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你可能想不到,钱学森是个化学家 | 王鸿飞

2021年02月14日 18:57:00 浏览:53282次 来源:格致论道讲坛 供稿
      “化学里面很重要的一部分是合成,我们的所有的材料、药物,我们生活里面用到的所有的东西,都跟化学有关。”


王鸿飞

复旦大学化学系

       大家好,我今天要讲的题目是钱学森是个化学家

       这个题目大家听起来可能会觉得有点意外,因为确实很少有人这么讲。

       但是我想结束时也许你们会明白我为什么这么讲,因为我觉得这是非常重要的一件事。

       它关系到我们对基础科学之间关系的认识、现代科学和现代的高技术之间的关系,以及我们中国未来发展的一些事情,当然这是我个人的观点。

       大家都知道钱学森是著名的力学家,是我们中国的火箭和导弹之父、“两弹一星”功勋科学家。



       他不仅在中国做了这些重要的贡献,早年他在美国的时候,在美国的科学、飞行和导弹技术发展上面,也做了非常多的贡献。

       所以我现在要讲他是一个化学家,大家一定会觉得意外。

       但是大家也不应该觉得那么意外,因为我是一个化学家,钱学森先生是我上大学和研究生时的导师的导师,他一定跟化学是有足够的关系的。



       这张照片的是1964年左右钱学森,指导他的研究生马兴孝教授的照片,当时是在《光明日报》上面发表的。

       上面讲钱学森是中国科学技术大学化学物理系的教授,那么化学物理系是什么?你们可能也没听说过,因为中国科大的化学物理系,是中国唯一一个大学里面的化学物理系。

       如果我们要讲钱学森是个化学家,第一个问题就要说化学究竟是什么?大家可能对化学都有自己的理解,我对化学的理解非常简单,化学就是变化的科学。

 

       如果要去找中国古代的化学的话,中国古代的化学就是《易经》,《易经》就是变化的科学、变化的学问。

       实际上这里边的关系也还是非常正确的,为什么?

     《易经》里讲自然界的基本元素是什么?是金木水火土。

       它们组成的物质是什么性质,它们之间怎么相互作用、怎么变化,所以这是真正的化学,要研究变化,首先就要研究物质本身的性质。

       化学还要研究物质的组成、基本性质,以及它的变化,这就是化学。

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无处不在的化学现象

       化学的现象是到处都有的。

       我们经常看到科普的表演,表演燃烧、各种各样溶液变化的性质,这些是化学。

       另外这些东西也是化学,火箭里飞行燃烧的过程、原子弹爆炸的过程,这里面都涉及到非常多变化的事情,这些都是化学研究的内容。

       化学也是非常实用的技术。我们知道人类从古到今,有两个方面的追求是永远存在的,一个是追求财富,一个是追求健康。



       财富有关的要去炼金,跟健康有关就是要炼丹。

       我相信再过五千年,再过一万年,人类还是要做这两件事情,除非我们不再追求财富,也不再追求健康。

       我们现在的炼金术,比如像芯片的制造、药物的发现和生产,它们都是跟化学有关的、非常重要的应用。

       如果你要想去赚钱的话,就要去做这些事情,就要做炼金术或者是炼丹术,从古到今都是一样的。

       但是对化学的研究来讲,我们并不仅仅去研究这些宏观的现象,或者是一些应用的东西。我们是要从原子分子的层次上,去研究物质的性质,研究它的机理。

       左边这个图上面给大家讲的是,化学里面很重要的一部分是合成,我们的所有的材料、药物,生活里面用到的所有的东西,都跟化学有关。

       它们是合成化学的结果,我们要理解合成化学的过程,控制它的过程,控制合成东西的性质。

       我们需要对物质的化学结构、化学反应的程度,和化学反应的过程进行了解。

       在20世纪量子力学、统计力学和现代的实验方法发展起来之后,化学成为了一个非常广泛的、复杂又实用的东西,也是有着非常复杂的技术和理论的一门学科。

       如果我们要理解现在的化学家都在干什么,那么他们真正在做的化学研究实际上可以用三个M来表示。

       第一个M是Make,是合成制造;

       第二个是Measure
,是要做精确的测量,像我自己就是一个光谱学家,用光谱研究界面的分子结构和动力学。

       第三个事情是要做Model,要去计算,用理论来描述化学的现象,要计算化学物质的性质,要计算化学的过程。



       所以,把这三个M理解了之后,你就知道了化学家在干什么事情,不仅仅是像以前我们通常理解的一样,化学家都是在做一些瓶瓶罐罐的东西,把一些溶液、气体给混合起来,那是最基本的化学。

       现代的化学远远超出这些,所以化学不仅仅是瓶瓶罐罐的化学。

       这两张照片是我以前在国外的时候,我自己的实验室,这上面的用的都是激光器,用光学平台上面的超快激光来测量分子的性质。

       我们不仅要去测量这些性质,还要自己去构造这些仪器,发现它的原理,然后来做这些事情,所以很多现代的化学是这样做的。

 

       我在复旦大学的同事王凤燕教授,她为了研究一个这么简单的化学反应,即铝原子跟氧分子的反应。

       她要用到这样非常复杂的设备。要有复杂的真空设备、电子检测设备、计算机控制 CCD,还要有各种各样的信号处理和仪器控制的设备,来研究一个化学

       所以现代的很多化学的实验室里面,都是在做这些复杂的事情,那这些东西有什么用?

