化学中存在哪些现象是现有量子理论无法解释的？
在化学这个充满奇妙现象的领域，我们目前的理解很大程度上建立在量子理论的坚实基石之上。从原子内部电子的奇特行为，到分子之间错综复杂的相互作用，量子力学为我们描绘了一幅令人惊叹的微观世界图景。然而，即使是最强大的理论，也难免会有其局限性。在化学领域，依然有一些现象，尽管我们尽力用量子力学的框架去解读，但其核心机制或者某些细节至今仍旧让我们感到困惑，无法给出令人满意的、完整的解释。
其中一个突出的例子，便是“高密度电子体系”（Highdensity electron systems）中的一些行为。想象一下，在某些非常特殊的材料中，大量的电子被“挤压”在一起，它们之间的距离比通常情况下要近得多。在这种极端环境下，电子之间的库仑斥力变得异常强大，量子理论中的单粒子近似（即认为每个电子独立运动，只受到平均场的作用）就显得力不从心了。
具体来说，在这些体系中，我们观察到了一些难以用现有理论解释的相变。例如，某些导体在低温下会突然变成绝缘体，这种转变并非简单的能隙打开，而是涉及电子之间复杂的关联效应。电子不再是孤立的个体，它们似乎形成了一个集体，其行为模式远远超出了我们对自由电子或简单相互作用的预测。理论上，我们需要考虑电子之间“强关联”（Strong correlation）的影响，但精确地描述这种强关联是如何导致宏观性质变化的，是当前量子化学和凝聚态物理中的一个核心难题。很多时候，我们只能依赖于近似方法和数值模拟，而这些方法在处理极端强关联体系时，往往会遇到计算上的瓶颈，或者其结果的普适性存疑。
另一个值得探讨的领域是“非平衡态化学动力学”（Nonequilibrium chemical dynamics）。我们熟悉的量子化学通常描述的是系统处于平衡态时的性质，例如分子的结构、光谱的吸收和发射等。然而，现实世界中的化学反应往往是动态的、非平衡的过程。当一个分子吸收了光能，或者与另一个分子发生了碰撞，它会经历一个能量不断重新分配、状态不断变化的过程，直到达到新的平衡。
精确地模拟和理解这些瞬时动力学过程，尤其是当过程中涉及电子态的快速跃迁、能量的振动弛豫，或者协同的核电子运动时，就会变得极其困难。现有的量子动力学理论，如时间相关的密度泛函理论（TDDFT），在描述某些高精度、长时程的动力学过程时，会暴露出其近似性的局限。例如，在描述某些光化学反应的能量传递路径、或者在理解超快激光脉冲激发下电子在分子内的定向运动时，我们往往需要更精细的理论工具，来捕捉那些转瞬即逝的、高度纠缠的量子态。尤其是在一些多电子激发态的演化过程中，简单地将电子视为独立的准粒子，或者将相互作用视为平均场，都无法准确预测系统的真实行为。
再者，“催化剂的活性位点机制”（Catalytic active site mechanisms）在某些情况下也存在解释上的挑战。催化剂之所以能够加速化学反应，是因为它们能在反应过程中形成瞬时的、能量较低的中间态，从而降低反应的活化能。我们通常认为，催化剂表面的特定原子或电子结构，即所谓的“活性位点”，是催化过程的关键。然而，对于一些复杂的异相催化反应，尤其是在催化剂表面原子排布不断变化、或者吸附的反应物电子结构受到强烈影响时，准确预测活性位点的电子性质以及它们与反应物之间的精确相互作用，变得异常复杂。
例如，在某些涉及过渡金属的催化剂中，催化剂表面的电子密度分布非常精细，并且会随着吸附物种的不同而发生显著变化。有时，即使是最先进的量子化学计算，也难以完全捕捉到这些细微的电子结构变化如何决定催化剂的活性和选择性。一些研究表明，某些催化过程可能涉及非局域的电子效应，或者电子和晶格振动的协同作用，而这些效应在现有的量子理论框架下，往往难以被精确量化和预测。我们知道“吸附能”和“能带结构”是重要的参数，但如何将这些参数与观察到的高效率和高选择性精确联系起来，对于某些复杂体系，仍然是一个有待深入研究的问题。
总而言之，虽然量子理论为我们提供了理解化学世界的强大工具，但当我们深入到电子高度聚集、过程极度动态，或相互作用极其精细的领域时，其局限性也随之显现。这些“未解之谜”，正是驱动化学家和物理学家不断探索新理论、发展新计算方法的动力所在，它们也预示着未来量子化学研究将走向何方。
其中一个突出的例子，便是“高密度电子体系”（Highdensity electron systems）中的一些行为。想象一下，在某些非常特殊的材料中，大量的电子被“挤压”在一起，它们之间的距离比通常情况下要近得多。在这种极端环境下，电子之间的库仑斥力变得异常强大，量子理论中的单粒子近似（即认为每个电子独立运动，只受到平均场的作用）就显得力不从心了。
具体来说，在这些体系中，我们观察到了一些难以用现有理论解释的相变。例如，某些导体在低温下会突然变成绝缘体，这种转变并非简单的能隙打开，而是涉及电子之间复杂的关联效应。电子不再是孤立的个体，它们似乎形成了一个集体，其行为模式远远超出了我们对自由电子或简单相互作用的预测。理论上，我们需要考虑电子之间“强关联”（Strong correlation）的影响，但精确地描述这种强关联是如何导致宏观性质变化的，是当前量子化学和凝聚态物理中的一个核心难题。很多时候，我们只能依赖于近似方法和数值模拟，而这些方法在处理极端强关联体系时，往往会遇到计算上的瓶颈，或者其结果的普适性存疑。
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例如，在某些涉及过渡金属的催化剂中，催化剂表面的电子密度分布非常精细，并且会随着吸附物种的不同而发生显著变化。有时，即使是最先进的量子化学计算，也难以完全捕捉到这些细微的电子结构变化如何决定催化剂的活性和选择性。一些研究表明，某些催化过程可能涉及非局域的电子效应，或者电子和晶格振动的协同作用，而这些效应在现有的量子理论框架下，往往难以被精确量化和预测。我们知道“吸附能”和“能带结构”是重要的参数，但如何将这些参数与观察到的高效率和高选择性精确联系起来，对于某些复杂体系，仍然是一个有待深入研究的问题。
总而言之，虽然量子理论为我们提供了理解化学世界的强大工具，但当我们深入到电子高度聚集、过程极度动态，或相互作用极其精细的领域时，其局限性也随之显现。这些“未解之谜”，正是驱动化学家和物理学家不断探索新理论、发展新计算方法的动力所在，它们也预示着未来量子化学研究将走向何方。
网友意见
如果说用量子理论进行定量解释的话，基本化学中的绝大部分现象都是无法精确定量解释的。
虽然理论上通过量子力学可以推导出一切化学原理，但是计算量无比之大。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。
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