John Pople: Der Mann, der Computern Chemie beibrachte

Vor John Pople führte ein Chemiker, der wissen wollte, wie sich ein Molekül verhalten würde, ein Experiment durch. Nach ihm konnte ein Chemiker das Molekül in einen Computer eingeben und erhielt ein Ergebnis, das oft gut genug zur Veröffentlichung war. Pople verbrachte fünf Jahrzehnte damit, die Quantenmechanik von einer eleganten Theorie, die für das Wasserstoffatom exakt gelöst werden konnte, in funktionierende Software zu verwandeln, die auf fast alles angewendet werden konnte. 1998 verlieh ihm das Nobelkomitee die Hälfte des Chemienobelpreises – für ein Lebenswerk, von dem er bis zuletzt steif und fest behauptete, es sei in Wirklichkeit Mathematik.

Von Somerset nach Trinity

Pople wurde am 31. Oktober 1925 in Burnham-on-Sea, Somerset, geboren. Er besuchte die Bristol Grammar School und gewann 1943 ein Stipendium für das Trinity College in Cambridge, wo er 1946 seinen Bachelor-Abschluss (BA) machte. Der Krieg unterbrach den geradlinigen akademischen Weg: Zwischen 1945 und 1947 arbeitete er bei der Bristol Aeroplane Company. Er kehrte nach Cambridge zurück und promovierte 1951 in Mathematik bei John Lennard-Jones über einsame Elektronenpaare – jene Valenzelektronen, die ungeteilt auf einem Atom sitzen und maßgeblich Form und Reaktivität eines Moleküls bestimmen.

Seine Doktorarbeit brachte auch eine statistisch-mechanische Behandlung des Wassers hervor, die nach späterer Einschätzung „jahrelang als Standard galt“. Dies war ein charakteristisches frühes Zeichen: Pople wählte Probleme, bei denen der unübersichtlichen chemischen Realität eine mathematische Struktur auferlegt werden konnte.

Cambridge, das NPL und der Weg nach Westen

Auf seine Promotion folgte ein Forschungsstipendium am Trinity College, und ab 1954 lehrte er an der mathematischen Fakultät in Cambridge. 1958 zog er nach London, um die Abteilung für Grundlagenphysik des National Physical Laboratory zu leiten. Im folgenden Jahr verfasste er zusammen mit W. G. Schneider und H. J. Bernstein das Lehrbuch High Resolution Nuclear Magnetic Resonance – ein Werk, das genau zu dem Zeitpunkt erschien, als die NMR zu dem Instrument wurde, das die moderne Strukturchemie prägen sollte.

Dann folgte der entscheidende Wendepunkt. Ein Forschungsfreijahr (Sabbatical) in den Jahren 1961–1962 an der Carnegie Mellon University in Pittsburgh überzeugte ihn davon, wo die Zukunft der Computerarbeit lag, und 1964 zog er dauerhaft dorthin. Er blieb für den Rest seines Lebens in den Vereinigten Staaten, während er seine britische Staatsbürgerschaft behielt. 1993 wechselte er an die Northwestern University als Trustees Professor für Chemie, eine Position, die er bis zu seinem Tod innehatte.

Moleküle berechenbar machen

Die Quantenmechanik beschreibt prinzipiell jede chemische Bindung. In der Praxis werden die Gleichungen unlösbar, sobald ein Molekül mehr als ein paar Elektronen enthält. Poples Lebenswerk war die systematische Konstruktion von Näherungen – vertretbaren, überprüfbaren Vereinfachungen, die das Unlösbare handhabbar machten.

Er entwickelte die Pariser-Parr-Pople-Methode für Pi-Elektronensysteme, die delokalisierten Elektronen, die das Verhalten aromatischer und konjugierter Moleküle bestimmen. Danach stieß er 1965 mit CNDO und den folgenden INDO-Näherungen in drei Dimensionen vor, wobei jede Methode ein abgewogenes Maß an Strenge gegen einen enormen Gewinn an tatsächlicher Berechenbarkeit eintauschte.

Sein folgenschwerster Schritt führte zu ab initio-Methoden – Berechnungen, die auf Grundprinzipien basieren, anstatt an Experimente angepasst zu sein. Mit Slater-Typ- und später Gauss-Orbitalen wurde er zur treibenden Kraft hinter der Software-Suite Gaussian und war Mitautor von Gaussian 70, der ersten Version. Gaussian tat etwas, das kein einzelnes Papier leisten konnte: Es gab die Quantenchemie in die Hände von Chemikern, die keine Quantentheoretiker waren. Parallel dazu führte er das Konzept der „Modellchemie“ ein – die Forderung, dass eine Rechenmethode präzise genug definiert sein muss, um systematisch an der Realität gemessen zu werden, statt von Fall zu Fall angepasst zu werden. Seine Gruppe entwickelte später die kombinierten Methoden Gaussian-1 und Gaussian-2, die mehrere Berechnungen miteinander verknüpften, um eine Genauigkeit zu erreichen, die experimentellen Messungen nahekam.

Der Bruch mit Gaussian

Die Software, die seinen Namen trug, führte auch zur hässlichsten Episode seiner Karriere. Pople trennte sich 1991 von Gaussian, und in der Folge wurde namhaften Wissenschaftlern – darunter Pople selbst – die Nutzung des Programms untersagt. Die Angelegenheit erzeugte erheblichen Aufruhr in der quantenchemischen Gemeinschaft, einem Fachgebiet, das klein genug war, dass ein solcher Bruch überall spürbar war. Poples Reaktion war der Bau eines Konkurrenten: Nach seinem Weggang entwickelte er das computerchemische Programm Q-Chem.

Ehrungen

Die Anerkennungen begannen früh mit dem Mayhew-Preis im Jahr 1948 und zogen sich durch seine gesamte Karriere: Fellow der Royal Society 1961, Irving Langmuir Award 1970, Davy-Medaille 1988, Wolf-Preis in Chemie 1992. 1998 folgte der Nobelpreis für Chemie, den er sich mit Walter Kohn für computergestützte Methoden in der Quantenchemie teilte – eine ungewöhnliche Auszeichnung, da sie keine Entdeckung über die Natur ehrte, sondern eine Art, sie zu befragen. Es folgten die Copley-Medaille 2002 und 2003 die Erhebung in den Adelsstand als Knight Commander des Order of the British Empire.

Der Mensch

Pople heiratete 1952 Joy Bowers, die 2002 an Krebs starb. Er verstand sich als Christ. Zudem betonte er sein Leben lang, er sei eher Mathematiker als Chemiker – eine Selbsteinschätzung, die theoretische Chemiker höflich ablehnten, da sie ihn stattdessen als eine der wichtigsten Persönlichkeiten betrachteten, die ihr Fachgebiet hervorgebracht hat.

Tod und Nachwirken

Er starb am 15. März 2004 in Chicago an Leberkrebs; er hinterließ seine Tochter Hilary sowie seine Söhne Adrian, Mark und Andrew. 2009 stiftete seine Familie seine Nobelmedaille der Carnegie Mellon University, wo die entscheidende Arbeit geleistet worden war. Die Bristol Grammar School benannte einen IT-Raum und ein Stipendium nach ihm; das Pittsburgh Supercomputing Center benannte einen Supercomputer zu seinen Ehren – was für einen Mann, der Maschinen das Chemie-Machen lehrte, das genau richtige Denkmal ist.