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  本报讯(记者常丽君)物理学家组织网7月4日报道,最近美国芝加哥大学研究人员在《物理评论快报》上发表论文称,解决了美国国家研究委员会1995年列为物理化学领域顶级理论难题之一的“N表示性”(N-representability)问题。现在科学家能更精确地预测在许多现象背后的化学反应中,原子和分子中电子的运动行为,包括发动机的燃料效率、大气臭氧层的消耗等。

  分子有上万的电子,要模拟这些电子行为极为复杂,复杂程度随强相关电子数量的增加呈指数增长。新方法是通过一种双电子技术来推算出多电子系统的性质,双电子代表系统中的“其他”电子。

  研究“N表示性”问题专家、加拿大皇后大学数学家罗伯特·厄达尔指出,60多年来,对此问题理论基础的研究已取得显著进展,但却是沿着两个相互独立的方向发展。“人们都知道要更好地解释这一问题,需要一个统一的方法将两个方向结合起来。新研究恰好做到了这一点。”

  “双电子模型提供了一种探索整个物理化学领域的平台。”论文作者、芝加哥大学化学教授大卫·马兹奥蒂说,“假如你正在推算水分子,它有10个电子,而双电子模型只有2个。但在真实系统中,发现这2个电子的可能性要和其他8个电子一样。这种一致性要求,我们称之为‘表示性条件’,是用双电子推算多电子分子的必要条件。”

  上世纪50年代,3位科学家各自提出了双电子模型的想法。早期科学家想在一两年内找出这些必要条件,但到上世纪60年代末就已不抱希望。

  本世纪初,马兹奥蒂利用某些已知条件的数学方程重新研究这一问题,并首次将它们应用于原子和分子中。经过10多年不断改进,终于使双电子模型超越传统量子力学方程,在化学领域取得巨大进步。

  总编辑圈点

  海森堡测不准原理指出科学度量能力和精度在理论上存在局限,但这项研究却试图用数学方程和概率打开一扇洞察多电子系统运行规律的窗口,它不是在物理或化学实验中进行的精密测量,而是对电子运动进行的精确数学建模,试图用简单的模型来描绘复杂的运动,从而根据已知的条件去探求未知的世界。有人称这项研究是对N表示性这一“顽固”问题的“击倒”性成果和能获诺贝尔奖的成就,同时研究者困境中上下求索的精神也给我们很多启示。

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