John Pople

John A. Pople (sz. 1925, Nagy-Britannia) a Northwesterni Egyetem professzora, az 1998. évi kémiai Nobel-díj kitüntetettje. Az alábbi interjút Hargittai István 1995. december 29-én készítette Evastonban.
[Eredeti cikk: The Chemical Intelligencer, 3. kötet, 3. szám, 1997. július (© Springer), fordította: Silberer Vera]

Hargittai István (HI): Mi a számítógépes kémia lényege?

Fotó © Hargittai István

John Pople (JP): A számítógépes kémia az elmélet alkalmazása adott kémiai problémákra számítógépes programok segítségével. Néhányan különbséget tesznek a számítógépes kémia és a mögötte húzódó elmélet között. Én ezzel nem értek egyet, és úgy gondolom, hogy a számítógépes kémia az elmélet alkalmazása a kémiai problémák megoldására. Az elmélet korábban megszületett, és a számítógépekkel jelentôsen kiszélesedett az alkalmazások köre.

HI: Elôsegíti-e az elmélet fejlôdését a számítógépek elterjedése?

JP: Igaza van, ez valóban kétirányú folyamat. Sok olyan elmélet, amelyet ma használunk, lényegesen egyszerûbb formában jelent meg eredetileg, amikor csak nagyon egyszerû számításokat végezhettek a kézi számológépekkel és a logartáblákkal. A számítógépes programok hatékony alkalmazása iránti igény "visszahat" az elméletre. Néha úgy tökéletesítenek egy elméletet, hogy gyorsabb eljárást találnak egy adott számításra. Az utóbbi években fôként az algoritmusok hatékonyságát növelték.

HI: Mi ma a legfontosabb, megoldásra váró elméleti probléma?

JP: Az elmélet a kémia egészére vonatkozik. Szinte bármely kémiai probléma bármely szinten megközlíthetô elméleti módszerekkel. Néhány régi elméletet most kvantitatív formában alkalmaznak. Vannak persze új elméletek is.

HI: Az 1950-es években keletkezett Moller–Plesset elméletettel ma az elektron-korrelációt foglalják bele az ab initio molekulapálya-számításokba. Felhasználhatók-e más régi elméletek is?

JP: Hogyne. Mindig jobb módszerek után kutatunk a régi szakirodalomban.

HI: Mivel foglalkozik most?

JP: Olyan elméleteken dolgozom, amelyekben szerepet játszik a sûrûségfunkcionál elmélet, és az a céljuk, hogy a kvantummechanikai problémákat az eddiginél sokkal hatékonyabban kezeljék. A sûrûségfunkcionál elmélet az elektronok sûrûségeloszlását igyekszik felhasználni, ugyanazt az eloszlást, amelyet röntgen-krisztallográfiával mérünk. Az elektronsûrûség-eloszlásból szeretnénk közvetlenül meghatározni az energiát. Elméletben ez lehetséges, de gyakorlati megvalósítása egyáltalán nem kézenfekvô. Kecsegtet némi remény, hogy a mostaniaknál hatékonyabb módszert dolgozhatunk ki.

HI: Hogyan kezelik az atommagok helyét?

JP: Az elektronszerkezet elmélet alkalmazásakor a molekulában lévô atommagok adott elrendezése mellett tanulmányozzuk az elektroneloszlást, kiszámítjuk az ehhez az atommag-elrendezéshez tartozó energiát, majd különbözô atommag-elrendezésekre térünk át. A vegyészek is így kezelik a molekulákat. Az atommagok helye elôször rögzített, majd a mozgás egy potenciálfelületen játszódik le. A sûrûségfunkcionál elmélet azt mondja, hogy ha pontosan ismernénk egy molekula elektronsûrûség-eloszlását egy adott atommag-elrendezés mellett, akkor ebbôl le kellene tudnunk vezetni a molekula teljes energiáját.

HI: Miért alkalmazható könnyebben a sûrûségfunkcionál elmélet a kvantumkémiai módszereknél?

JP: Azért, mert az elektronsûrûség csak háromdimenziós függvény. Az elektronok teljes hullámfüggvényének meghatározása 3n dimenziós probléma, ahol n az összes elektron száma. A kavtummechanikai probléma teljes megoldása adott atommag-elrendezés mellett 3n dimenziós Schrödinger-egyenletet tartalmaz. Ha tudnánk, hogy a sûrûségbôl hogyan határozható meg közvetlenül az energia, nagyot lépnénk elôre. A baj az, hogy nem tudjuk, hogyan kell pontosan csinálni.

