جون بوبل: الرجل الذي علّم الحواسيب الكيمياء

قبل جون بوبل، كان الكيميائي الذي يريد معرفة سلوك جزيء ما يجري تجربة. أما بعده، فأصبح بإمكان الكيميائي إدخال الجزيء في حاسوب والحصول على إجابة تكون غالباً جيدة بما يكفي للنشر. أمضى بوبل خمسة عقود في تحويل ميكانيكا الكم من نظرية أنيقة لا يمكن حلها بدقة إلا لذرة الهيدروجين إلى برمجيات عمليّة يمكن تطبيقها على أي شيء تقريبا. في عام 1998، منحته لجنة نوبل نصف جائزة الكيمياء، لقاء مجمل أعمال أصرّ حتى النهاية على أنها كانت في الواقع رياضيات.

من سومرست إلى ترينيتي

وُلِد بوبل في 31 تشرين الأول/أكتوبر 1925 في بورنهام أون سي بِمقاطعة سومرست. التحق بمدرسة بريستول النحوية، وفي عام 1943 فاز بمنحة دراسية إلى ترينيتي كوليدج في كامبرิดج، وحصل على درجة البكالوريوس في عام 1946. لقد قطعت الحرب مساره الأكاديمي السلس: فبين عامي 1945 و1947 عمل في شركة بريستول للطائرات. عاد إلى كامبرิดج وأتمّ درجة الدكتوراه في الرياضيات عام 1951 تحت إشراف جون لينارد-جونز، كاتباً عن إلكترونات الأزواج الوحيدة — تلك الإلكترونات التكافؤية التي تستقر غير مشروكة على ذرة وتحدد بصمت جزءاً كبيراً من شكل الجزيء وتفاعليته.

أسفر عمله للدكتوراه أيضاً عن معالجة إحصائية-ميكانيكية للمياه ظلت، حسب التقييمات اللاحقة، "المعيار لسنوات عديدة". كانت إشارة مبكرة مميزة: فقد اختار بوبل المشكلات التي يمكن فيها فرض بنية رياضية على الواقع الكيميائي الفوضوي.

كامبرิดج، ومختبر الفيزياء الوطني، والانتقال غرباً

تلتكتوراه زمالة بحثية في ترينيتي، ومنذ عام 1954 محاضرة في كلية الرياضيات بجامعة كامبرิดج. وفي عام 1958، انتقل إلى لندن لرئاسة قسم الفيزياء الأساسية في مختبر الفيزياء الوطني (NPL). وفي العام التالي شارك في تأليف كتاب الرنين المغناطيسي النووي عالي الدقة (High Resolution Nuclear Magnetic Resonance) مع W. G. شنايدر و H. J. بيرنشتاين — وهو كتاب دراسي صدر بالضبط عندما كان الرنين المغناطيسي النووي يتحول إلى الأداة التي ستحدد ملامح الكيمياء الهيكلية الحديثة.

ثم جاءت الانطلاقة الحاسمة. ففترة التفرغ العلمي بين عامي 1961 و1962 في جامعة كارنيغي ميلون في بيتسبرغ أقنعته بمكان مستقبل العمل الحاسوبي، وفي عام 1964 انتقل إلى هناك بشكل دائم. ظل في الولايات المتحدة بقية حياته مع احتفاظه بجنسيته البريطانية. وفي عام 1993 انتقل مرة أخرى إلى جامعة نورث وسترن بصفة أستاذ الكيمياء (Trustees Professor of Chemistry)، وهو المنصب الذي شغله حتى وفاته.

جعل الجزيئات قابلة للحساب

تصف ميكانيكا الكم من الناحية المبدئية كل رابطة كيميائية. ولكن من الناحية العملية، تصبح المعادلات مستحيلة الحل بمجرد أن يحتوي الجزيء على أكثر من زوجين من الإلكترونات. كان شغل بوبل الشاغل طوال حياته هو البناء المنهجي للتقريبات — وهي تبسيطات قابلة للدفاع عنها والاختبار جعلت ما يستعصي حله قابلاً للمعالجة.

