[转]1984，中国科学的寒冬——国产量子化学程序覆灭记(2)
条纹海豚
Mon, 20 Apr 2009 18:22:32 +0000
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Hückel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——Xα程序。
3.1 国防科技大学赵伊君和张志杰编写的Xα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Xα理论中交换参数值，国防科技大学学报，03，21，1979。
赵伊君，用Xα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Xα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-Xα程序。
参考文献：
于微舟，刘永振，张明瑜，冯果忱，江元生，SCF-SW-Xα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。
附件2. 一段心酸的经历
http://wujike.blog.hexun.com/14356800_d.html
武际可（北京大学退休教授）
那是1973年秋，北京大学力学系已经奉命迁往汉中四年了。那时虽然已经招进了两届“工农兵”学员，但日常活动却是早上“天天读”毛著，然后是劳动，有时还会有学军“拉练”。教学虽然很难组织，但由于工农兵学员教学所需要的知识起点并不高，所以总的来说，并不需要费多少脑筋。作为知识分子的教员，主要任务仍是思想改造，接受再教育。
有一天，从北京总校传来消息说电力部有一项任务，说是在设计大型冷却塔方面遇到了困难，要请力学系教员帮忙解决。由于从59年开始我一直是在力学系教结构力学和薄壳理论，而这项任务大致是和薄壳的强度有关的，于是系里派了我和另外一位教员到北京洽谈这项任务。
到北京一了解，才知道这是一项有相当难度的任务。原来发电厂的大型发电机需要大量的冷水去冷却。冷却水的需要量非常之大。比方说，每十万千瓦就需要每秒 3立方米 的水去冷却。例如北京市用电是数百万千瓦，需要的水每秒是以百立方米来计。北京附近最大的河永定河，平均流量才每秒 22立方米 ，何况有时候还会断流。我们没有那许多水，就需要用循环水。即把水冷却后再使用。这就要建造相当大的冷却塔。具体说建造一座百多米高、直径也有百多米的大型薄壳结构，把冷却电机后的热水从大约10多米高处淋下来，热水加热了空气，热空气上升带走了热量，水就被冷却了。冷却后的水再去冷却发电机。而这样高大的冷却塔最薄处厚度不超过 20公分 。这就要仔细分析它的受力。
恰好1969年，英国渡桥电厂的8座大型冷却塔，在大约8级风的情况下被刮倒了三座而造成大的停电事故。而在此之前，我国设计的冷却塔都是小塔，大约不超过 60米 高。新的电厂需要更大的塔，设计人员心中没有底，就要求北大力学系帮忙解决。
我们觉得当时教员有多年没有接触过业务了，便把任务接了下来。这项任务内容很多，包括风作用在冷却塔上的风压分布，这就要进行冷却塔模型的风洞实验，要加工实验模型，还要根据所给的实际凤载温度分布计算冷却塔上的应力与位移分布，要编制计算机通用程序来完成计算。为了验证所采用的力学模型和计算结果的合理性还要进行弹性模型的应力测量。最后还要对冷却塔进行抗震的校核，这又要编制分析冷却塔在地震下动力响应的程序。等等。虽然任务有相当的难度，所需投入的人力物力也可观。那时我们接受再教育很有成效，只向对方核算了风洞吹风所需的电费、模型加工费、计算机机时费和少量的出差费，总共要求对方投入25万元。而知识分子的人工费一点也没有计入。因为那时领导不断提倡共产主义风格，一方有难要八方支援。再一说，在当时知识分子的劳动也是不值钱的，在汉中分校几年中，大部分时间是在修护坡、种地和学军拉练中度过的。我们当时心里的想法是把教员们组织起来做这件事，帮助教员们重温好几年没有摸的已经荒疏了的业务，又解决国家建设中的急迫问题，总比天天做体力劳动更有意义些。
任务接下来之后，先后组织投入了20多名教员和实验员进行紧张的工作。其中风压的任务是由孙天风教授领导的课题组来完成，我和王大钧、庄业高、袁明武、曲圣年则负责薄壳应力分析，要编两个计算薄壳应力的通用程序，一个静力分析一个动力分析。工作一开始，困难接踵而来。就拿应力分析来说，当时有限元方法刚传入中国，美国人当时用来分析冷却塔应力的计算机是IBM-375，它的内存是 256M ，而我们当时能够使用的计算机是国产机DJS-21，内存只有8K，运算速度也要慢一两个数量级，而且汉中还没有机器，只能出差到北京上机。
计算机小和物质上的一些困难还是次要的，我们对克服这些困难是有自信的。凭着早年在北大学习所打下的厚基础，和我们对这项任务的责任心，我们硬是一个一个内存算计，能用一个决不用两个。对程序的长度也一条一条地抠，能一条的决不用两条。而最大的困难还是来自当时汉中分校的负责人（包括军宣队和工宣队的负责人），他们随时给你扣上这样那样的帽子。到北京查资料或上机了，说你不安心三线建设，甚至是破坏三线建设，为了技术问题需要加班加点了，说你业务冲击政治、搞唯生产力论，不一而足。为了要你安心三线建设，他们援引当年上海交通大学向西安搬迁时的先例，凡是提出要回上海的人一律劃了右派。在这种压力和挨批的情形下，连到北京上机经常需要利用一年中两周的探亲假时间，我本人也是心灰意冷，想洗手不干。好在王大钧性情比较好，他有耐心，而且在各种风言风语的条件下还能够专心工作，在他的感动下整个任务克服了各种困难，经过一年多的努力总算完成了。到1975年，经过反复考核的静动力分析程序总算都可以投入工程设计应用了。