HI: Hol tartanak most?

JP: Már használják. A sûrûségfunkcionál elmélet legegyszerûbb formáját lokális sûrûség közelítésnek nevezik. Ez a közelítés lényegében azt teszi fel a molekula minden pontjára, hogy ha egy pontban ismerjük a sûrûséget, akkor a pont körüli tartomány tulajdonságai megegyeznek az azonos sûrûségû, homogén elektrongáz tulajdonságaival. Ez durva közelítés, de már használják, és a tökéletesítésével is kísérleteznek. Az elektronszerkezet elmélet fejlesztése most fellendült ezen a téren.

HI: Milyen tulajdonságok határozhatók meg?

JP: A molekula elektronszerkezetébôl lényegében a molekula összes tulajdonsága kiszámítható. A szerkezetet a potenciális energia felület minimumának helye adja meg. Kétatomos molekulák esetén csak potenciálgörbénk van; ennek a minimumhelye szolgáltatja a kötéshosszat. Többatomos molekuláknál a potenciális energia felület sok koordináta függvénye. A molekulák szerkezetét a felületet minimumhelyei adják meg. A különbözô minimumok a molekula különbözô izomerjeinek felelnek meg. A minimumok megkeresése után más tulajdonságok is sorra kerülhetnek; a molekulák rezgései, a harmonikus erôállandók például a minimum lokális görbületébôl határozhatók meg. A potenciálfelületbôl az is kiszámítható, hogy a molekula kettészakítása – disszociációja – mekkora energiaváltozással jár. Meghatározható a kötéserôsség és a reakciók aktiválási energiája. Ez utóbbi szükséges ahhoz, hogy egy lokális minimumból átmeneti szerkezetbe, vagyis a szupermolekulának megfelelô felület egyik nyeregpontjába jusson a rendszer. De más tulajdonságok is megállapíthatók, például az elektromos dipólmomentumok, a mágneses tualjdonságok és a magmágneses árnyékolási állandók. Az elektronszerkezet elmélet alapján lényegében a molekula minden fizikai tulajdonsága meghatározható a molekula hullámfüggvényébôl.

HI: Hogyan definiálja a szupermolekulát a reakcióképesség vizsgálatakor?

JP: A szupermolekula két molekula, amelyet egyetlen nagy molekulának tekintünk.

HI: Mi játssza a "kísérleti hiba" szerepét a számítógépes munkában?

JP: Jó kérdés. A munkát szeretem elméleti modell felállításával kezdeni. Lényegében az összes molekulára egyetlen elméleti modellt alkalmazunk. Ez a modell a közelítés egyik szintje. Ezután ezt a "számítási szintet" nagyon sok különbözô molekulára alkalmazzuk. Tehát ugyanazt a közelítési szintet használjuk az összes molekula esetében, és az eredményként kapott kémia ennek a közelítésnek felel meg. Ez a kémia persze nem a valódi kémia, hanem csak a közelítése, de ha a modell jó, a közelítés is jó. Általában azzal próbálkozom, hogy veszek egy modellt, és ezzel próbálom meg reprodukálni a kísérleti kémia számos jól ismert adatát. Például nagyszámú egyszerû, szerves molekula kötéshosszait vagy ugyanennek a halmaznak a képzôdéshôit szeretnénk reprodukálni olyankor, amikor szó sem lehet a kísérletrôl. Ekkor statisztikát készítünk, és azt mondjuk, hogy ez az elmélet az összes ismert képzôdéshôt 2 kcal/mól négyzetes középhibával reprodukálja. Ha ezzel megvagyunk, sikerült bizonyos megbízhatóságot beépíteni az elmélet adott szintjébe. Ha késôbb ugyanezt ez elméletet olyankor alkalmazzuk, amikor nem is létezhet kísérleti adat, már számításaink megbízhatósági szintjét is ismerjük.

HI: Ez a félempírikus közelítés?

