آیا می‌توان ساختار مولکولی را از اصول مکانیک کوانتومی استخراج کرد، بی‌آنکه آن را از ابتدا فرض بگیریم؟

شرح دقیق مسئله

ساختار مولکولی یکی از پایه‌ای‌ترین مفاهیم شیمی است. ما مولکول را با آرایش فضایی هسته‌ها، طول و زاویه‌ی پیوندها، تقارن و پیکربندی فضایی آن توصیف می‌کنیم. در شیمی کوانتومی، برای محاسبه‌ی بسیاری از خواص مولکول، معمولاً ابتدا آرایش هسته‌ها مشخص می‌شود و سپس رفتار الکترون‌ها محاسبه می‌شود. این روش، که با تقریب بورن–اوپنهایمر ارتباط دارد، در طیف وسیعی از مسائل موفق است؛ اما یک پرسش بنیادی باقی می‌ماند: اگر از یک توصیف کوانتومی کامل‌تر از الکترون‌ها و هسته‌ها آغاز کنیم، چگونه باید به ساختار هندسی مشخصی برسیم که در آزمایش مشاهده می‌کنیم؟ مسئله در مولکول‌هایی که چند ساختار نزدیک به هم دارند دشوارتر می‌شود. حالت کوانتومی ممکن است سهمی از چند آرایش هسته‌ای داشته باشد، درحالی‌که آزمایش ساختاری مشخص یا توزیعی محدود از ساختارها را نشان می‌دهد. بنابراین باید روشن شود که ساختار مولکولی چگونه از دینامیک کوانتومی، شرایط محیطی و فرایند اندازه‌گیری حاصل می‌شود. این پرسش با مسئله‌ی اندازه‌گیری در مکانیک کوانتومی نیز ارتباط دارد، اما نباید آن را صرفاً به یک مسئله‌ی تفسیری فروکاست؛ بخش مهم آن، ساخت مدل‌هایی با پیش‌بینی‌های تجربی قابل‌تمایز است. پاسخ به این پرسش می‌تواند روشن کند که ساختار مولکولی تا چه اندازه مستقیماً از اصول بنیادی قابل استخراج است و چه بخش‌هایی از توصیف آن به مفاهیم مؤثر و تقریب‌های شیمیایی وابسته‌اند. این مسئله برای تعیین حدود اعتبار شیمی کوانتومی و توسعه‌ی روش‌های پیش‌بینی ساختار اهمیت دارد. اهداف پژوهشی هدف نخست، صورت‌بندی دقیق رابطه‌ی حالت کوانتومی و ساختار مشاهده‌شده است. سپس باید نقش واهمدوسی محیطی، حرکت کوانتومی هسته‌ها و شرایط اندازه‌گیری بررسی شود. در نهایت، لازم است روش‌هایی توسعه یابند که بتوانند ساختار یا توزیع ساختارها را با اتکای کمتر به فرض‌های اولیه بازسازی کنند و نتایج آن‌ها با اندازه‌گیری‌های مستقل مقایسه شود.