       大家想一想,这些技术都是现今真正的高技术所涉及到的东西,你要去做芯片,你要去做光学的控制,你要去做真空,你要去做纯的东西,所以这些东西都是跟这个有关系的。

       所以现代化学有很大一部分是在做这样的研究,它不仅仅停留在瓶瓶罐罐的层次上面。

       所以要是理解了现代化学,不仅仅是在瓶瓶罐罐的层面的时候,就可以在某种程度上理解为什么钱学森是一个化学家?

       他显然不是经典的、古代的那种做瓶瓶罐罐的化学家,他是做现代化学的化学家,而且,他是对中国现代的化学做出最大贡献的一个科学家。

       那么化学是什么?



       化学是要从原子和分子的层次来理解事情,像了不起的物理学家费曼教授,他也是钱学森当年在加州理工学院的教授。

       他比钱学森还要年轻,他在他最著名的《费曼物理学讲义》上面,他在这里面讲过一句非常重要的话:“什么是最重要的知识?如果由于某种灾难,人类所有的知识都没有了,只能留下一句话留给后代,那么什么是我们要告诉他们的最重要的科学知识。”

       他说,我们要告诉他们:物质是由原子组成的。

       其实他讲的还不够,物理学家们很多时候只看到原子,但实际上如果不告诉他们原子上面还有分子的话,那么人类不知道要花多少年才能去发现这些知识。

       所以跟化学有关的、原子和分子层次上的东西,是人类最重要的科学知识,那么钱学森在费曼之前,也是这么认识的。



       在1950年的时候,他在美国火箭协会的杂志上写了一篇文章,叫做《物理力学——一门新的工程科学》。

       他在文章的第一句话是:“物质是由原子分子组成的,所以要解决现代工程科学的问题,必须要从原子和分子着手”,这是他在当时提出物理力学这门学科的出发点,跟费曼是一样的,他们抓住了世界上最重要的科学、问题。

       因为传统的工程很多都是宏观的,但是现代的很多工程的问题,比如说要高速飞行,火箭的燃烧,各种各样的一些东西。

       在这种情况下,气体会电离,如果不研究这些东西,就没有办法控制火箭的飞行。

       所以,钱学森从这个角度认识到现代的很多工程的问题,不能够用简单的方法,即通过先做小规模的实验再去放大,而必须要从原子、分子的原理去了解,物质的性质是怎么变化的,然后再来研究这件事,他才提出了这个学科,所以这是非常重要的一个概念。

       更有意思的一件事情是在这篇文章里,他引用了很多的文献都是从《化学物理学报》上面来的。

 

       钱学森为什么会做化学物理系的教授?为什么当年会创建化学物理系?

       这是独树一帜,只有中国科技大学才有的这么一个系,我就是从那个系毕业的,钱学森的学生是我的老师。

       钱学森做了很多的贡献,我们不能说他仅仅是一个化学家,但是从他创立了物理力学、并从工程科学的角度来认识到,原子和分子的一些基础科学的重要性,然后在中国建立了这样一门学科



       从这个角度上来讲,他是一个化学家。中国科大化学物理系是钱学森和郭永怀创办的,这是非常有意思的事情,因为钱学森是一个力学家,郭永怀也是一个力学家。

       郭永怀也是他所在的加州理工的同学,是他的师弟,后来是康奈尔大学航空工程系的教授,1956年回国以后,成为了中国科学院力学所的副所长。

       所以中国科大的化学物理系,是一个非常有趣的系。

       郭永怀先生,我们在新闻里面都会看到他,他是我们系的第一任的系主任,他是“两弹一星”功勋科学家中,真正对“两弹一星”都有实实在在重要贡献的人



       化学物理系非常有意思,它的系主任是力学所副所长,它的副系主任是中国学院化学所所长。

       所以它是一个跟化学系有关的系,居然不是化学家在当系主任,而是个副所长当系主任(化学所)所长当副系主任。

       因为有钱学森在那里,钱学森在系里面只是当了教授,他为什么没有当系主任呢?

