1920'lerde yaşanılan fiziğin altın yıllarının, kimya bilimini de büyük ölçüde etkilemesi beklenen bir gelişme olmasına rağmen, bu etkileşmenin yaygınlaşması oldukça zaman almıştır. Atomların ve moleküllerin dünyasında klasik Newton mekaniğinin yerine kuantum mekaniğinin geçerli olduğunun anlaşılması, başlangıçta açıkçası kimyacılar arasında fazla yankı yaratmadı. Bunun temelinde yepyeni bir dünya görüşüne gösterilen dirençten daha çok, moleküler problemlere uygulamada ortaya çıkan sorunlar yatmaktaydı. Kuantum mekaniğinin ilk çözdüğü atomik problem Hidrojen atomu veya onun gibi bir çekirdek ve bir elektrondan oluşan iyonların (örneğin He+, Li2+, Be3+ gibi) tayfının açıklanması oldu. Bu atomların sadece belirli dalga boylarındaki ışığı soğurabilmelerini bir türlü açıklayamayan bilim adamları deneme yanılma yöntemi ile buldukları bazı formüller ile bu soğurulabilen ışıkların enerjilerini hesaplayabiliyorlardı. Kuantum mekaniğinin bu problemi çözmedeki başarısı, insanları hemen hemen bu ölçüde zor olan başka bir probleme yöneltti. En küçük moleküllerden biri olan H-H (H2) son derece kararlı bir yapı oluşturduğu halde, buna benzer olan He2 hiçbir deneyde gözlenememekteydi. Bu yapıdaki farklılıkları doğru olarak belirleyen yine kuantum mekaniği oldu; aslında bu iki molekül için de kuantum mekaniğinin temel denklemlerine çözüm bulunamamakta ise de bazı matematiksel yaklaşımlarla nitel olarak doğru sonuçlar elde edilebilmektedir. Bununla beraber kimyacıların esas ilgi alanı olan çok atomlu moleküllerde hesap yapabilmek için epeyce bir süre beklemek gerekti. Bu alanda ilk örnekleri, kuantum mekaniğinin temellerinin atılmasından aşağı yukarı 25 sene sonra bir alman bilim adamı olan Hückel'in çalışmalarında görüyoruz. Hückel ilk yapıtlarında karbon ve hidrojenden oluşan bazı organik moleküllerin (biz bunlara aromatik moleküller diyoruz) kararlılıklarını incelemişti.

Bir kimyacıyı ilgilendiren en temel sorular, maddelerin kararlılıklarının açıklanmasına yönelik olanlardır. Neden bazı moleküller doğada tabii halde bulunmaktayken bazılarının yapılabilmesi için çok uzun ve güç işlemler gerekiyor? Bir tepkimeyi gerçekleştirebilmek için hangi koşullara gerek vardır? Bu tarz sorulara teorik yöntemlerle yanıt verebilmek çok kişinin rüyası. Belki bu noktada parantez açıp kimya ile fizik arasındaki sınırdan veya arakesit bölgeden bahsetmek gerekir. Aslında günümüzde kimyanın nerede bittiğinin ve fiziğin nerede başladığının belirlenmesi pek kolay değil. Bu ortak kesit bölgede araştırma yapan bilim adamları kimya veya fizik eğitimi görmüş olabilecekleri gibi biraz da yaşadıkları ülke koşulları ve geleneklerine bağlı olarak kimya veya fizik bölümlerinde çalışabilirler. Kimyasal fizik olarak da adlandırılan bu sahanın birincil amacı atomlar veya moleküller düzeyindeki olayların deneysel veya teorik yöntemlerle incelenmesidir. Kimyasal fiziğin doğuşu ve moleküler yapıdan makro özelliklerin çıkarılabileceğinin gösterilmesi ile, klasik kimyada yeni bir çığır açıldı.