طوّر طريقة پاريسر-بار-بوبل (Pariser-Parr-Pople) لأنظمة إلكترونات باي (pi)، وهي الإلكترونات غير الموضعية التي تتحكم في سلوك الجزيئات العطرية والمقترنة. ثم تقدم نحو الأبعاد الثلاثية باستخدام طريقة CNDO في عام 1965 وتقريبات INDO التي تلتها، حيث كانت كل طريقة تبادل مقداراً مقياسياً من الصرامة بمكسب هائل فيما يمكن حسابه فعلياً.

كانت خطوته الأكثر تأثيراً هي التوجه نحو الطرق من المبادئ الأولى (ab initio) — وهي حسابات تُبنى من المبادئ الأولية بدلاً من مطابقتها للتجربة. وبالعمل مع المدارات من نوع سلاتر ثم المدارات الغاوسية، أصبح القوة المحركة وراء حزمة برامج غاوس (Gaussian)، وشارك في تأليف البرنامج Gaussian 70، وهو الإصدار الأول. لقد فعل برنامج غاوس شيئاً لم تستطع أي ورقة بحثية بمفردها فعله: فقد وضع الكيمياء الكمومية في أيدي كيميائيين لم يكونوا نظرِيّين في الكم. وإلى جانب ذلك، قدم مفهوم "الكيمياء النموذجية" — وهو الإصرار على أن تُعرَّف الطريقة الحاسوبية بدقة كافية لاختبارها منهجياً مقابل الواقع بدلاً من تعديلها حالة بحالة. وأنتجت مجموعته لاحقاً طريقتي Gaussian-1 وGaussian-2 المركبتين، اللتين دمجتا عدة حسابات معاً لتحقيق دقة تقترب من القياس التجريبي.

قطيعة غاوس

البرمجيات التي حملت اسمه أنتجت أيضاً أقبح حلقات مسيرته المهنية. فقد غادر بوبل شركة غاوس في عام 1991، وفي أعقاب ذلك مُنع علماء بارزون — وبوبل نفسه من بينهم — من استخدام البرنامج. أثارت هذه القضية جدلاً كبيراً داخل مجتمع الكيمياء الكمومية، وهو مجال صغير بما يكفي ليجعل مثل هذا الانشقاق محسوساً في كل مكان. وكانت استجابة بوبل هي بناء منافس: فبعد مغادرته، طوّر برنامج الكيمياء الحاسوبية Q-Chem.

الأوسمة

بدأت التكريمات مبكراً بجائزة مايهيو (Mayhew Prize) في عام 1948 واستمرت طوال مسيرته المهنية: زميل الجمعية الملكية في عام 1961، جائزة إيرفينغ لانغموير في عام 1970، وسام دافي في عام 1988، وجائزة وولف في الكيمياء في عام 1992. وفي عام 1998 جاءت جائزة نوبل في الكيمياء، مشاركةً مع والتر كوهن، عن الطرق الحسابية في الكيمياء الكمومية — وهي جائزة غير عادية لأنها لم تكرّم اكتشافاً حول الطبيعة بل طريقة لاستجوابها. تلاها وسام كوبلي في عام 1992 (هكذا في الأصل/2002) ولقب فارس برتبة قائد فارس في رتبة الإمبراطورية البريطانية في عام 2003.

الرجل الخاص

تزوج بوبل من جوي باورز في عام 1952؛ وتوفيت هي متأثرة بالسرطان في عام 2002. وكان يعتنق المسيحية. كما أصر طوال حياته على أنه كان رياضياً أكثر منه كيميائياً — وهو تقييم ذاتي رفض الكيميائيون النظريون بلطف قبوله، معتبرين إياه بدلاً من ذلك واحداً من أهم الشخصيات التي أفرزها مجالهم.

الوفاة وما بعدها

توفي بسبب سرطان الكبد في شيكاغو في 15 آذار/مارس 2004، وتخلفه ابنته هيلاري وأبناؤه أدريان ومارك وأندرو. وفي عام 2009 تبرعت عائلته بميداليته لجائزة نوبل إلى جامعة كارنيغي ميلون، حيث أُجري العمل الحاسم. وأطلقت مدرسة بريستول النحوية اسمه على غرفة تكنولوجيا معلومات ومنحة دراسية؛ وأطلق مركز بيتسبرغ للحوسبة الفائقة اسم حاسوب فائقة تكريماً له — وهو، بالنسبة لرجل علّم الآلات إجراء الكيمياء، النصب التذكاري المناسب تماماً.