       因为他是中国科大的力学系系主任,他不能同时当两个系的系主任,所以他就让郭永怀去当化学物理系系主任。



       化学物理系的历任系主任,第一任是郭永怀,他是力学家,第二任是卢嘉锡,他曾经是做过中国科学院院长,后面是我当时的老师,俞书勤老师和何天敬老师,他们都是中科大化学物理系毕业的。

       后面的包信和校长,他现在是中国科学技术大学的校长,还有杨学明院士、张东辉院士,都是历任的系主任,化学系还有其他的著名教授。

       我们刚才已经讲过了钱学森,比如朱清时曾任中国科大的校长,南方科大创始校长.他也是我们化学物理系的,还有吴奇、杨金龙等,所以化学物理系是这样的一个系。

       你们可能没有听过这个系,但里面的许多人也许都听说过,它不是一个不重要的系。

       这是第二届化学物理系物理力学专业的毕业照,正中间的第二排是钱学森,他往左边数两个就是马兴孝老师,他是钱学森的研究生,当时也是系里面的助教.

       讲了半天化学物理了,大家可能要问:化学物理究竟是一个什么样的学科?它究竟是物理还是化学?

 

       如果我们望文生义的话,会说物理化学可能是化学,化学物理可能就是物理。

       有的人真的是这么认为的,而且化学物理有很多物理的方法、理论和实验,所以很多人说,化学物理就是物理学家去做化学,不是这样的。

       实际上化学生物学也是化学,物理化学是化学,化学物理也是化学,生物化学是化学,化学生物学也是化学,这才是真正的理解。

       那么化学物理是怎么来的?



       化学物理诞生的一个标志,是1933年《化学物理》杂志的创刊,它的第一任主编,是1934年的诺贝尔化学奖的获得者,哥伦比亚大学的Harold Urey教授他当时为什么要成立这么一个学科?

       因为随着量子力学、统计力学和现代物理方法的发展,很多人用这些东西在原子分子程度上去研究现代的化学,这些人并不被传统的化学家所接受。

       传统的化学家还是认为,要做瓶瓶罐罐的这些东西,比如电化学或者是胶体化学才是化学。

       这些走在化学前沿的人,没地方发表文章,他们自己就成立了一个新的杂志。

       要想知道这段历史可以看这一本书,是1990年代出版的《PHYSICAL CHEMISTRY FORM OSTWALD TO PAULING》。



       这个照片上面的人是Wilder Bancroft,曾经是非常著名的化学家,康奈尔大学的教授、美国化学会会长,他1896年创办了物理化学杂志,1896-1932年一直任主编,这个杂志就是他个人的,他在当时就认为这些人做的都不是化学。

       什么是化学呢?他信为胶体化学、电化学或者是相规则等传统的物理化学才是化学。

       他自己是很好的一个化学家,他的导师也是得过诺贝尔化学奖的能斯特,所以他虽然是一个化学家,但是他认为这些新的化学不是化学。

       但他当时的理解是非常有问题的,因为在1930年代时,大家对大分子还没有认识,认为蛋白质还不是分子而是胶体,他当时做的这些事情,到了五十年代之后,大家发现他做的科学不太靠谱,所以他就被人遗忘了。

       尽管他在当年是非常有影响力的化学家,所以我们说他是站在了历史错误的一面,On the wrong side of history。

       实际上,想一想这件事情,我们应该感觉恐惧的一件事情是,就是我们中国现在的很多人,即使是做化学的人,他们还是认为那才是真正的化学,很多时候有的人会认为,我做的这种不三不四的东西,不是真正的化学。

       但什么是真正的化学?那么请看看这张照片上的这七个人。

 

       这七个人都是有史以来最伟大的化学家,二十世纪最伟大的化学家这里面有五个诺贝尔奖获得者,另两个是超过诺贝尔奖获得者的。

       比如路易斯,我们在中学课本上就学过他的很多概念,路易斯结构式、路易斯酸、路易斯碱等等,各种各样的光化学的概念,连我们的‘光子’这个词英文的photon,都是他发明的,而不是别的物理学家发明的。

       Langmuir发明了Plasma(等离子体)这个词,他也是一个地地道道的化学家。

     《化学物理》杂志创刊号里面,一共有16篇文章,这七个人都在里面发表文章,为什么?

       因为传统的化学杂志不发表他们的文章,认为他们不是真正的物理学化学家。那么,化学物理到底是化学还是物理?我们从它的主编的背景就可以看得到。

       从1933年到现在所有的主编,包括现在的主编是我们华人,是厦门大学毕业,在宾夕法尼亚大学获得博士学位的,连天泉教授。


       所有的教授都是化学系的教授,没有一个是物理系的教授,其中有一个很独特的,就是做了十几年主编的Joseph Mayer,他是统计物理学家。

       杨振宁和李政道在芝加哥念书的时候,跟随他和他的太太学的统计力学,尽管他是化学的教授,但是他曾经做过美国物理学会会长。

       这其实不稀奇,因为我的博士导师和我的博士后导师,他们也都做过美国物理学会化学物理分会的主席。

       我自己也是美国物理学会会士,所以从这里可以看出,现在的物理和化学之间的交织,我们对现代科学的理解会不会有所不同?

