존 포폴: 컴퓨터에 화학을 가르친 사람

존 포폴 이전에는 분자가 어떻게 행동할지 알고 싶어 하는 화학자는 실험을 수행했다. 그 이후에는 화학자가 컴퓨터에 분자를 입력하여 종종 발표하기에 충분히 좋은 답을 얻을 수 있었다. 포폴은 수소 원자에 대해서만 정확하게 풀 수 있었던 우아한 이론인 양자역학을 거의 모든 것에 적용할 수 있는 작동하는 소프트웨어로 전환하는 데 50년을 보냈다. 1998년 노벨 위원회는 그가 끝까지 수학이라고 주장했던 일련의 업적에 대해 화학상 공동 수상자로 선정했다.

서머셋에서 트리니티까지

포폴은 1925년 10월 31일 서머셋주 번햄온시에서 태어났다. 브리스톨 그래머 스쿨을 다녔고, 1943년에 장학금을 받아 케임브리지 대학교 트리니티 칼리지에 진학하여 1946년에 학사 학위(BA)를 받았다. 전쟁으로 인해 원활한 학업이 중단되어 1945년부터 1947년 사이에 브리스톨 에어로플레인 컴퍼니에서 일했다. 이후 케임브리지로 돌아와 존 레너드존스의 지도 아래 1951년 수학 박사 학위를 취득했으며, 원자에 공유되지 않은 채 남아 분자의 모양과 반응성을 조용히 결정하는 원자가 전자인 비공유 전자쌍에 관한 논문을 썼다.

그의 박사학위 연구는 또한 물에 대한 통계역학적 처리를 산출했는데, 이는 나중의 평가에 따르면 "오랫동안 표준"으로 자리 잡았다. 그것은 특징적인 초기 신호였다. 포폴은 복잡한 화학적 현실에 수학적 구조를 부여할 수 있는 문제를 선택했다.

케임브리지, NPL, 그리고 서쪽으로의 이동

박사 학위 취득 후 트리니티에서 연구 펠로우십을 거쳤고, 1954년부터 케임브리지 수학과에서 강의했다. 1958년 런던으로 이주하여 국립물리연구소(NPL)의 기초물리학 부서를 이끌었다. 이듬해 W. G. 슈나이더, H. J. 번스타인과 함께 공저로 《고분해능 핵자기 공명(High Resolution Nuclear Magnetic Resonance)》을 출간했다. 이 교과서는 NMR이 현대 구조 화학을 정의할 기기가 되는 바로 그 시점에 출간되었다.

그 후 결정적인 전환점이 찾아왔다. 1961~1962년 피츠버그의 카네기 멜런 대학에서의 안식년은 그에게 연산 작업의 미래가 어디에 있는지 확신을 주었고, 1964년 영구적으로 그곳으로 이주했다. 그는 영국 시민권을 유지한 채 남은 생애를 미국에서 보냈다. 1993년에는 노스웨スタン 대학교로 다시 거처를 옮겨 트러스티즈 화학 교수로 재직하며 사망할 때까지 그 자리를 지켰다.

분자를 계산 가능하게 만들기

양자역학은 원칙적으로 모든 화학 결합을 설명한다. 실제로 분자가 몇 개 이상의 전자를 포함하는 순간 방정식은 풀 수 없는 상태가 된다. 포폴의 평생 과업은 다루기 힘든 것을 다루기 쉽게 만드는, 방어 가능하고 검증 가능한 단순화인 근사치의 체계적인 구축이었다.

그는 방향족 및 공액 분자의 거동을 지배하는 비편재화 전자 계통인 파이 전자계를 위한 파리서-파르-포폴 방법을 개발했다. 그 후 1965년 CNDO와 뒤이어 나온 INDO 근사치를 통해 3차원으로 진출했으며, 각각은 측정된 양의 엄밀함을 교환하여 실제 계산할 수 있는 범위를 엄청나게 확장했다.

그의 더 중대한 행보는 실험에 맞추기보다는 제1원리로부터 구축된 계산인 ab initio(비경험적) 방법으로의 전환이었다. 슬레이터형 및 가우스형 오비탈을 사용하여 그는 Gaussian 프로그램 스위트의 원동력이 되었고, 첫 번째 버전인 Gaussian 70을 공동 집필했다. Gaussian은 어떤 단일 논문도 할 수 없는 일을 해냈다. 즉, 양자 이론가가 아닌 화학자들의 손에 양자 화학을 쥐어준 것이다. 이와 함께 그는 계산 방법이 사례별로 조정되는 대신 현실에 대해 체계적으로 검증될 수 있도록 충분히 정밀하게 정의되어야 한다는 주장인 "모델 화학" 개념을 도입했다. 그의 연구진은 나중에 여러 계산을 결합하여 실험 측정값에 버금가는 정확도에 도달하는 Gaussian-1 및 Gaussian-2 복합 메서드를 산출했다.

가우스와의 결별

그의 이름을 딴 소프트웨어는 그의 경력 중 가장 씁쓸한 에피소드도 낳았다. 포폴은 1991년 가우스를 떠났고, 그 여파로 포폴 자신을 포함한 저명한 과학자들이 프로그램 사용을 금지당했다. 이 사건은 양자 화학계 내에서 상당한 논란을 불러일으켰는데, 이 분야는 그러한 분열이 어디서나 느껴질 만큼 충분히 작은 학문 분야였다. 포폴의 대응은 라이벌을 만드는 것이었다. 떠난 후 그는 Q-Chem 계산 화학 프로그램을 개발했다.

명예

수상은 1948년 메휴 상으로 일찍 시작되어 경력 내내 이어졌다. 1961년 왕립 학회 펠로우, 1970년 어빙 랭뮤어 상, 1988년 데이비 메달, 1992년 울프 화학상을 받았다. 1998년에는 양자 화학의 계산 방법 공로로 월터 콘과 함께 노벨 화학상을 공동 수상했는데, 이는 자연에 대한 발견이 아니라 자연을 탐구하는 방식을 기렸다는 점에서 이례적인 상이었다. 2002년 코플리 메달, 2003년 대영 제국 훈장 기사사령관(Knight Commander) 서훈이 뒤를 이었다.

사생활

포폴은 1952년 조이 바워스와 결혼했고, 그녀는 2002년 암으로 사망했다. 그는 자신을 기독교인으로 정체화했다. 또한 평생토록 자신은 화학자라기보다는 수학자라고 주장했는데, 이론 화학자들은 이 자기 평가를 정중히 거절하고 그를 대신하여 해당 분야가 배출한 가장 중요한 인물 중 한 명으로 여겼다.

죽음과 사후

그는 2004년 3월 15일 시카고에서 간암으로 사망했으며, 딸 힐러리와 아들 에이드리언, 마크, 앤드루가 유가족으로 남았다. 2009년 그의 유가족은 핵심 연구가 수행되었던 카네기 멜런 대학에 노벨상 메달을 기증했다. 브리스톨 그래머 스쿨은 그의 이름을 딴 IT실과 장학금을 제정했으며, 피츠버그 슈퍼컴퓨팅 센터는 그의 명예를 기리기 위해 슈퍼컴퓨터에 그의 이름을 붙였다. 이는 기계에게 화학을 가르친 사람에게 정확히 어울리는 기념비이다.