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[交流]
【交流】1984，中国科学的寒冬——国产量子化学程序覆灭记
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左克 根据本人半年前的文章《中国当年的量子化学程序哪里去了？》改写。 美国汤姆森科学论文检索（ SCI ）发布的数据显示，我国的 SCI 论文数从 2004 至 2006 年起连续三年排在世界第 5 位。到了 2007 年，中国首次超过日本位居第四，与位居第三的德国和居第二的英国只差 400 篇和 4000 篇左右。 SCI 论文主要反映一个国家基础科学研究的状况，我们这样一个科技论文大国，按道理说对科学计算软件的需求应当是很大的，也应该像美、英、德、日一样，有大量自己开发的科学计算软件作为支撑。但实际情况确是，目前国产的科学计算软件极少，几乎所有的计算工作都是用国外软件完成的。是中国科学家的水平不行，还是中国科学家不重视科技软件的开发？在回答这个问题之前，先让我们看看国产量子化学程序是怎么覆灭的吧。 量子化学就是原子和分子层次的量子力学，是量子力学在化学领域的应用。所谓量子化学程序，就是从量子力学基本方程（非相对论的薛定谔方程，或相对论的狄拉克方程）出发，通过计算原子、分子、聚合物、表面、固体材料的电子结构，预测它们的物理、化学性质的一类科学计算程序。 广义的量子化学计算很早就有，比如最简单的 Huckel 理论方法，对于小分子完全靠手算都能完成。而现代量子化学计算则离不开计算机的发展，否则就无法完成大量复杂的计算。人类第一个非经验的量子化学从头计算是 1952 完成的，当时人们用手摇计算机算氮分子，足足摇了两年。如今，这样的计算在最普通的计算机上只需几秒钟就能完成，可见计算机对量子化学的影响有多大。现代的量子化学程序在 60 年代末开始出现，但是直到 70 年代中期，也就是采用大规模集成电路的第四代计算机诞生后，才逐渐发展起来。 在当代科技中，量子化学计算在结构化学、药物化学和材料科学领域中越来越具有重要地位，因而备受重视。几乎每个发达国家都有本国开发的量子化学程序，至于美、英、德、日等国，由不同部门开发的此类程序往往有十几种甚至几十种之多（未公布的不算在内），其中用的最多的有 Gaussian ， GAMESS ， ADF 等。 一些量子化学的初学者常常会有这样的疑问：为什么没有听说过国产的量子化学程序呢？ 中国的量子化学研究，早在上世纪 50 年代就开始了。以中科院院士（当时称学部委员）唐敖庆、徐光宪等人的研究为代表，中国科学家在这二十多年里做了大量的理论研究工作（虽然从 1966 年下半年到 70 年代初出现了短期的停滞），在研究过程中还针对具体问题，编写了一些计算机程序，不过严格意义上的量子化学程序未见公开报道。刘若庄院士曾对我国前三十年的量子化学研究工作做了总结，见： 刘若庄，戴树珊，三十年来我国量子化学的发展概况，化学通报， 06 ， 10 ， 1979 。 据公开的资料，中国真正的量子化学程序是 1978 年出现的，比国外晚了 10 年左右，但发展得非常快。从 1978 年到 80 年代初，出现了很多中国科学家自己开发的量子化学程序（部分公开发布的程序见附件 1 ）。这些程序主要采用从头计算， X α和半经验方法，用于模拟原子、分子和固体材料。有些程序即使拿到现在，与国外同类产品相比也是领先的（如用于稀土体系计算的 INDO 程序）。 既然中国曾经有不少自己开发的量子化学程序，并且在这个过程中培养了一批人才，那么中国的量子化学研究应该是越发展越好，成为强势研究领域才对。如果它们能像国外同类程序一样坚持发展到现在，不论是走学术路线还是走商业路线，都会对我国的科技事业起到巨大的推动作用。但是，经过短暂的辉煌后，从 1984 年开始，国产量子化学程序在“科学的春天”里销声匿迹了；更确切地讲，国产量子化学程序是和众多的高科技项目一起，集体牺牲的。