*292. Нобелевская премия

[Константин Ранкс]

http://slon.ru/biz/1002101/
Геолог, журналист
Современные науки сливаются в единое целое: Нобелевскую премию по химии выдали за разработку инструмента, объединяющего законы классической и квантовой физики и новейшие разработки в области компьютерного моделирования

Нобелевка по химии: компьютерные игры с элементами

В этом году агентству Thompson Reuters не повезло с предсказаниями в области химии – ни один из трех фаворитов не получил заветную награду. Нобелевский комитет не утвердил мутагенный тест Брюса Эймса, ему не показались столь важными разработки коллоидных нанокристаллов, и даже новое направление в химии – клик-химия, которая имеет вполне практический выход в области фармакологии, не пленило сердца комитета. Тем более обидно, что в числе номинантов называли Валерия Фокина, который имел шансы стать вторым русским нобелевским лауреатом в области химии после Николая Семенова, получившего Нобелевскую премию почти 60 лет назад.

Правда, в утешение тем читателям, которые надеялись, что Нобелевская премия достанется Фокину, напомню, что химическая номинация в отличие от физики и даже медицины не очень благосклонна к русским ученым. Ведь даже великий Менделеев, которого трижды номинировали – по инициативе западных академий, кстати – по разным причинам добрался только до шорт-листа (что не помешало ему войти в историю науки и бизнеса).

Нобелевскую премию 2013 года в итоге получили Мартин Карплюс, представляющий сразу два университета: Страсбургский во Франции и Гарвардский в США, Майкл Левитт из Стэнфордского университета и Ари Уоршел из Университета Южной Калифорнии. Обоснование награды отличается исключительной лаконичностью – «За разработку многомасштабных моделей сложных химических систем».

На протяжении десятилетий химики моделировали молекулы с помощью разноцветных шариков и палочек. Нужно было обладать божественной фантазией, чтобы представить себе с их помощью реальные процессы, которые проходят с веществом. Скорость реакций огромна, в ничтожные доли секунды электроны переходят от одного атома к другому, создаются и рвутся связи между атомами, чтобы создать в итоге новую молекулу.

Во времена Лавуазье и Пристли можно было позволить себе задаваться вопросами, «а что будет, если...», и радоваться неожиданным успехам – сгоревшему в пламени бриллианту или вкусной газировке. Но уже XIX век потребовал понимания хода реакции еще до того, как реагенты были засыпаны в пробирки. Слишком дорогой стала цена ошибки, и слишком долгим был поиск решения, если полагаться на пространственное воображение.

Во второй половине ХХ века появился такой инструмент, как компьютеры, и химики поспешили обрадоваться, но вскоре обнаружили, что это преждевременно. Проблема в том, что на разном уровне реакции действует разная физика. Поведение больших молекул вполне успешно описывалось классической ньютоновской физикой, а вот процессы на атомарном уровне требовали уже учета квантовых явлений.

Все было бы хорошо, но мощности компьютеров не могли обеспечить учет квантовых эффектов при расчетах реакций с образованием крупных молекул (а в частности, органическая химия оперирует как раз крупными и сложными молекулами). Вместе с ростом мощности компьютеров ставились все более сложные задачи, и на горизонте компьютерного моделирования замаячил технологический тупик: компьютеры просто не могли справиться с объемом информации.

Но нынешние нобелевские лауреаты нашли выход. В 70-е годы прошлого века они начали разрабатывать новый подход к моделированию процессов. Они объединили схемы моделирования в масштабе больших молекул, где работают схемы классической ньютоновской физики, и на атомарном уровне, где учитываются законы квантовой физики. Смена масштаба означает смену модели, что уменьшает объем вычислений. В итоге компьютерные мощности вполне достаточны для сложных расчетов – например, таких, как моделирование катализа выхлопных газов автомашин и даже фотосинтеза органики в зеленых листьях растений.

Разработки нобелевских лауреатов 2013 года позволяют сегодня проводить химические эксперименты, не прикасаясь к пробиркам и колбам. Точнее, их потревожат только тогда, когда будет выбрана оптимальная модель и лаборанты подтвердят описанную реакцию «в реале». Разработки Карплюса, Левитта и Уоршела дали всем химикам новый инструмент, который открыл для них ранее невиданные возможности.

И напоследок об удивительных связях в науке... Николай Семенов получил Нобелевку в 1956 году за разработку теории химических цепных реакций, которая спустя годы стала одним из кирпичиков в мире теоретических основ для компьютерного моделирования, отмеченного премией в 2013 году.