Hückel'in yaptıklarından sonra, kuantum kimyasının yoğun olarak ortaya çıkışı 1950'lerin başlarına rastlar. İki atomlu moleküllerin neden bir kısmının kararlı (örneğin H2, N2 veya F2), He2 gibi diğerlerinin kararsız olduğunu anlamaya yönelik çalışmalar, kuantum mekaniğinin temel denklemi olan Schrödinger denkleminin moleküllerdeki çözümü için değişik matematiksel yöntemlerin geliştirilmesi gerektiğini gösterdi. Schrödinger denklemi, atomların ve moleküllerin yapılarını tanımlayan bir dalga denklemi olup, sadece bazı model sistemlerde tam olarak çözülebilmektedir. Kimyasal problemler içerisinde yalnız hidrojen atomu için çözüm bulunabilmektedir ve bu çözüm de rölativistik etkileşimlerin olmadığı bir ortam içindir. Çok basit atomlarda bile sorun çıkaran bu denklem molekül büyüdükçe çok daha karmaşık bir hale bürünmektedir. Örnek olarak oldukça küçük bir molekül olan benzeni (C6H6) ele alalım. Kuantum kimyasının büyük bir bölümünde, çekirdeğin içinde geçen olaylarla ilgilenilmez. Çekirdek içi parçacıkların arasındaki etkileşmeler, yapıları ve kararlılıkları kimyasal reaksiyonların gerçekleştiği enerji bölgesinin çok dışında kaldığı için, moleküler kimyacılar için çekirdek, ağırlığı olan ve belirli bir elektrik yük taşıyan bir nokta parçacıktır. O zaman bu molekülün içinde 12 adet çekirdek ve 42 de (her karbon için 6 ve her hidrojen için 1 olmak üzere) elektrondan oluşan 54 temel parçacık bulunur. Benzen molekülünün hareketini açıklamak için de, her parçacığa ait 3 koordinat gerekeceğinden toplam 3x54=162 boyutlu bir kısmi diferansiyel denklemin sonuçlarını bulmak durumundayız. Bu problemin çözümlerinin (bulunabilselerdi) sıfır basınçta ve sıcaklıkta ve herhangi bir dış etkenin (çözücü veya diğer benzen moleküllerinin veya herhangi bir elektromanyetik alanın) olmadığı durumları açıklayacağını ve bu hallerde bile elde edilen sonuçların zamana bağlı değişimleri açıklamak için yeterli olmayacağını söylemek, belki de kimyacıların uzun süre bu yeni teorilere pek sempatik bakmamalarını açıklayabilir. Bununla beraber bilim adamlarının temel olayları anlamak konusunda gösterdiği inatçılık, bu son derece karmaşık gözüken problem içerisinde önemli olan noktaları yakalamamızı ve bunlardan elde edilen bilgiler ışığında sonuca adım adım ulaşmamızı sağladı.

Kimyasal fiziğin bugünkü konumuna gelmesinde iki önemli unsur vardır ki, bunlar olmasaydı hala atom veya molekül içi olaylar ile makro düzeydeki kimya arasındaki bağlantıyı bulamamış olacaktık. Bu unsurlar lazer ve bilgisayar teknolojilerindeki, hemen hemen hiçbir teknolojik alanda benzerine rastlanmayan hızlı gelişmelerdir. Bundan 10-15 sene öncesinde süper güçte olduğu düşünülen lazerler 1 Gigawatt (109 watt) civarında iken, bugün 1018 watt'lık lazerlerin tartışıldığı bir ortamdayız. 1980'lere göre bir milyar kere daha kuvvetli olan yoğun ışın demetlerinin kullanılması ile daha önceden gerçekleştirilemeyen pek çok deney yapılmakta ve atomların, moleküllerin veya kümelerin (cluster) yapısı hakkında oldukça duyarlı yeni bilgiler elde etmekteyiz. Kimyasal fizik, deney ile teorinin birbirini hem desteklediği ve hem de birbirlerine öncülük ettiği alanlardan biridir. Bu deneysel sonuçlar teorisyenleri gittikçe daha etkili yöntemler bulmaya doğru adeta zorlamaktadır.

Sayısal güçlükler teorisyenlerin karşısındaki en önemli engel olmuştur. Bununla beraber teknolojideki ikinci büyük gelişme olarak gösterdiğimiz bilgisayarlardaki gelişme ise son derece ilginç bir alanı ortaya çıkarmıştır ki bunlara sayısal deneyler demekteyiz. Sayısal deney adı, üzerinde durulan problemlerin ancak bilgisayarlar yardımıyla çözülebilecek karmaşıklıkta olmasından kaynaklanıyor. Önce bilgisayar teknolojisindeki gelişmeyi kısaca özetleyelim. 1960'lı yıllarda 32-48 Kb (bugün cepte taşınan elektronik telefon rehberlerinin en ucuzları bu kapasitededir) civarında bellekleri olan ve hızları şimdiki terminolojide kullandığımız birimlerle ifade edilemeyecek kadar yavaş olan bilgisayarlardan, 1970'lerde 1 MB belleklere, 1980'lerde 10 MB bellek ve 1Mflop (saniyede bir milyon işlem) hızları ve 1990'larda ise 1 GB bellek ve 1-10 Gflop hızlara ulaşıldı. Bu senelerde ise Terrabyte ve Terraflop (1012) hızlar söz konusu. Masaüstüne koyabileceğiniz bir iş istasyonu ile rahatlıklar 100 Mflop gücünde bir bilgisayarınız olabilir. Bu gelişmelerin sonucu şu oldu: Bugün bundan on sene önce çözdüğünüz bir problemden yüz milyon defa daha karmaşık bir problemi çözebilirsiniz. Teknolojinin bu olanakları ile silahlanan bilim adamları, önceden çözülebileceği hayal bile edilemeyen problemlere el atabilmektedir.

