分裂，会释出氧气，同时产生可用于驱动车辆的氢。但这个过程的细节——当阳光照射绿叶，让蛋白质充满能量，整个原子结构随之发生变化——几乎不可能用传统的化学方法来反映。

　　要了解其中的化学反应，就得知道这个充满能量的状态看起来是什么样的。这个时候就需要使用能够逼真模拟这一过程的计算机程序了。

　　使用这种软件可以计算出各种似是而非的反应途径。这就是所谓的模拟或建模。由此你可以了解特定原子在不同阶段的化学反应扮演什么样的角色。而当你找到一个合理的反应路径，就比较容易开展真正的实验，来验证计算机正确与否。反过来，这些实验也可以提供新的线索，使模拟更加优化。这也是为何现在的化学家们花费尽可能多的时间坐在电脑前而不是摆弄试管的原因所在。

　　量子化学与经典物理学携手

　　那么，被授予诺贝尔化学奖的这个计算机程序到底特殊在哪里？

　　以前，科学家在电脑上模拟分子时所用的软件，要么基于经典的牛顿物理理论，要么基于量子物理学。二者各有优势，也有短板：经典理论的程序可以计算和处理大化学分子，但只能显示处于静止状态的分子，这虽然让化学家们得以很好地描述原子在分子内的定位，却无法用来模拟化学反应，因为分子在反应过程中充满“活力”。经典物理学对这种活跃状态根本一无所知，这是一个严重的局限性。

　　为此，科学家们不得不转向量子物理学，根据这种二元论，电子可以同时以粒子和波的形式存在，而薛定谔那只隐藏在盒子中的著名的猫，可以既是活的也是死的。量子物理学摒弃了科学家的任何偏见，因而模拟更显逼真。但不足之处是，量子理论的程序可以对化学过程进行详细推演，却要求具备强大的计算能力，计算机必须处理分子中每一个电子和每一个原子核。在20世纪70年代，科学家们只能进行小分子的计算，建模时也要被迫忽略与周围环境比如溶液的相互作用，而这却是现实生活中化学反应发生时最常见的背景。

　　经典物理学和量子化学是两个完全不同的世界，而3位诺贝尔化学奖得主所做的，就是在这两个世界之间打开了一扇门。在他们的计算机模型中，牛顿和他的苹果与薛定谔和他的猫携手合作了。