3012210089_赵明_文献翻译

学科，模型和计算机：计算量子化学概述许多学科和科学领域都发生了一个计算转过去的几十年。本文通过调查计算量子化学的情况下，分析了这种转变。主要的主张是，从量子转型，计算在三维空间量子涉及化学变化。首先，仪器仪表，小型计算机和网络基础设施的一边接过集中式大型机架构的领先优势。其次，计算建模的新概念成为可行的，承担着至关重要的作用。第三，计算量子化学领域成为组织在一个市场化的时尚和这个市场比量子论专家的数量大得多。这些主张将所谓的密度泛函理论（DFT），在转计算量子化学1990年左右的可以说是举足轻重的理论的研究加以证实。1.简介许多学科和科学领域已经经历一个计算转过去几十年中，包括，例如，计算物理和计算流体动力学。试问，这样转弯的特征？难道他们仅仅是带来了一个特殊的仪器，计算机，开始被使用，而学科组织不受影响？或者，它们涉及建立一个新的跨学科领域，如对在物理和计算机科学之间？本文通过调查一个特定的情况下，即量子化学（QC）分析了这种转变。应当指出，一个计算转通过加入在计算专业特征不仅仅，而是由一种涉及的相互作用更加复杂的转换（至少）三个组成部分：技术，概念和惩戒机构。本文将探讨形成量子化学的，花了现在所谓的计算量子化学的途径。两者都可以被看作是关于学科组织，建模的概念，（计算）仪表独特和不同的配置。量子化学领域有其在辩论交叉学科物理与化学，物理化学的起源下降，因为它被称为，因此其轨迹讲述了跨学科交流的故事。这个轨迹是一个良好的研究课题，最近一次是在科斯塔斯·Gavroglu的和安娜·西蒙斯“专着的恰当选择的标题”无论是物理化学也“（2012）。在那里，他们生动地讨论量子化学作为一种“介于两者之间的纪律”的状态。更确切地说，当一指字段作为“量子化学”一已经想当然了，最终被确定为化学的一个分支学科。Gavroglu和西蒙斯认为，虽然已经出现了点所在的轨迹就俯身向物理，太。两个索赔将被提出。第一个涉及量子化学的形成。虽然历史文献是一致的是，计算机作为一种工具在建立量子化学中发挥了重要的作用，它没有考虑到与不同的计算技术的变化和变革。我的帐户将侧重于计算模型，并声称这是量子化学的形成的重要因素。尤其是，这种说法是针对这低估了该角色的计算模型，科学探究玩，只是看到了计算机作为工具通过计算能力来从理论上信息的常见的误区。第二，主诉涉及量子化学的更近的轨道。虽然它被确立为化学初期一个分支学科20世纪70年代，一个重新配置发生1990年转换（部分）量子化学到计算量子化学左右。主要的主张是，从量子转型，计算在三维空间量子化学所涉及的变化：在仪器仪表，小型计算机和网络基础设施的一边接过集中式大型机架构的领先优势。其次，计算建模的新概念成为可行的，承担着至关重要的作用。第三，计算量子化学领域成为组织在一个市场化的时尚和这个市场比量子论专家的数量大得多。这些主张将所谓的密度泛函理论（DFT），在转计算量子化学1990年左右的可以说是举足轻重的理论的研究加以证实。2.量子化学，化学系的分支学科？虽然如今的答案似乎是显而易见的，它不是在最初几十年的领域那么明显。它的轨迹可以描述为一个不同的过程，其中的联系，物理学和化学的活跃和相关性。轨迹开始薛定谔方程并与之建立量子化学作为化学的一个分支学科结束。有优秀的文学在科学的调查和描述这个process.1本节将简要总结QC发展的某些方面尤为相关的背景资料，其中本文的索赔要求进行明确的历史。1926年，物理学家薛定谔提出了他著名的波动方程，制定了新的量子力学，吸引了注意力从物理学以及他那个时代的化学社区传统的数学方法。该方程描述的电子的相互作用，因此答应带来约原子和分子的电子结构的完整的信息。因此，考虑到多电子方程捕捉的情况充分，它应该是可能的数学推导化学性质，即从薛定谔方程提取它们。少数研究人员通过理论和量子化学的前景立刻好奇，这将是设在化学和物理之间的一个领域。用于指定崭露头角场另类的标签是“物理化学”和“分子的量子力学”。