JP: Igen, bár korlátozott értelemben. A félempírikus közelítés extrém értelemben azt jelenti, hogy az elméletünkbe számos paramétert betáplálunk, majd más rendszerekre határozzuk meg az új paramétereket. Most azonban csak egy egyszerû, jól definiált matematikai közelítésrôl és ennek a tesztelésérôl beszélek. Amikor ezzel elkészültünk, pontosan azt kapjuk, amit kerestünk, vagyis az elmélet bizonytalanságának egyik szintjét. Ha az elmélettel az összes ismert képzôdéshôt, mondjuk, 2 kcal/mól-on belül reprodukáljuk, majd egy másik molekulára számítjuk ki a képzôdéshôt, némi alappal feltételezhetjük, hogy az eredményünk 2 kcal/mól-on belül jó.

HI: Miért jelennek meg akkor mégis a számítógépes eredmények anélkül, hogy utalnának a hibára?

JP: Az elméleteimet általában pontosan így kalibrálom. Az úgynevezett G-2 elmélet kidolgozásakor például szándékosan alkalmaztuk ezt a módszert. Elôször összeszedtük az összes olyan molekulát, amelynek a képzôdéshôjét nagyon pontosan határozták meg. Nem volt túl belôlük túl sok, százan ha lehettek. Ezután azt a célt tûztük ki magunk elé, hogy olyan elméletet állítsunk fel, amely a képzôdéshôket 2 kilokalória közepes abszolút hibán belül reprodukálja. A célt el is értük. A G-2 elmélettel jósolt képzôdéshôk tehát 2 kilokalóriára pontosak. A számítógépes munkában mindig fel kellene állítani ilyen hibakorlátokat. Teljesen egyetértek ezzel.

HI: Mikor lenne ideális a kísérleti és a számítógépes munka kapcsolata?

JP: A programokat minden vegyész használhatja, a kísérleti kémikusok is. Ezeknek a számításoknak elôre kellene vinniük a kísérleti munkát.

HI: Van haladás ezen a téren?

JP: Van, de kisebb, mint szeretném. Az idôsebb generáció rendkívül gyanakvó az elmélettel szemben. Nincsenek hozzászokva és talán túl nehéznek tartják. Pedig az elmélet alkalmazása egyáltalán nem bonyolult. Az elmélet kidolgozása, a programok megírása nehéz, de az elmélet használata nagyon egyszerû, olyan, mint minden más módszeré, például a krisztallográfiáé vagy a mágneses rezonanciáé.

HI: Külön tudománynak kell-e tekintenünk a számítógépes kémiát?

JP: Az elméleti kémiának vannak professzorai. De nem hinném, hogy a számítógépes kémiának külön tudománynak kellene lennie. Inkább olyan módszer, amelyet minden vegyésznek használnia kellene. Be kellene iktatni az általános tananyagba, tanítani kellene, de nem föltétlenül elméleti kémikust kellene megbízni ezzel a feladattal. A programokat fekete doboznak kellene tekinteni úgyanúgy, mint egy bonyolult spektrométert. A vegyészeknek meg kellene tanulniuk a programok használatát, és kritikus szemmel kellene dolgozniuk, hogy tisztában legyenek az eredmények korlátaival, mint bármely más módszer esetében.

HI: Úgy tûnik, egyre több közlemény jelenik meg olyan laboratóriumokból, ahol a számítógép és a szükséges szoftver megvásárlásával mintha "letudnák" a kutatást ahelyett, hogy a kísérleti kémiát fejlesztenék. Rengeteg táblázatot közölnek, tele számokkal, ami nem föltétlenül hasznos.

JP: Egyetértek azzal, hogy a számtömegek publikálása nem mindig hasznos. Hasznos viszont egy adott vegyületcsoport tanulmányozása, ezeknek a vegyületeknek a számítógépes vizsgálata a kísérlethez felhasználható legjobb programokkal, amelyek némi fényt derítenek ezeknek a vegyületeknek a tulajdonságaira és reakcióira. Ez jó értelemben vett tudomány lenne. És jól illeszkedne az adott kísérleti vizsgálatokhoz.

HI: Nincsenek a rangos folyóiratoknak elôítéletei azokkal a cikkekkel szemben, amelyek csak számítógépes eredményeket tartalmaznak?

JP: A Journal of the American Chemical Societynál tapasztalható ilyen elôítélet; a folyóirat nagyon kritikusan fogadja ezeket a dolgozatokat.

HI: Azt tartják Önrôl, hogy mindenkinél nagyobb szerepe van a kémia átalakításában, abban, hogy a kémia számítógépes tudomány is lett.

JP: Az elektronszerkezet terén igaz.

HI: Jobban érdekelték Önt az alkalmazások szempontjából fontos számítógépes megoldások, mint néhány egyszerû rendszer rendkívül bonyolult vizsgálata?

