讀《Schrödinger: Centenary Celebration of a Polymath》有感

在《Schrödinger: Centenary Celebration of a Polymath》這本薛丁格百年紀念文集中,A. D. Buckingham 在〈Quantum chemistry〉開篇就把一個現代化學最硬核、也最美的觀念講得很清楚:要真正理解化學,量子力學是不可或缺的。而他引用 Linus Pauling 的一句話,幾乎可以當作整個量子化學的宣言:

“Chemistry is a quantum phenomenon, or, rather, a great collection of quantum phenomena.”

——Linus Pauling(Buckingham 章節中所引)

切中核心地把化學的底層徹底歸約到量子世界;也說明化學不是單一現象,而是一整座「量子現象博物館」——鍵結、反應、光譜、磁性、導電、催化……都在同一套底層規律裡。


量子化學的核心任務:在現實可行的範圍內「解薛丁格方程」

Buckingham 清楚地指出:量子化學這門學科關心的是薛丁格方程的近似解,也就是在

這個形式之下,找到足以描述原子、分子、團簇等化學對象的可計算結果。


這並非宣稱「我們已經完全解出化學」,而是務實地承認:精確求解太困難,所以我們必須設計近似、並讓近似在可驗證的精度下工作。

Buckingham 同時也提到一種長久存在的張力:有些人認為計算只是「不夠優雅的數值結果」,可能錯過本質;甚至有人提醒科學家不要迷失在計算細節的迷宮中。這些質疑其實很珍貴,因為它逼著量子化學不斷追問:

我們算到的東西,是不是抓到了化學真正的骨架?

 從「近似解」走向「可用工具」:計算化學的成熟

但歷史也顯示,計算並沒有讓理論變得粗俗,反而讓理論變得可操作、可驗證、可累積。當「薛丁格方程的近似解」開始可以在合理時間內算出來,化學就多了一種新的語言:

用電子密度、軌域、能量面、力與反應座標來描述。

也正是在這條路上,量子化學逐步發展成物理與化學兩大計算模擬:

  • 分子世界:反應、光譜、構型、配位、溶劑效應
  • 晶體世界:晶體、表面、缺陷、能帶、態密度、相變、吸附
這兩個世界同源於「近似解方程」,但因為體系邊界條件與數值表示法不同,最後長出了兩套風格完全不同、卻互補的巨型工具:GAUSSIAN 與 VASP。


GAUSSIAN:把「分子量子力學」的薛丁格方程式求出近似解

GAUSSIAN 代表的是「以分子為中心」的量子化學傳統。它擅長的典型問題包括:幾何最佳化、振動頻率(IR/Raman)、反應能障、反應路徑、激發態(例如 TD-DFT)、各種精細能量差(依方法而定)。

其數值核心特色是局域化基底(Gaussian-type orbitals, GTO):

這種基底非常適合分子系統,也讓許多波函數方法(HF、MP2、CCSD(T) 等)在小到中型分子上變得可實作。換句話說,GAUSSIAN 很像是把 Buckingham 所說的「薛丁格方程近似解」具體化成一套化學家每天都能用的工具箱。


VASP:將「固態物理學」的薛丁格方程式求出近似解

VASP 則代表了另一個巨大疆域:週期性固態系統。在晶體中,週期邊界條件與 k-space 的結構,讓數值方法自然走向:平面波基底(plane waves)、k-point 取樣、PAW/偽勢處理核附近快速震盪。

這使得 VASP 特別擅長:能帶結構、態密度(DOS)、缺陷形成能、表面吸附、薄膜與界面、材料相穩定性、彈性/聲子相關量(搭配其他模組/流程)。

可以把 VASP 看成:把「薛丁格方程的近似解」擴展到週期性結構的計算工具。同樣根植於量子化學的核心精神,但目標是讓我們能在週期體系中穩定、可重現地得到可用的材料預測。

從 Pauling 到 GAUSSIAN/VASP

Pauling 說化學是一大群量子現象,而 Buckingham 指出量子化學的任務是求薛丁格方程的近似解。把這兩句合在一起,就得到一條非常清晰的現代路線:

化學之所以能被深刻理解,是因為她的底層是量子現象;而我們之所以能把理解變成預測,是因為我們學會了用可控近似去求解(並計算)多體量子方程。

而 GAUSSIAN 與 VASP,就是好用的工具:

一個把量子化學帶進分子化學的細節;一個把量子化學推進材料科學的尺度。不是跟「薛丁格方程」無關的黑箱,相反地,正是 Buckingham 所說那句話的工程化版本——讓近似解成為一種可被使用、可被驗證、可被改良的科學語言。



波動力學誕生百年紀念

100 年前的今天。**埃爾溫・薛丁格(Erwin Schrödinger)於 1926 年 1 月 27 日將論文 〈Quantisierung als Eigenwertproblem (Erste Mitteilung)〉(〈量子化作為本徵值問題(第一報)〉)投稿至《Annalen der Physik》(《物理學年鑑》)——這篇工作日後徹底改變了我們理解自然的方式。

在這篇論文中,他提出波動力學,並寫下如今以他命名的核心方程:薛丁格方程(Schrödinger equation)。這個方程很快成為量子力學的數學基礎與中心語言。更重要的是,透過「以波為核心」的觀點,薛丁格展示:氫原子的允許能階會自然地從方程中出現,並因此能夠解釋氫原子光譜線的來源。也因此,這篇論文常被視為「波動力學的誕生」。

薛丁格的方法,為原子尺度的物理系統提供了一條全新的描述路徑:將允許的能量視為某個波動方程的本徵值(eigenvalues)。在這套框架裡,經典物理中「粒子沿著確定軌跡運動」的圖像,被由精確數學定律支配的波函數(wavefunction)所取代,從而開啟了理解物質與輻射的嶄新方式。

這篇論文後來於同一份期刊《Annalen der Physik》在 1926 年 3 月 13 日正式刊出,象徵波動力學正式進入科學文獻並站上舞台。

而在接下來的 1926 年數月裡,薛丁格更是迅速推進這套理論。他進一步證明:自己的波動力學與**海森堡的矩陣力學(matrix mechanics)**在深層意義上其實是等價的——兩種看似截然不同的形式主義,描述的卻是同一個量子現實。隨後他在同一年內發表的一系列後續論文中,逐步建立起新量子理論更完整的數學結構與解釋力,並以當時前所未有的清晰度成功預測原子光譜。【📸:薛丁格原始論文的首頁。來源:Annalen der Physik(1926),公有領域掃描檔。】





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