Klasický, nebo kvantový atom?

Položit správně otázku patří k základním dovednostem vědců. Ti úspěšní umějí obvykle na otázky zároveň i odpovědět. Co vlastně Švédská akademie věd letos v oblasti chemie ocenila? Nejuznávanější vědeckou cenu udělila trojici vědců, kteří především v sedmdesátých a osmdesátých letech minulého století položili základy počítačových simulací, a to hlavně tím, že se tehdy uměli sami sebe správně zeptat.

Odůvodnění Nobelovy ceny, letos udělené Martinu Karplusovi, Michaelu Levittovi a Ariehu Warshelovi, je několikastránkové a kariéra oceněných zahrnuje velké množství objevů a dílčích vědeckých pokroků v oblasti simulací. Může být proto poněkud obtížné identifikovat ono důležité. Nejen v mediálním světě je dobře, když lze oceněný objev trefně a úderně pojmenovat. V tomto případě má pojmenování zkratku QM/MM a stojí za ním dokonale zvládnuté vědecké řemeslo.

Počítačové simulace využívané chemiky lze rozdělit do dvou velkých podoblastí podle toho, jak moc detailně se snaží popsat realitu. Pozorovatelnou realitu až do přelomu 19. a 20. století spolehlivě popisovaly Newtonovy pohybové zákony, jež byly základem klasické mechaniky. Poté, co se zjistilo, že v malém měřítku vypadá realita zcela odlišně, bylo potřeba vybudovat teorii novou, kvantovou. Všichni tři letos ocenění pánové se měli teprve narodit, když byl formulován základní kámen kvantové mechaniky (QM) – Schrödingerova rovnice.

Pro její komplikovanost nebylo možné ji použít k řešení typicky chemických otázek týkajících se molekul. Někoho napadlo zapomenout na strukturu atomů, nestarat se o protony a elektrony a popsat atomy jako hmotné koule klasického chování. Pro určitý typ problémů takové přiblížení reality plně postačovalo a dodnes postačuje. Nazýváme je molekulovou mechanikou (MM).

Ale chemie je přece jen věda o vazbách mezi atomy, a tady vystupují orbitaly a v nich elektrony, jež na sebe vzájemně působí. Proto bychom bez detailního popisu subatomární struktury při studiu chemických reakcí jen stěží uspěli. Přibližné řešení Schrödingerovy rovnice v počítači nalézt umíme.¹⁾ Bohužel drastickým omezením QM přístupu je velikost studovaných systémů. Schrödingerova rovnice je pro velké systémy příliš složitá a její použitelnost se omezuje na molekuly do sta atomů a děje v plynné fázi.