JP: Így van.

HI: Hogyan építette fel stratégiáját, amikor hozzálátott a munkához?

JP: Már nagyon régen megfogalmaztam, hogy az elmélet egy szintje teljes kémiát von maga után. Ez a posztdoktori kutatásaim idején volt, 1952-ben. Akkor gyakorlati téren valójában semmit se tudtunk csinálni. Ebben a kategóriában az elsô elmélet az úgynevezett PPP-, Pariser–Parr–Pople-elmélet volt, amely lényegében csak egyetlen elektront kezelt atomonként. Az 1950-es években sikeresen alkalmazták az aromás szénhidrogének p-elektronjaira. Nagyon egyszerû elmélet volt, és akkoriban számítógépek nélkül is használhatták. De igaza van, az általános célom mindig is az volt, hogy elméleteket és hozzájuk tartozó számítógépes eljárásokat dolgozzak ki, amelyek széles körben alkalmazhatók, és annyi kémiai tulajdonságot világítanak meg, amennyit csak lehet. Nagyon sikeres módszernek bizonyult, s rengeteget segített az elektronikus számítástechnika óriási fejlôdése.

HI: Számított rá?

JP: Arra nem számítottam, hogy ilyen méreteket ölt, de arra azért gondoltam, hogy bekövetkezik. Elektronikus számítógépeket már az 1940-es években is készítettek, de ezek nagyon keveset tudtak. Ahhoz, hogy kiszámítsuk, mennyi kettô meg kettô, be kellett táplálni, hogy kettô meg kettô, aztán át kellett konfigurálni a számítópet, meg kellett nyomni egy gombot, és megkaptuk, hogy négy.

HI: Hol érzi ma, hogy a számítógép korlátozást jelent?

JP: Mindig vannak korlátok. Mindig többet akarunk. Elôfordul, hogy a programok túl sokáig futnak, túl sok helyet és memóriát igényelnek, de ezek a korlátok gyorsan változnak.

HI: Mikor és miért költözött az Egyesült Államokba?
 

Fotó © Hargittai István

JP: Angliában kezdtem el kutatni. Egyetemi éveim után Lennard-Jones irányításával dolgoztam 1948-tól. Angliában 1964-ig voltam különféle állásokban. Cambridge-ben a matematika tanszéken voltam, és nem kémiát tanítottam, hanem matematikát. Matematikából szereztem diplomát. Ez hagyomány Cambridge-ben. Az emberek elôbb matematikával foglalkoznak, aztán elméleti tudománnyal. Isaac Newton óta így szokás. A legismertebb cammbridge-i fizikusok közül sokan, mint például Dirac is, matematikaprofesszorok voltak. Én adjunktusként dolgoztam. Aztán 1958 és 1964 között a National Physical Laboratory munkatársa voltam, ez az amerikai National Bureau of Standards angol megfelelôje. A Carnegie-Mellon Egyetemre kémiaprofesszorként mentem át 1964-ben. Részben azért költöztem ide, mert Amerikában sokkal nagyobb érdeklôdés övezte a számítógépes tudományt, mint Angliában. Amikor 1955-ben, 30 éves koromban legelôször jártam az Egyesült Államokban, még egyetlen angliai kémia tanszéken sem tartottam elôadást. Elméleti kémiai csoportoknak tartottam szemináriumot, de elôadást soha. Amerikában több egyetemet meglátogatottam, például az UCLA-t (Kaliforniai Egyetem, Los Angeles) és a Chicagói Egyetemet. Igen figyelemreméltónak tartottam, hogy egy-egy alkalommal száz ember is eljött meghallgatni. Az elméletek kidolgozásához akkor Amerika volt a legjobb terep.

HI: Sok támogatásra volt szüksége?

JP: Nem, csak alapvetô számítógépes felszerelésre és néhány diákra. A National Science Foundation megadta a támogatást. Nagyon nagy szerencsém volt azokkal hallgatókkal, akik eljöttek hozzám dolgozni.

HI: Mennyire vett részt a "Gaussian" programok kidolgozásában?

JP: Az eredeti ab initio program neve Gaussian 70 volt. A Gaussian projektet én indítottam el (1968-ban), a programok késôbb kereskedelmi termékek lettek. A céggel azonban 1992 óta nem állok kapcsolatban. Most nem szeretnék többet mondani errôl a projektrôl.

