جایزه‌ی نوبل شیمی سال ۲۰۱۳ به مارتین کرپالس (Martin Karplus)٬ مایکل لویت (Michael Levitt) و آریه ورشل (Arieh Warshel) تعلق گرفت. آنان مدل‌های رایانه‌ایِ سیستم‌هایِ شیمیاییِ پیچیده را توسعه داده‌اند. هر سه‌ی این محققان ارتباط نزدیکی با فیزیک دارند. کرپلاس در اصل فیزیک و شیمی را در دانشگاه هاروارد خوانده٬ لویت مدرک فیزیک را از کینگز کالج لندن اخذ کرده است. هر سه‌ی آن‌ها به‌طور مشترک برنده‌ی ۷۷۵.۰۰۰ پوند شده و مدال‌هایشان را در مراسمی در استکهلم در دهم دسامبر دریافت کردند.

کارپلاس٬ لویت و ورشل این جایزه را به خاطر توسعه‌ی تکنیک‌های محاسباتی استفاده شده در فیزیک کلاسیک و کوانتوم (برای توصیف فرآیندهای شیمیایی پیچیده) برنده شده‌اند. مدل‌های شیمیایی بر اساس فیزیک کلاسیک نسبتاً از لحاظ محاسباتی ساده هستند. بنابراین برای شبیه‌سازی برخی جنبه‌های رفتارِ مولکول‌های بزرگ همچون پروتئین‌ها استفاده می‌شود. با این وجود مسئله این است که این مدل‌های کلاسیکی قادر به توصیف جنبه‌های پراهمیتِ شیمی (همانند اینکه اندرکنش‌ها چگونه پیش می‌روند) نیستند. به این منظور نیاز به مدل‌هایی بر اساس مکانیک کوانتومی آشکارمی‌شود (که به نوبه‌ی خود به قدرت محاسباتی عظیمی نیاز دارد). بنابراین شبیه‌سازی‌های کوانتومی می‌توانند تنها در مورد مولکول‌های نسبتاً کوچک کارایی داشته باشند.

کارپلاس٬ لویت و ورشل برندگان جایزه‌ی نوبل شیمی

تمرکز بر روی الکترون‌های آزاد

در اواخر دهه‌ی ۱۹۶۰ کارپلاس در حال توسعه‌ی مدل‌های رایانه‌ای بر پایه‌ی کوانتوم بود که توانایی شبیه‌سازی اندرکنش‌های شیمیایی را داشت. در ضمن لویت و ورشل هردو در موسسه عالی علوم وایزمن (Weizmann) مشغول به کار بودند؛ جایی‌که آن‌ها مدل رایانه‌ای کلاسیکی را توسعه دادند که قادر به شبیه‌سازیِ خواص معینی از مولکول‌های زیستیِ بزرگ بود. ورشل در سال ۱۹۷۰ در دانشگاه هاروارد به کارپلاس پیوست و آن‌ها شروع به ترکیب رهیافت‌های کلاسیکی و کوانتومی خود کردند. آن‌ها اولین برنامه‌ی رایانه‌ای را توسعه دادند که در فیزیک کوانتومی برای مدل‌سازی رفتار الکترون‌های آزاد (در یک اندرکنش شیمیایی) بکار می‌رود. در حالی‌که از فیزیک کلاسیک برای توصیف مابقیِ اتم‌ها و الکترون‌ها در یک مولکول استفاده کردند.

در طول چند سال بعدی لویت و ورشل باهمدیگر در موسسه‌ی وایزمن و دانشگاه کمبریج با هدف توسعه‌ی مدل‌ آنزیم‌ها (مولکول‌های زنجیره‌ای دراز که نقش اساسی تنها در فرآیندهای بیو‌شیمیایی ایفا می‌کنند) کار کردند -آنان به این موضوع در سال ۱۹۷۶ دست یافتند اما یک ویژگی مهم این تکنیک‌ها که توسط کارپلاس٬ لویت و ورشل توسعه داده شد این بود که آن‌ها می‌توانند در مورد هر نوع شیمی نیز مورد استفاده قرار گیرند. در نتیجه نه‌تنها آنزیم‌ها برای مطالعه‌ی مولکول‌های مهمِ حیاتی بکار می روند بلکه برای توسعه‌ی فرآیندهای صنعتی جدید (ساخت سلول‌های خورشیدیِ بهتر و سنتز داروهای جدید) نیز استفاده می‌شوند.

شیمی‌دان نظری آلن آسپرو-گازیک (Alán Aspuru-Guzik) به physicsworld.com می گوید: «کارپلاس٬ لویت و ورشل پیش‌گامانِ واقعی شیمی محاسباتیِ مدرن هستند». آسپرو-گازیک که در دانشگاه هاروارد فعالیت می‌کند٬ می‌افزاید: «رهیافتِ مکانیک‌کوانتومی/مکانیک‌مولکولی که این گروه معرفی کرده‌اند اکنون امری عادی به حساب می‌آید که به دانش‌مندان این امکان را می‌دهد تا مسائل مهم مربوط به حیات را درک کنند به عنوان مثال درک این‌که مولکول‌های دارویی چگونه کار می‌کنند.

فیزیک و شیمی

کارپلاس در سال ۱۹۳۰ و در شهر وین متولد شد و به همراه خانواده‌اش در سال ۱۹۳۸ به ایالات متحده مهاجرت کرد. او قبل از این‌که دکتریاش را در رشته‌ی شیمی و در کلتک در سال 1953 به اتمام برساند٬ فیزیک و شیمی را در دانشگاه هاروارد خوانده است. پس از مدتی فعالیت در دانشگاه‌های آکسفورد و ایلینوی در سال ۱۹۶۶ به دانشگاه هاروارد پیوست. در سال ۱۹۹۶ انتصاب دومی را در استراسبورگ بدست آورد.

لویت در سال ۱۹۴۷ در پرتوریای (Pretoria) آفریقای جنوبی متولد شد. مدرک کارشناسی خود را در فیزیک از کینگز کالج لندن در سال ۱۹۶۷ دریافت کرد. پس از آن که یکسال را در موسسه‌ی وایزمن بر روی نظریه‌ی مولکول‌ها کار کرد مدرک دکتری را با موضوع تجزیه و تحلیل کنفورماسیونی از پروتئین از دانشگاه کمبریج اخذ کرد. پس از آن در آزمایشگاه MRC زیست‌شناسیِ مولکولی در کمبریج و موسسه‌ی وایزمن قبل از ورود به دانشکده پزشکی دانشگاه استانفورد در سال ۱۹۸۷ مشغول به کار بود.

ورشل نیز شیمی را قبل از آن‌که مدرک کارشناسی‌ارشد و دکتری خود را در فیزیک‌شیمی در موسسه‌ی وایزمن به انجام برساند٬ خوانده است. پس از فعالیت در دانشگاه هاوارد و موسسه‌ی وایزمن٬ به دانشگاه کالیفرنیای جنوبی در سال ۱۹۷۶ ملحق شد.

درباره‌ی نویسنده:

همیش جانستون (Hamish Johnston) ویراستار physicsworld.com است.

منبع: Chemistry Nobel honours trio who combined classical and quantum physics