据网上查到的一些材料，在这期间遇难的还有： 1984 年，北京大学开发的国产静动力分析程序，被引进的德国程序淘汰（见附件 2 ）； 1984 年，运十停飞； 1984 年，半导体和通用电路研发项目全部停止，改为单纯引进； 1984 年，停掉了个人计算机和小型计算机研制项目，改为进口组装； …… 另外，在 1984 年的 1 月和 10 月，中美合资北京吉普、中德合资上海大众先后开业，提前敲响了中国汽车工业的丧钟。 以上列出的都是民用项目和基础研究项目。比这稍早，还有大量的军事项目下马。不过军事涉嫌“不和谐”，这里略去不讲。 如果说，一个量子化学程序消失是量子化学界的个案，一批量子化学程序消失是化学界的个案，那么，中国各种高科技项目在 1984 年集体消失，还能用“个案”来解释吗？这一个个偶然中，肯定隐藏着必然因素。那么国产量子化学程序消失的原因究竟是什么呢？ （一）错误的科技政策 由于量子化学程序广阔的应用前景和对计算机速度的依赖性，使得国外著名的程序，几乎都受到计算机公司的财力和技术支持，甚至提供免费的计算机进行测试。比如 IBM 支持过 GAMESS 、 HONDO 、 MOLCAS 、 Gaussian 、 Alchemy-II 、 AMPAC 、 MOPAC 和 Mulliken ，而当年著名的 UniChem 程序（包括 MNDO 、 Dgauss 、 CADPAC 等），就是 Cray 计算机公司投资开发的。相比之下，中国年轻的量子化学程序却没有这样的机遇。原因就是 1984 年自废武功式的科技政策，研制计算机的科研队伍被解散。中国计算机业缺席，使得国产量子化学程序失去了可靠的运行和测试平台，缺少必要的硬件技术支持，凡是用国产计算机语言编写的程序，自然就死掉了。由于技术封锁，当年引进的外国计算机都不是最好的（何况很多实验室连这样的计算机也买不起），中国的量子化学家不仅没有必要的硬件技术支持，也没有国外计算机厂商提供的经费资助。那些采用国际通用计算机语言编写的量子化学程序，即使移植成功，也很难进行优化，导致在这些外国计算机上跑不快，不如引进的 Gaussian 程序好用，用的人自然就少了。 （二）崇洋媚外的社会风气 当时国内上上下下存在着一种崇洋媚外的风气，对洋技术、洋理论的无限美化，国产技术被贬为垃圾。而错误的科技政策（其根源也是崇洋媚外），又为崇洋媚外提供了事实依据，造成国产程序没人信，没人用。某些人放着国产的静动力分析程序不用，宁可进口昂贵且结果不可靠的外国程序（见附件 2 ），也是由于这个原因。 （三）科研中的急功近利 1984 年邓小平成功访美后，国家的科技政策从自主研发变为技术引进。国际著名的量子化学计算程序 SCF-X α -DV 和 Gaussian 也是在这一时期进入中国的。当时的 Gaussian 还是个学术程序，远不像今天这么保守，只要花很少的一点钱，就能买到源程序。如果中国的科学家们通过研究和消化 Gaussian 的算法，完善自己的程序，那么国产的量子化学程序还是能够得到快速发展的，这也正是 Gaussian 程序引进者的初衷。但除了个别单位以外，这种情况并没有出现。原因就是科技界的急功近利。由于做应用型计算远比程序开发出文章快，对研究人员的理论功底要求又比较低，一些过去从事量子化学研究的人员放弃了程序开发，仅仅满足于引进国外软件后作应用型计算。这造成从事算法和程序开发的科研人员越来越少。 （四）决策者没有真正重视科学技术 进入八十年代后，中国科技研发经费占国内生产总值的比例，从七十年代的 2% 以上急剧下 降，1984 年更是降到0.6% 以下。本人在两年前的文章《辉煌的毛泽东时代—— 中国计算机事业回顾》中，对此已有披露。这里再举一例。很多人都知道著名的“863 计划”，说是在1986 年3 月，王大珩、王淦昌等4 位科学家联名向中央递交了一份重要报告，很快得到某领导人的批示。在正史里，“863 计划”都是作为某人的政绩来讲的，而且据说这个批示（而不是4 位科学家的联名报告）“为我国高科技的发展指明了方向”。