当时，非常不同学科的文化开始接触。在化学中，实验者有发言权和理论起到了服务的作用，而在物理，量子理论是理论的一个革命性的发展。它是有争议的设想化学物理是否应该遵循物理或化学的领先。由于Gavroglu和西蒙斯（2012）恰当地指出，研究人员在新的领域，这些学科之间不安地坐着。由于过于简单化的只有中等程度，可以看出被追逐的研究两条主线：一个有原则的和半经验之一。该原则的观点源于德国的物理学家中，旨在获得一切从薛定谔方程，自然的相关法律。第二个立场可以称之为务实，或半经验，并主张由美国年轻scholars.2第一姿态的创始工作，提出了由年轻的德国物理学家沃尔特海特勒。和Fritz伦敦（1927）谁处理氢键，一对电子的的数学简单的情况。它们表明，两个电子与反平行自旋两个氢质子之间的聚集减少的总能量。因此单极接合取决于自旋，因此必须理解为一个量子effect.3及其结果作为一个证明，量子理论确实相关的化学;虽然在数量上的结果不是很接近从实验中已知的结合能值。虽然海特勒和伦敦主要是定性的解释有兴趣，在定量准确的缺点竟然是一个深刻的数学性质。该原则的观点受到阻碍参与处理甚至极少数电子的计算困难。电子相互影响，以及计算复杂性这一典型案例做了薛定谔方程的处理极为艰巨的任务。保罗狄拉克在他臭名昭著的笔记，描述的情况是这样的：“必要的物理的很大一部分，整个化学的数学理论的基本物理定律因而完全清楚，而且难度只有这些法律的具体应用导致公式过于复杂，可溶于。”（狄拉克，1929年，页714）这句话表达了信念在理论和同时承认在计算方面的问题。事实上，在沿着这个第一原则的发展计算问题行进一步的工作似乎成为难以逾越的，因为计算时间与现存的方法（计算尺，桌面计算器）曾在几个月甚至几年的时间进行计数。这导致了化学有趣的情况是遥不可及的信念。原则性的观点达成了僵局，来到了20世纪30年代初一个（临时）结束（见园，2009年也奈，1993年，第239页）。第二，务实链的方法从早期补充了第一位。这个阵营的支持者们从一开始就接受了实验方法，应作为宝贵的资源。规避计算困难的策略是求助于已知的实验结果。这意味着，如果计算程序遇到问题与具有物理意义的数量，但太复杂的计算，一会插在由实验手段确定的值，然后继续进行的过程。这种方法被称为“半经验'，它没有面临的第一种方法的僵局。“要设计半经验近似方法成为，因此，量子化学，至少在其形成时期的构成特征。”（西蒙斯，2003年，第394）。像科学家鲍林和罗伯特·马利肯年轻的美国研究人员在量子强大的教育背景理论，探讨了这一方面的调查。3.建模和计算与求解薛定谔方程连接的计算问题成为了量子化学的主要焦点。然而，这样的问题被通常被视为严格依赖于理论方程。然后计算的技术包括使用机械桌面计算器或发明的计算技巧，以数字解决被认为是理论上给出复杂的积分方程。这种观点分配仅仅是一个角色服务来计算技术。然而，我们将看到，这一点来看是过于简单。本节将提出补充性的观点，根据该计算模型并非来自理论，而是假设一个自治的立场。这将说明如何第二种观点缓缓抬头，果然成为了量子化学的发展的主要因素。在一个有趣的例子，是剑桥大学数学物理学家道格拉斯·R·哈特里（1897年至1958年）的工作。他是计算方法的先驱，并探讨了计算模型，在当它尚未被接受为量子化学的重要组成部分时间（见研究园，2009年）。他发明了一个计算程序，以解决薛定谔方程，可以迭代半机械。它形成了所谓的自洽场（SCF）的方法，它可以被看作是如何计算建模取得其状态如通过其自身的考虑为指导的活性的早期例子的心脏。让我们来一探究竟。我们已经提到的电子的相互作用致使难以逾越的复杂性。该SCF方法采用了一个根本性的第一步，而忽略电子的臭名昭著的相互作用势，一个有效的现场更换他们在哈密尔顿。起初，这一领域是猜测和仅作为起点以下迭代过程：一个电子挑出并适于剩余电子的领域，后者字段假定为常数。第一个电子，然后“放回去”，其新的，适应值变化时，整个现场一些。然后重复该过程与第二电子挑出等。