Джон Попл: Человек, который научил компьютеры химии

До Джона Попла химик, желавший узнать поведение молекулы, проводил эксперимент. После него химик мог ввести молекулу в компьютер и получить ответ, который зачастую был достаточно хорош для публикации. Попл потратил пять десятилетий на то, чтобы превратить квантовую механику из изящной теории, которую можно было точно решить только для атома водорода, в работающее программное обеспечение, применимое практически ко всему. В 1998 году Нобелевский комитет присудил ему половину премии по химии за совокупность работ, которые он до самого конца упорно считал на самом деле математикой.

От Сомерсета до Тринити

Попл родился 31 октября 1925 года в Бернем-он-Си, графство Сомерсет. Он учился в Бристольской гимназии, а в 1943 году выиграл стипендию в Тринити-колледж Кембриджа, получив степень бакалавра искусств (BA) в 1946 году. Война прервала гладкое академическое течение: с 1945 по 1947 год он работал в компании Bristol Aeroplane Company. Он вернулся в Кембридж и в 1951 году защитил докторскую диссертацию по математике под руководством Джона Ленард-Джонса, написав работу об одиноких электронных парах — тех валентных электронах, которые остаются обособленными на атоме и тихо определяют большую часть формы и реакционной способности молекулы.

Его докторская работа также содержала статистико-механический подход к воде, который, по более поздним оценкам, оставался «стандартом на протяжении многих лет». Это был характерный ранний знак: Попл выбирал задачи, в которых математическая структура могла быть наложена на беспорядочную химическую реальность.

Кембридж, Национальная физическая лаборатория и переезд на запад

После защиты докторской последовала исследовательская стипендия в Тринити, а с 1954 года он читал лекции на математическом факультете Кембриджа. В 1958 году он переехал в Лондон, чтобы возглавить отдел фундаментальной физики Национальной физической лаборатории (NPL). В следующем году он в соавторстве с В. Г. Шнайдером и Х. Дж. Бернстайном выпустил учебник «Ядерный магнитный резонанс высокого разрешения» (High Resolution Nuclear Magnetic Resonance) — книгу, вышедшую как раз в тот момент, когда ЯМР становился инструментом, определяющим современную структурную химию.

Затем последовал решительный поворот. Годичная стажировка (саббатикал) в 1961–1962 годах в Университете Карнеги — Меллон в Питтсбурге убедила его в том, где лежит будущее вычислительной работы, и в 1964 году он пере туда окончательно. Он остался в Соединенных Штатах до конца жизни, сохранив британское гражданство. В 1993 году он снова переехал — в Северо-Западный университет в качестве профессора химии имени попечителей (Trustees Professor of Chemistry), эту должность он занимал до самой смерти.

Делая молекулы вычислимыми

Квантовая механика в принципе описывает каждую химическую связь. На практике уравнения становятся неразрешимыми, как только молекула содержит больше пары электронов. Делом всей жизни Попла было систематическое построение приближений — защитимых, проверяемых упрощений, которые делали неразрешимое разрешимым.

Он разработал метод Паризера — Парра — Попла для систем пи-электронов — тех делькализованных электронов, которые определяют поведение ароматических и сопряженных молекул. Затем в 1965 году он шагнул в трехмерное пространство с методом CNDO и последовавшими за ним приближениями INDO, каждое из которых жертвовало определенной долей строгости ради колоссального прироста в том, что действительно можно было рассчитать.

Его наиболее значительным шагом стал переход к методам ab initio (из первых принципов) — расчетам, основанным на фундаментальных принципах, а не подогнанным под эксперимент. Работая сначала с орбиталями слейтеровского типа, а затем с гауссовскими орбиталями, он стал движущей силой создания программного пакета Gaussian, выступив соавтором Gaussian 70, первого релиза. Gaussian сделал то, чего не могла сделать ни одна отдельная статья: он отдал квантовую химию в руки химиков, не являвшихся квантовыми теоретиками. Наряду с этим он ввел концепцию «модельной химии» — требование того, чтобы вычислительный метод был определен достаточно четко для систематической проверки на соответствие реальности, а не настраивался от случая к случаю. Позже его группа создала составные методы Gaussian-1 и Gaussian-2, объединившие несколько расчетов для достижения точности, близкой к экспериментальным измерениям.

Разрыв с Gaussian

Программное обеспечение, носившее его имя, также породило самый неприятный эпизод в его карьере. Попл ушел из Gaussian в 1991 году, и впоследствии видным ученым — включая самого Попла — было запрещено использовать эту программу. Это дело вызвало значительные споры в сообществе квантовых химиков, в поле настолько тесном, что подобный раскол чувствовался повсюду. Ответом Попла стало создание конкурента: после ухода он разработал программу вычислительной химии Q-Chem.

Награды

Признание началось рано с премии Мейью в 1948 году и продолжалось всю его карьеру: член Лондонского королевского общества с 1961 года, премия Ирвинга Ленгмюра в 1970 году, медаль Дэви в 1988 году, премия Вольфа по химии в 1992 году. В 1998 году последовала Нобелевская премия по химии, разделенная с Вальтером Кьоном, за вычислительные методы в квантовой химии — необычная награда тем, что она отмечала не открытие в области природы, а способ ее исследования. Медаль Копли последовала в 2002 году, а звание рыцаря-командора ордена Британской империи — в 2003 году.

Частная жизнь

Попл женился на Джой Бауэрс в 1952 году; она умерла от рака в 2002 году. Он считал себя христианином. Всю жизнь он также настаивал на том, что он скорее математик, чем химик, — самооценка, которую химики-теоретики вежливо отказывались принимать, предпочитая видеть в нем одну из важнейших фигур, порожденных их дисциплиной.

Смерть и наследие

Он умер от рака печени в Чикаго 15 марта 2004 года, у него остались дочь Хилари и сыновья Адриан, Марк и Эндрю. В 2009 году его семья передала его нобелевскую медаль в Университет Карнеги — Меллон, где была проделана важнейшая работа. Бристольская гимназия назвала в его честь компьютерный класс и учредила стипендию; Питтсбургский суперкомпьютерный центр назвал в его честь суперкомпьютер — что для человека, который научил машины заниматься химией, является совершенно подходящим памятником.