但实际上，“863 计划”是一些有良知的科学家在中国科技危难之际发出的温和警告，当然最后是皆大欢喜：既为一些重点高科技项目争取到了经费，又照顾了领导的面子。但是那些被排除在高科技项目以外的基础科学研究，只好听天由命了。 以上四条，对于其他消失的中国科技项目来说，也是适用的。 虽然“造船不如买船，买船不如租船的洋奴哲学”在文革以后成了正统，但大量“中国出口一台 32 美元的 DVD 只能得到 1 美元利润”一类的实践陆续曝光，不断检验了洋奴哲学的错误。如今，“自主研发”越来越成为中国科技界的共识。在这种背景下，据说国家的科技政策也有了调整，但也有浑水摸鱼的，例如我们都知道的铁道部“自主研发”的“耻辱号”列车，就好比有人买到了 Gaussian 源代码就称 Gaussian 是“国产量子化学软件”一样可笑（我丝毫不怀疑龙永图们有这种本事），至今也没人追究。 令人欣慰的是，经过中国科学家的努力，最近这些年陆续开发出几个在国际上有一定影响力的量子化学程序，国家也有意对这些程序进行重点扶植。在看到已有成果的同时，我们要牢记当年的教训，洋奴哲学的影响必须肃清。 附件 1. 早期的国产量子化学程序清单 据不完全统计，从 70 年代末至 80 年代初，公开发表的国产量子化学程序如下： 1. 半经验程序（一种计算速度较快，但精度较低的量子化学计算程序）。 1.1 大连工学院（现大连理工大学）开发的半经验 PPP/CI 程序 PPP-SCF-CI-1 ，用于有机分子激发态的计算。程序用 ALGOL-60 语言编写，运行于国产 TQ-16 机。 参考文献： 程侣柏，李宗石，孙育贤，分子轨道理论在染料化学中的应用 -IV 用 P.P.P.-SCF-CI 法计算简单有机化合物的吸收光谱，大连工学院学报， 2 ， 51 ， 1980 。 1.2 中国科学院上海冶金研究所和中国科学院上海药物研究所开发的 HMO 程序。 参考文献： 谢雷鸣，吴吉安，小型计算机的 H ü ckel 分子轨道 (HMO) 计算方法会话程序，化学通报， 4 ， 14 ， 1981 。 1.3 北京大学徐光宪、黎乐民等人开发的半经验 INDO 程序，可用于稀土化合物计算。 参考文献： 任镜清，黎乐民，王秀珍，徐光宪，适用于计算镧系元素化合物电子结构的 INDO 方法，北京大学学报 ( 自然科学版 ) ， 3 ， 30 ， 1982 ； 3 ， 49 ， 1982 。 2. 从头计算程序（计算速度较慢，但精度较高的量子化学计算程序，由于计算过程中不借助经验参数，故名“从头”）。国产从头计算程序数量较多，但主要从两大程序分别发展而来，即北大的 SCFMO 程序和清华的 MQAB 程序。其中，后者在我国曾经广泛使用，影响很大，对量子化学从头计算在我国的发展起了重要作用。最近还有人在用这个程序。见： 王逊博士毕业论文， Fe-Cr-Mn-C-B 系合金的电子、原子层次合金设计理论研究及其应用，大连海事大学， 2003 。 2.1 北京大学韩玉真开发的 Hartree-Fock SCF 程序。这个程序用中国自己开发的计算机语言 BD-200 编写，运行于国产 DJS-18 计算机上。 1978 年第一次发布，可能是最早的国产从头计算程序。 参考文献： 韩玉真 , 量子化学从头计算程序 , 全国第二次物质结构会议福州文集 , 1978 。 韩玉真，以高斯函数为基组的自洽场分子轨道从头计算程序，北京大学学报 ( 自然科学版 ) ， 3 ， 19 ， 1982 。 2.2 北京大学徐光宪、黎乐民、王德民等人开发的 Hartree-Fock SCF 程序 SCFMO 。 参考文献： 王德民，邓坤杰，朱芝仙，韩玉真，施乃，吾榕之，黎乐民，徐光宪，有机分子的自洽场分子轨道从头计算的通用程序和 C,H 基组的选择，高等学校化学学报， 2 ， 251 ， 1982 。 一年后，他们又把程序的计算速度提高十倍，并节省了内存。