后每个电子已经以这种方式被处理过的，所有的值和有效区域相互适应。整个过程随后重复，直到该点为止，其中没有发生进一步的变化，并且该字段被说成是“自相一致”。哈特里的哲学显著步骤是要考虑到工具的角度。整个策略才有意义时，可以执行迭代的步骤（相对）容易使大量的迭代是在准机械方式是可行的。哈特里是巧妙的结合在计算和整合现存的方法来设计一个实际工作的过程。正如人们所料，哈特里挣了一些严厉的批评，因为他的做法被认为太过做作，甚至主要是有缺陷的。对于哈特里，他的模型的计算优点胜过可疑的模型假设（见园，2009年）。从我们的角度来看，哈特里的重要举措就是把数字可行性为主要标准，以这种方式允许一定的自主权来计算模型。这种自主性不可避免地违背理论的决定性作用。这释放计算模型从严格次要地位缓慢而稳定地贡献量子化学斩获。一个例子是男孩（1950年），谁介绍高斯的基础功能，在当时仍然是一个非正统的方法。这类功能最初认为不是成为一个适当的选择，因为没有从量子理论方面的动机，因此一个可怜的近似质量的怀疑。然而，男孩主张，理由这些功能，它们具有优异的计算性能，因此可以成为在计算模型作为通用的构建模块。与此类似另一个例子是罗特汉广为引用的文章（1951），其提供的数学证明（因此动机）用于在哈特里般的数字战略，利用分析的基础集。因此，由起源主要来自计算机模型50年代初的问题接受过治疗的领域中领先的理论家。这些情况下都早于数字计算机的出现。一些原型存在，但这些都不是对量子化学家访问。毫无疑问，数码电脑将提供卓越的计算能力，从而使程序之前已经不可行可行的。因此，它被正确地看作是量子化学的发展的一个关键因素。然而，复杂性保持甚至在掌握了这些新的仪器构成威胁。我想保持它不是单纯的计算能力是重要的。相反，哲学显著的步骤包括在感知计算模型作为自己的权利，而不是说从理论的数学形式得出一个严格的次要问题的活动。在这一点上，在与近年来科学哲学对模型和建模的辩论本文关系的论证。，抓住了本案的精神特别好短语是玛格丽特·莫里森的口号是“模型作为自治代理”（莫里森，1999年）。据莫里森，模型的理论和现象之间进行调停，但不严格依赖于either.44.基础设施和标准化计算是如何组织计算化学家的社会呢？首先，让我们来看看前电脑时代进行评估时，积分数值是一个非常耗时的工作。一个生动的例子是在债券理论马利肯在1951年召开谢尔特艾兰量子力学方法，NAS的会议，并聚集了最领先的人在这个新的field.5工作计算问题都在会议中占主导地位的问题：“需要最深切地感受到是困难的积分就难免现身价计算的可靠表。大家一致认为，在这种积分一次会议将是可取的，既要找出积分将是最有用的，以避免在计算它们的重复劳动。“（帕尔-克劳福德，1952年，第547页）。与会者决定建立一个“积分委员会”，位于芝加哥的大学，其任务是确定共同感兴趣的积分，由不同的组来组织这些积分的评价，收集信息，然后分发数表值。设置从根本上改变，推出了电子计算机。事实上，“速度问题。”6量子化学的建立，作为化学的一个分支学科，在很大程度上是引入数字计算机，改变了什么计算策略却可能算作tractable.7的结果，这只是事情的不速度，同时也获得了。伯纳德Ransil的工作可以作为一个例证。他获得了博士学位在分子物理和所使用的SEAC计算机在美国国家标准局计算的H3激进的波函数。1956年，他移居到马利肯的研究小组在芝加哥大学，曾在计算机程序生成波函数的设计与施工（参见Bolcer和赫尔曼，1994年，第8页）这个程序是用机器语言的UNIVAC（雷明顿-兰德1103）位于不在芝加哥，但在怀特领域空军基地在俄亥俄州代顿说。马利肯和罗特汉收缩过剩的计算时间从军队。这意味着Ransil不得不从芝加哥前往俄亥俄州一摞准备的打孔卡，并与UNIVAC.8通宵工作尽管如此，很多芝加哥和俄亥俄州的背，来回后，程序运行并交付适当的结果。这对于马利肯和罗特汉（1959年）之际，宣布“破瓶颈与分子量子力学的未来”。在本文中，他们比较量