电影《奥本海默》（Oppenheimer）在2023年7月上映，它再次引起了人们对神秘科学家罗伯特·奥本海默（J. Robert Oppenheimer）生平的关注。奥本海默作为原子弹之父将永远被人们所熟知，而他早期对量子力学的贡献则构成了现代量子化学的基石。他的研究成果至今仍影响着科学家们对分子结构的思考。
在影片的早期，包括诺贝尔奖获得者维尔纳·海森堡和欧内斯特·劳伦斯在内的当时杰出的科学人物都称赞年轻的奥本海默在分子方面所做的开创性工作。作为一位物理化学家，奥本海默在分子量子力学方面的研究也发挥了重要作用。1927年，在玻恩(Max Born)和奥本海默发表的论文中提出了“分子量子力学”的概念。想象一下，你想用量子力学计算出分子的最佳分子结构、化学键模式和物理性质。
首先，您需要定义所有原子核和电子的位置和运动，并计算分子中这些粒子之间的重要电荷吸引力。在量子层面上，计算分子的性质变得更加复杂，因为粒子具有类似于波浪的性质，科学家无法精确定位它们的位置。相反，像电子这样的粒子必须用波函数来描述：波函数描述了电子出现在空间某个区域的概率。确定这个波函数和分子的相应能量就是所谓的求解分子薛定谔方程。
不幸的是，即使是最简单的分子H??，也无法准确求解这个方程，因为它由三个粒子组成：两个氢原子核（或质子）和一个电子。奥本海默的方法提供了获得近似解的途径。他观察到原子核比电子重得多，单个质子的质量是电子的近2000倍。这意味着原子核的运动速度比电子慢得多，因此科学家可以将原子核视为静止物体，而只对电子求解薛定谔方程。玻恩和奥本海默在其开创性著作中引发的概念性成果图解。
(a)分子的总能量可分解为电子能（黑色）、振动能（蓝色）和旋转能（红色）之和。(b)电子哈密顿的特征值（电子能量）是核坐标的函数，并由此产生了势能面的概念。玻恩-奥本海默近似允许在某些条件下只考虑其中一个势能面。这种近似方法看似只是一个微小的调整，但玻恩-奥本海默近似方法远不止简化了分子的量子力学计算：它实际上塑造了化学家看待分子和化学反应的方式。
当科学家将分子形象化时，我们通常认为它们是一组固定的原子核，原子核之间共享电子。在化学课上，学生们通常会构建“球棍”模型，其中就包括通过键合框架（棍）共享电子的刚性原子核（球）。这些模型是玻恩-奥本海默近似的直接结果。玻恩-奥本海默近似也影响了科学家对化学反应的思考。在化学反应过程中，原子核并不是静止不动的，它们会重新排列和移动。
电子相互作用通过形成能量面来引导原子核的运动，原子核可以在整个反应过程中在能量面上运动。电子以这种方式推动分子在化学反应中前进。奥本海默证明，电子的行为方式是化学这门科学的精髓所在。分子在化学反应中会改变结构。自发表玻恩-奥本海默近似以来的一个世纪里，科学家们计算分子化学结构和反应性的能力得到了极大的提高。
这一领域被称为计算量子化学(computational quantum chemistry)，随着速度更快、功能更强大的高端计算资源的普及，计算量子化学得到了飞速发展。目前，化学家们利用计算量子化学进行各种应用，从发现新型药物到设计更好的光伏产品，然后再尝试在实验室中进行生产。这一研究领域的核心是玻恩-奥本海默近似。尽管博恩-奥本海默近似法有很多用途，但它并不完美。
例如，在光驱动的化学反应中、在使动物能够看到光的化学反应中，该近似值经常会失效。化学家们正在研究这些情况下的变通方法。尽管如此，博恩-奥本海默近似所带来的量子化学应用仍将继续扩大和改进。未来，新时代的量子计算机可以对越来越大的分子系统进行更快的计算，从而使计算量子化学变得更加强大。