有了量子力学是不是就不需要化学理论了？ 第1页

都可以用薛定谔方程直接推出来？

你知道吗，薛定谔方程至今能直接求解的“分子”体系的波函数，也只有H_2^+和氦（单原子分子）这类结构极其简单的而已，普通的三个原子的分子就已经是解析方法处理不了的体系了。

1s是球形，2p是纺锤形，那都可以用“量子力学”推出来。好的，下面这个分子，呼吸作用的氧化磷酸化过程中的关键酶之一，细胞色素C氧化酶^[1]：

电子轨道是球形还是纺锤形啊？

自洽场理论提出后，量子力学在化学领域才真正有实用价值。而自洽场理论的核心是什么呢？不是“直接推出来”，而是先用经验和半经验方法对某个体系猜一个大概的波函数密度矩阵出来，然后代入哈锤-福克-罗特汉方程求解，求得的密度矩阵和原本的密度矩阵对比，差距很大，就往下迭代，有收敛趋势，就一直迭代到密度矩阵差距非常小的时候，也就是收敛的时候，就可以认为此时的波函数是实际的稳定波函数了。

然而早期的自洽场HF方法，精度依然不足以全面推广，只能解决极少数的实际问题。别说算反应了，TD-HF方法计算激发能的误差甚至能超过100%。而精度更高的后HF方法，普遍计算成本极其昂贵，而获得的精度提升也不是成比例的——不是说这些方法不好，而是这些方法在现有的计算机机能下注定不适合推广到各种应用体系。随便一个蛋白质的分子量大几千上万，电子数量几十万，哪怕用纯经典力学的纯粹经验模拟，也要借助GPU加速才能有可以接受的速度。

量子化学真正普及，能够指导和解决实际问题已经到了DFT时代，而现在市面上绝大部分DFT方法靠的还是很多键盘物理学家瞧不上的参数化和拟合。就近20年来，量化领域的重大进展，多半不是题主想象中的基于最基本的物理原则直接硬推出来的：M062X^[2]和其它明尼苏达泛函，RIJCOSX/RIJK^[3]，SMD^[4]，还有基本克服了DFT方法描述弱相互作用先天不足的DFT-D^[5][6]，都是近似方法、数值近似或者参数化拟合的结果——不是说解析方法不重要，TDDFT一阶解析导数就很重要，而是现实中在现在的数学水平和计算机水平的发展阶段下，不可能所有问题都有解析解。

那有人说是不是将来计算机计算速度上来了就不需要基于经验和统计的研究方法了？计算机速度上来了，我们研究的对象也会更复杂；现在我们拿经验方法模拟蛋白质，计算机性能上来了我们的前沿就不是拿半经验或者从头算的方法继续模拟蛋白质，而是用经验方法模拟细胞器甚至更大的体系。

甚至可以说，越好的理论方法，是我们用经验、半经验或者统计方法解决更复杂体系的问题的基础和保证。当我们的理论只能准确描述原子时，我们的半经验方法只能给出分子行为的近似描述；而当我们的理论描述分子描述得越准确，我们就可以用统计方法更准确地描述超分子结构或者晶体；当我们得理论可以以较低的成本研究超分子结构的时候，我们的经验方法就可以在其基础上更好的研究更庞大的生物分子机器体系乃至细胞器或者高分子化合物的行为。

我觉得把还原论或者ab initio当一个信仰或者价值导向没啥关系，甚至还很好，但是现在确实有些人是还原论入脑、解析方法成精（不是指题主，题主刚开始学习量子力学有这种疑问也很正常），自己信教不算数还要消灭一切数值导向的、经验导向的、结果导向的研究方法，这是我无法理解的。

More is different，这在任何学科都适用。

参考

1. ^ https://www.rcsb.org/structure/1occ
2. ^ https://link.springer.com/article/10.1007/s00214-007-0310-x
3. ^ https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2008.10.036
4. ^ https://doi.org/10.1021/jp810292n
5. ^ https://doi.org/10.1002/jcc.20078
6. ^ https://doi.org/10.1063/1.3382344

此情此景，我不禁吟诗一首啊！

西北玄天一片云
乌鸦酪在凤凰群
满车都是英雄汉
哪是君来哪是臣

1.利用电子结构计算+人工智能预测晶体结构，是一个Open Question。国际上每年有Blind test比赛，世界有名的人工智能和电子结构的课题组有不少参赛的。曾参赛过的选手中，有我们中国人的骄傲，吉大马琰铭课题组。今年的晶体结构预测大赛又开始了！有兴趣的小伙伴赶紧报名去啊！这次时间充裕，给足一年半！

当然了，这方面做得好，还有对口单位可去，药企都十分关心这套活。因为申请专利的时候，要报告晶体结构，如果有人看到已知专利，却结晶出来了另一种专利里边没写的晶体结构，就可以避开专利自己生产了。印度仿制药的公司有许多这种案例。这可是白花花的银子。可惜，目前还没有一个可以拍着胸脯打保票的方法能快速、准确、穷举一个分子所有可能结晶出来的晶体结构。

1.5 目前液体还没有完善的理论。据我所知，RISM是目前能达到的最精确的液体理论了。然而理论中包含系统的哈密顿量，受制于力场精度。近年，港科的黄旭辉老师麾下有个小伙子开发了一个新版的RISM。

2.化学反应往往发生在一定环境里。如果量子力学计算包含所有的环境，原则上有可能得到精确的计算结果（但考虑到经典和量子混沌存在，我持否定态度）。但是计算机水平是有限的。不可能直接拿最原始版本的量子力学薛定谔方程来求解，必须对量子力学理论进行二次开发，研究化学中使用的、基于量子力学的、进一步近似过的、计算机能算的模型来计算。这一条就是跟统计物理一样的问题。见 @宇津月树 的回答。

3. 真空中的化学反应，仍然面临这种情况。目前基于薛定谔方程，三个原子的化学反应理论还在研究中。见大连化物所孙志刚老师的工作。

4. 人的欲望是无穷的，当你穷尽毕生精力，于80岁时算明白你10岁时开始思考的问题，你会惊讶的发现，你身边又已经冒出来了新的问题，远超目前现有的模型与计算水平的范围。

4. Talk is cheap, show me the money(大误）show me the results compatible you experiments.

首先，“化学中很多的物质的结构、成键的方式、发生的反应都可以用量子力学直接推出来”这句话就不正确。用量子力学计算一个简单的分子，计算量都巨大无比；一个是稍微复杂一点的分子，用纯量子力学，压根儿就没办法完全计算出来的。

哪怕一个很简单的体系，比如说就一个大分子，可能计算量就比宇宙目前已知最大的计算量还要大好多倍。所以，认为未来量子力学终将取代化学的，可以闭嘴了。

这也是为什么2013年诺贝尔化学奖会颁发给 为复杂化学系统创造了多尺度模型。他们的工作是，对于一个化学体系，最关心的部分使用量子力学，其他不那么关键的部分则用牛顿力学代替。这样一来，就可以用有限的时间计算出一个相对准确的模型了。

而这样的计算未必是正确的，毕竟有些时候“不那么关键”的部分也可能很关键的。所以化学的理论将会永远存在下去。