程序计算的精度是令人满意的。与国外同类程序相比，他们要么漏掉固有振型，要么在某些点上结果是不对的。而我们的程序计算结果，曾经与一些精确解比较，前四位有效数字完全相同。
运用以上两个程序我们对大量算例进行了分析对比，从而为冷却塔设计给出了一些新的概念：
（1）建议抛弃以往塔厚从基部开始沿高程指数变化减小厚度的方案，改为基本上等厚的方案，仅在基部附近厚度增大而且线性过渡。这样做，不仅对塔体应力分布有利，而且减少了施工的复杂化。
（2）在大部分情况下，塔高不超过 90米 时，风载是主要的控制载荷。
（3）在能抵御风载引起的内力以及能经受风载下稳定性考验的条件下，壳体的厚度应当尽量小，以使减小由于壳内外壁温差引起的温度应力。
接下来，一个严重的困难是如何说服设计人员放心地使用我们的研究结果。我们的程序虽好，但当时一些设计人员并不理解，特别是处在负责岗位的设计人员，他们知道设计安全与否干系重大，并不接受我们的研究成果。理由是，第一，“我们原来委托你们是要求一个冷却塔的专用程序，而你们交来的却是一个旋转壳静动力分析的通用程序”，而对旋转壳的一般理论他们又是不熟悉的所以不会用；第二，我们程序分析结果配用钢筋量比他们以往设计经验的配筋量要少，所以不敢用。
就在设计人员对我们的研究这种犹豫状态下， 1976年7月27日 发生了唐山大地震。这次地震帮我们说服了设计人员，取得了他们的信任。原来在唐山有一座 60米 高的冷却塔，在事前我们分析过，它当时的设计可以经受11度烈度的地震。唐山地震后发现它在当地11度烈度的地震下塔筒完好无损。
这时，汉中分校的负责人也开始认为这是一项成果了，在他们向人民日报发的消息中说，这项成果是在“批邓”提高了觉悟才能够取得的。其实，我们心里都明白，这完全是一片鬼话。“破坏三线建设”和“批邓提高了觉悟”，由他们反过来正过来随便说。
大约从1976年之后我们的研究成果在电力部的设计人员中就逐渐建立起信誉。从山东辛店电厂第一座 90米 高的冷却塔，一直到后来数百座超过 100米 的大塔都是依靠我们的程序做应力分析来设计的。
1978年我们把我们的研究结果结集为一本书《旋转壳的应力分析》由水利电力出版社出版。书后并且把静动力分析的源程序也公布了。随后为电力部办了两期短训班系统讲解冷却塔的载荷与应力分析。之后我们还对冷却塔的稳定性分析、地基和斜支柱的应力分析相继进行了研究。按理说，这些结果完全能够满足我国电力工业的大型冷却塔的设计了。
不过事情的发展往往是我们这些做具体研究工作的人所难以预料的。对于改革开放政策特别是其中的“开放”本来就有两种不同的理解。一种理解是吸收国外的好经验和先进技术，另一种是打开国门出去公费旅游，或者是认为外国的一切都比中国的好，只要是外国的即使用高价也应当“引进”。而后一种往往打着前一种的旗号，使人难于分辨。
果然，1984年电力部的部分设计人员向上打报告要求引进欧洲专门从事冷却塔设计和施工的哈蒙公司的冷却塔分析程序。共需经费为360万美元。尽管电力部有不少设计人员反对，最后还是批准了。几个人到欧洲接受几个月的培训后带回一个程序。程序还缺少理论文本。随程序来了一位比利时培训专家。在与这位专家见面的会上我提了几个问题，结果令我大失所望。原来这位“专家”只会程序的操作，对其中的原理一概不知。问他，才知道他们公司是请德国鲁尔大学的教授帮助开发的。鲁尔大学在此以前一直和我们保持着学术交流。他们在薄壳和计算力学方面的工作我们是清楚的。所以我便不再参与他们的任何活动了。后来了解到，经过对哈蒙公司的程序一年的消化后，他们向部里有关部门打报告说，哈蒙公司程序分析的结果和北大程序的分析结果大致一样。其实应当说，北大程序能够分析的许多冷却塔的关键问题哈蒙程序并不能分析，或者结果是错的。例如稳定性、大开口、支柱应力、环梁应力等等。
我退休有年了，想起当年为了完成冷却塔的研究，受苦、费脑筋、挨批，都没有气馁和中断。但想起在已经有很好的研究结果的条件下，国家还花重金从国外引进一个毫无用处的程序，不免有点令人心酸。这一切说明，在一些有权的人看来，我们的智慧和劳动是可有可无的。也不免联想到我的同班同学王选说过的一句话：“中国的知识分子是价廉物美的。”的确，就拿冷却塔的研究来说，25万人民币包括程序、风压曲线和弹性模型的实验验证等等。而哈蒙的仅程序和少量施工机具是360万美元。不管有没有我们的研究，他们都是会去花大钱买洋人的程序的。
“一分价钱一分货”，价廉了，会认为你必定是次货。其实，人的价值既然是低人一等，处于“老九”的位置，他的劳动也是不会被尊重的。高尔基说的好，尊重人就在于尊重他的劳动。
若干年前，有人对我说，就你们得到的这项成果，要在国外，早就都是百万富翁了。我想，这不过是说着玩而已。当年和现在我们都从没有通过我们的研究来发财的打算。我们所以那样认真教书和研究，是从我们的老师那里继承来的为人师表的传统行业道德。其实，就是在国外，在世界各国，凡是立志投身于教育事业的人，也都并不想发财。首先想的是把学生教好。
王选也说过“价廉了，物也就不会一直美下去”。这种价廉，首先是 说明劳动没有被尊重；其次才是知识分子的劳动不值钱，待遇过低，生活上有后顾之忧。所以也难怪有那么多的年轻人，要么下海经商离开教育行业，要么出去走上了不归路。