Her ne kadar Schrödinger denkleminin sadece hidrojen atomu için (veya bazı model problemler) çözüldüğünün söylediysek de, yaklaşık çözümlerinden hiç bahsetmedik. 1950'lerden itibaren moleküler sistemlerde kuantum kimyasal hesapları yaklaşık olarak yapmanın mümkün olduğu ve bu hesaplarla da önemli bazı deneysel bulguların desteklenebileceği bilinmekte idi. Doğal olarak her yeni nesil bilgisayar, daha doğru yaklaşık yöntemlere yol açtı. Bu yöntemlerle kimyacılar artık şu problemlere çözüm getirebiliyorlar: Bir molekülün şekli nedir? Bir dizi molekül içerisinde en kararlı olanı hangisidir? Birkaç değişik reaksiyon mekanizmasından hangisi en olası olanıdır? Molekül içerisindeki yük dağılımı nedir? Molekülün içindeki bazı atomların veya grupların titreşim veya dönme gibi hareketleri ne kadar kolaydır? Hangi bağlar daha kuvvetlidir veya hangilerini en kolay kırabiliriz? Bütün bu sorulara hidrojen molekülü gibi küçük sistemlerden, proteinler veya polimerler gibi çok büyük moleküllere kadar uzanan bir spektrumda değişik duyarlılıkta cevaplar vermek olası. Tabii molekül büyüdükçe ya hesap zamanı ya da kullanılan yaklaşık yöntemlerdeki hatalar artacak. Örneğin 2-3 atomlu bir molekülün dönme seviyeleri gibi çok küçük enerjileri (mikrodalga boyutunda) hesaplamak mümkün olduğu halde, bir proteinin sadece en kararlı geometrik yapısını bulabiliyoruz. Çözüm teknikleri olarak ise kullandığımız üç ana yöntem var: Kuantum kimyasal hesapların sonuçlarını dolaylı olarak içeren klasik mekanik yöntemler kullanmak, kuantum kimyasal denklemleri yarı-deneysel olarak adlandırılan değiştirilmiş şekilleriyle çözmek ve son olarak da sadece matematiksel bazı yaklaştırmalar kullanarak çözümler aramak (bunlara ab-initio deniyor, Latince doğrudan, başlangıçtan anlamında). Doğal olarak bu üç yöntemin ortaya çıkarıldığı bilgilerin sağlıklılığı ve gerektirdiği bilgisayar zamanı birbiriyle orantılı. Örneğin bir su molekülünün hesabı ilk yöntemde bir saniyeden çok daha az bir zamanda gerçekleştiriliyorsa, aynı bilgisayarda yarı-deneysel bir hesap 3-5 saniyede biter ama ab-initio olanı, kullanılan yaklaşıma bağlı olarak 1 dakikadan 24 saate kadar değişebilir. Bu son verilen örnek milyarlarca integralin hesabını, bilgisayarda etkin olarak saklanmasını ve milyonlar boyutundaki matrisler üzerinden işlem yapılmasını gerektirmektedir. Tabii böyle işlemlerden sonra bulunan sonuçların doğruluğu da bir saniyelik hesaplardan farklı olmakta. Bütün bu güçlüklere rağmen sonucu bulduğunuz zaman bile işler bitmiyor. Hala çözüm bekleyen çok önemli sorular var. Bunlardan bir tanesi çözücü etkileri. Kuantum kimyasının temel yaklaşım yöntemleri gaz fazındaki moleküllere uygulanmakta. Buna karşın kimyasal olayların büyük bir çoğunluğu çözücü içerisinde gerçekleşiyor. Bu soruya henüz pratik bir çözüm getirilebilmiş değil, her ne kadar simülasyonlar yavaş yavaş bazı bilgileri ortaya çıkarmaya başlamış olsa da. İkinci bir problem de kimyasal olaylarda zaman faktörü. Biraz önce değinilen bütün sorular statik yapıda, yani sadece enerji ve türevlerinin özellikleri ile açıklanabilir nitelikte. Halbuki bir kimyasal olayın gerçekleşmesi için geçen zaman son derece önemli bir faktör. Bu tarz dinamik hesaplar henüz sadece çok küçük moleküller ve çok kısa süreler için yapılmakta, eğer büyük bir molekülün dinamiğini veya uzun süreli bir olayı anlamak istiyorsanız gene klasik mekanik yöntemlere dönmek zorundasınız. Bu temel soruların yanında, kullanılan yöntemleri daha sağlıklı hale getirmek için insanlar büyük bir uğraş vermekte.

Gözüken o ki, gelişen teknolojiler kuantum kimyasının araçlarını gittikçe daha karmaşık sistemlere yöneltmekte. Şimdiye kadar temel soruları çözmekte kullanılan bu araçlarla, daha pratik sorunların tartışıldığı sahalara geçmek ve biyokimya, polimer, sıvı kristaller, ilaçlar, yeni malzemeler gibi sahalarda teorik ("sayısal") olarak yeni bilgiler sunmak olası gözükmektedir.