打个比方，在同一台计算机上，旧程序最大能处理丙烷（ C3H8 ），新程序能处理辛烷（ C8H18 ）。 参考文献： 童建昌，朱芝仙，王德民，量子化学从头算程序设计中的一些技巧，北京大学学报 ( 自然科学版 ) ， 2 ， 63 ， 1983 。 2.3 清华大学和中科院上海冶金所吴国是、廖沐真、刘洪霖等人开发的 Hartree-Fock 程序 MQAB 。程序从 1978 年开始编写， 1980 年发布第一个版本 MQAB-80 。 MQAB 程序用国际流行的 FORTRAN IV 语言编写，具有计算效率较高、易移植、对硬件要求低和易读易懂的优点。 参考文献： 吴国是，廖沐真，刘洪霖，量子化学从头计算 FORTRAN IV 通用程序 MQAB-80 ，清华大学学报 ( 自然科学版 ) ， 2 ， 15 ， 1981 。 吴国是，廖沐真，刘洪霖，量子化学从头计算方法，清华大学出版社， 1984 。（ MQAB-80 程序培训教材） 兰州大学揭草仙通过对 MQAB-80 引入分子局部对称性，进一步提高了计算速度。 参考文献： 揭草仙，应用分子局部对称性提高 ab initio 程序运算速度，兰州大学学报 ( 自然科学版 ) ， 2 ， 169 ， 1984 。 兰州大学杜奇石和彭周人在 MQAB-80 程序基础上，开发了用于计算 Hellmann-Feynman 力的程序 ABHF 。 参考文献： 杜奇石，彭周人， Hellmann-Feynman 力的 ab initio 计算及在化学键研究中的应用， I. 理论与计算，化学学报， 9 ， 843 ， 1984 ； Hellmann-Feynman 力的 ab initio 计算及在化学键研究中的应用 II.AB INITIO FORTRAN IV 通用程序 ABHF ，兰州大学学报 ( 自然科学版 ) ， 4 ， 112 ， 1983 。 2.4 通过对 MQAB-80 程序进行改进，中国科学院上海药物研究所创始人嵇汝运院士和陈凯先院士等人开发了量子化学从头算通用程序 MQM81 和 MQM82 ，以及支持赝势从头计算的程序 MQMMP （ MP83 ），可用于一直到氡元素的各类分子计算。 参考文献： 陈凯先，刘洪霖，吴国是，廖沐真，嵇汝运，量子化学赝势法半从头计算程序 MQMMP 的设计，分子科学学报， 1 ， 65 ， 1981 。 陈凯先，嵇汝运，刘洪霖，陈念贻，吴国是，廖沐真，大分子的量子化学从头计算技术及其程序化，分子科学学报， 1 ， 103 ， 1982 。 2.5 中国科学院上海药物研究所嵇汝运和陈凯先等人开发的基于从头算法和半经验 CNDO/2 方法的分子静电势程序，用于药物分子构效关系的研究。 参考文献： 《嵇汝运论文选集》编辑小组，《嵇汝运传记》。 http://www.dddc.ac.cn/group/ryji.htm 3. 密度泛函程序的前身—— X α程序。 3.1 国防科技大学赵伊君和张志杰编写的 X α程序，用于计算非相对论性及相对论性原子结构。 参考文献： 张志杰，赵伊君，用优选法确定 X α理论中交换参数值，国防科技大学学报， 03 ， 21 ， 1979 。 赵伊君，用 X α法计算非相对论性及相对论性原子波函数时的一些方法问题， 04 ， 19 ， 1980 。 张志杰，赵伊君，原子的 X α波函数，原子能出版社， 1983 。 3.2 吉林大学江元生（现在南京大学）等人在国产 TQ-16 计算机上编写了 SCF-SW-X α程序。 参考文献： 于微舟，刘永振，张明瑜，冯果忱，江元生， SCF-SW-X α方法计算多原子分子的能级和电离能，科学通报， 23 ， 1471 ， 1981 ；高等学校化学学报， 4 ， 516 ， 1982 。 [ Last edited by mingdong on 2009-10-26 at 17:13 ] |
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