HI: Sok díjat, kitüntetést kapott. Megtenné, hogy kiválaszt egyet közülük?

JP: Amikor Cambridge-ben voltam egyetemi hallgató, elnyertem a Smith-díjat. Ez igen régi, XVIII. századi kitüntetés. A matematika szakos hallgatók között nagy elismerésnek örvend. Az utolsó pedig az 1992-es izraeli Wolf-díj. Nagyon rangos kitüntetés, kellemesen érintett. Olyan, mint a Nobel-díj, különbözô területeken adják. Szélesebb körû is, mint a Nobel-díj, mert mûvészeknek is odaítélik.

HI: Mi ösztönözte gyerekkorában, hogy ezt a pályát válassza?

JP: Azt hiszem, matemematikai érdeklôdésû gyerek voltam; 12 éves koromban kutatási programba kezdtem. Érdekeltek a permutációk, bár akkor még nem ismertem ezt a kifejezést. Elkezdtem táblázatba foglalni az N faktoriálisokat, de mindent megtartottam magamnak; 12 éves korában az ember nem akar tudósnak látszani. Késôbb, a középiskolában volt néhány kiváló tanárom.

HI: Milyen volt a családi háttere?

JP: Nem voltak tudósok a családomban; az apám ruhaüzletet nyitott Nyugat-Angliában, egy Burnham nevû kisvárosban, Bristoltól körülbelül 50 km-re. Bristolban jártam középiskolába, ez volt a legjobb a környéken, és innen kerültem Cambridge-be.

HI: Hogy érezte magát középosztálybeliként Cambridge-ben?

JP: Ösztöndíj-szerzôdéssel mindig lehetett Cambridge-be vagy Oxfordba menni. Versenyeztem az ösztöndíjért, vizsgát tettem a Trinity College-ben, és a College ösztöndíjasa lettem. Ez nagyon régi tradíció. Bárhonnan származik is az ember, ha megfelelt a vizsgán, cambridge-i ösztöndíjas lehet, és ez privilégiumokat is ad az egyetemen. Így bármilyen háttérrel lehet diplomát szerezni. Angliában ez is hozzájárul ahhoz, hogy a társadalomban ne érvényesüljön tökéletesen a "kasztrendszer". Vannak, akik azért mennek Oxfordba vagy Cambridge-be, mert ezt várják el tôlük, vagy mert a szüleik felsô osztálybeliek, de a többiek ösztöndíjasok, és privilégiumokat élveznek. A kápolnában például az ösztöndíjasok (Scholars) ülnek a kitüntetett helyeken, a "közemberek" (Commoners) lent kapnak helyet.

HI: Kik hatottak Önre a leginkább?

JP: A tanulmányaimat irányító Lennard-Jonestól rengeteg ösztönzést kaptam, és nagyon sokat segített, amikor kémiával kezdtem foglalkozni.

HI: Mit mondana a családjáról?

JP: A feleségem zongoratanár, már nyugdíjas. Akkor talákoztunk, amikor Cambridge-ben tanultam. Négy gyerekünk van, egyik sem ment tudományos pályára. Hárman Angliában születtek, egy született itt. Egyikük Írországban él, a többiek az Egyesült Államokban.

HI: Mikor költözött Evastonba?

JP: 1981-ben Chicagóba költöztünk, mert a lányunk ott lakik. Ezért egy darabig ingáztam Pittsburghbe. Aztán nyugdíjba mentem a Carnegie-Mellonról, és elvállaltam egy félállású professzori megbízást a Northwesterni Egyetemen. Most a közelben lakunk.

HI: Van hobbyja?

JP: Szeretem a klasszikus zenét.

HI: 1952-ben elindított egy programot, amely mára, néhány évtized elteltével kiteljesedett. Lát-e olyan embereket ma a fiatal generáció tagjai között, akik ilyen hosszú távú programba kezdenek?

JP: Nagy szerencsém volt, hogy a legjobbkor voltam a legjobb helyen, és az elektronikus számítógépek mindent lehetôvé tettek. Mások is elôálltak merész tervekkel, például azok, akik számítógépes logikákat fejlesztettek és kidolgozták az egész számítógépes tudományt. De azt nehéz megmondani, hogy ma belefog-e valaki ilyen nagyságrendû vállalkozásba. Lehetséges. Talán vannak, akik például az emberi tudatot szeretnék megérteni.