历年的诺贝尔化学奖有哪些给了物理学家？ 第1页

不得不说说计算物理学界几乎无人不知的Walter Kohn。

Kohn因创建密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT），极大的降低了量子力学计算的计算量，使得精确模拟化学反应成为可能。

Kohn虽然因此获1998年诺贝尔化学奖，但他本人却是个如假包换的理论物理学家。

要解释Kohn的贡献，还得从量子力学说起。

自从薛定谔方程被提出来之后，物理学家们很快便用它计算了氢和氦的光谱等基本化学性质，发现与实验数据高度吻合。

理论上，薛定谔方程能够准确的预言所有物质的化学性质。因此，另一位量子力学奠基人狄拉克便优越感爆棚了，忍不住开了个全图嘲讽，大意为：“化学这个学科已经被我们物理学家终结了。你说你们花那么多钱鼓捣那些个瓶瓶罐罐有啥用？我们一根笔一张纸算算就把反应结果算出来了。”

然后没过多久，狄拉克就喜闻乐见的被打脸了。

没错，理论上用薛定谔方程是能算出所有的化学反应过程。但是，这个方程是真*宇宙无敌超级*难解。随着电子个数的增加，解薛定谔方程的计算量可以说是爆炸式的增长。

一个含N个电子具有3N个自由度，求解其薛定谔方程，计算量M正比于：

如果解一个氢原子（一个电子）的薛定谔方程需要1微秒，也就是百万分之一秒。

那么，在最理想的情况（p=3）下，解碳原子（6个电子）需要10分钟。

氧原子（8电子）需要两天。

钠原子（11电子）需要127年。

氯原子（17电子）需要500亿年。

......

求解原子序数20以上的薛定谔方程几乎是不可能的，这种迅速增长的计算量也被称为指数墙——一堵压根无法越过的墙。

于是Kohn就琢磨着，既然翻不过去，干脆把墙推倒算了，

薛定谔方程之所以这么难解，是因为它把所有电子的波函数都单独考虑，而N个电子就有3N个自由度。

而Kohn证明，用不着弄清楚每个电子的精确波函数，只需要知道电子的空间密度分布就能描述整个体系了。这就好比称一袋米的重量时，用不着把每个米粒都称一遍然后加起来。

通过把体系用电子密度来描述，N个电子的波函数就被当成了一个函数来处理，3N个自由度也就缩减到了xyz这3个自由度，计算量一下就降下来了。

借助Kohn发展的密度泛函理论，以前只能算算一两个原子的计算量，现在可以模拟近千个原子，普通的化学反应基本上都能处理。这一方法也成了计算化学、材料、物理学界最常用的一种计算方法之一。

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