第一性原理计算

如果你想预测一道全新的菜会是什么味道，你可以从过去吃过的饭菜去猜，也可以从食材本身的化学性质一步步推理出来。第一性原理计算对材料采取的是第二种做法：它只从物理学的基本定律出发去推算一种物质如何表现，而不偷偷塞进对这种材料的测量来让答案“凑对”。

人们常用的拉丁短语是“ab initio”，意思是“从头开始”。人们只输入材料由什么构成——是哪些原子，连同它们已知的电荷和质量——然后让支配电子与原子核的基本量子规则去完成其余的一切，在计算机所能做到的范围内尽量忠实地求解它们。密度泛函理论是这类计算最常用的“引擎”，但其界定性的精神是一致的：不暗中调任何参数去迎合正在研究的那种材料。

它之所以重要，是因为这样的计算能够预测那些从未被制造出来、或太危险太昂贵而无法测试的材料的性质，让理论拥有真正的预测“牙齿”，而不只是事后的曲线拟合。诚实的提醒是：“第一性原理”在一定程度上是一种理想：真实的计算为了能算得动，仍然要依靠近似，而且它们假设的是理想化的完美晶体，因此可能被真实样品中的缺陷、杂质和杂乱所误导。