       这是非常重要的一件事情,如果我往上数的话,Joseph Mayer是我的导师的博士后导师的博士导师,我们科学的传承是这样的。


       其实我们再来看麻省理工学院,20世纪最伟大的一个物理学家约翰·斯莱特(John Slater),他在量子力学领域做出很重要的贡献,而且他在MIT的物理系主持了好几十年的工作。

       他在1939写过一本书叫做《化学物理引论》,序言中第一句话讲物理学和化学的分离是很不幸的。

       他说,在十九世纪的时候,化学和物理学有比较明显的区分,进入二十世纪有了量子力学、统计力学和现代物理方法之后,所有的物理和化学的界限已经没有了。

       这是在20世纪三十年代国际科学界就已经可以认识到的问题,但是到今天的中国,一般公众甚至大多数化学家里,对化学物理认识,还是认为它们是分得很开的。

       大家以为我在这里是替化学讲话的,实际上我是在替现代的科学呼吁。

       现代的科学是物质科学和生命科学,基础部分是融合在一起的,它们都以量子力学、统计力学为基础,以实验方法为基础。

       所以这才是我们今天真正应该认识的科学,中国科大的化学物理系研究的主要方向,这些都是现代化学和物理化学的主流方向,这些方向在中国的绝大多数的化学系里面是非常薄弱的。


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中国化学系与国外化学系的区别

       我前面讲到的三个M,第一个M在我们中国的化学系和材料系里面,是比较多的,后两个M即测量和理论则是非常薄弱的。

 

       这些东西存在的一个问题,就是我们的化学系和国外的化学系是如此的不同,那么它会有什么后果?它对我们国家的科学发展,对高技术的发展有什么影响?

       我们今天经常讲到一些卡脖子的问题,比如说芯片、新药、发动机,这些东西看起来,好像都跟化学没有直接的关系。



       表面上看是一些工艺和技术的问题,但实际上是关于我们的基础科学,我们对它的理解、概念和研究的内容,还有培养的人才的问题,实际上钱学森对这个问题是清楚的。

       他提出技术科学的概念,去做这些基础的科学,这是他1961年给2000多人讲怎么做导弹时,讲的最后一句话。

       他说:所有的尖端技术,无非都是数理化的基本的规律。

       这个事情跟任正非讲的是一样的。任正非讲:要做芯片,砸钱不行,得砸数学家、物理学家和化学家。

       但是我们都知道,到了媒体上就只写成数学家、物理学家,就没有化学家什么事了。

       凡是这样认为的人,他们就是不知道现代的芯片工业是怎么回事,我们知道信息时代的炼金术,一个是软件,一个是硬件。




       软件里面最有名的就是像比尔盖茨这样的人,硬件里面最有名的是戈登·摩尔,他是英特尔创始的三巨头之一,也是世界上最有钱的人之一,他有好几百个亿的财产,他是加州理工学院物理化学的博士。

       那么他们的三巨头,有做半导体物理的、有做化工材料的,那戈登·摩尔为什么有名呢?

       小学生都知道的摩尔定律,就是他提出来的,他是英特尔的创始人。

 

       戈登·摩尔的博士论文写的是亚硝酸氯胺和二氧化碳的红外光谱研究,硝酸分子和光化学分解的观测。跟我一样是做分子的红外光谱的,是做动力学的。

       大家都知道,我们中国的芯片工业很落后。但是比如在上海去年科创板上市的中微半导体里面主要的技术人员,他们的老总尹志尧,就是我们化学物理系毕业的物理化学博士。

 

       他们的副总倪图强博士,也是我们化学物理系毕业的,而且他还是我真正的师兄。

       他也是马老师的研究生,后来到美国去念了博士,跟我一样的,还有苏兴才。

       在芯片工业里面,有很关键的、很重要的一部分,是现代的物理化学和化学物理的工作,这是我们要认识到的。

       比如我们讲量子信息科学跟化学有什么关系?

       我们知道量子信息科学里面最重要的Charles Henry Bennett,做了最基础的贡献的,如果这个领域要得诺贝尔奖,我想他应该是三个人之一。


       他实际上是化学系毕业的,而且是物理化学的博士,因为物理化学家整天都在研究最复杂的量子力学,解最复杂的薛定谔方程。

       所以量子信息里边的那些量子数学,对他们来讲,至少从数学和技巧上来讲是很简单的事情。

       我们西湖大学理学院院长邓力,曾任美国布兰代斯大学化学系主任,他就说:这是我们化学系毕业的学生,为什么中国人认识不到,因为他是物理学家。

       我们知道化学和物理之间不是一个单向的关系,并不是说有很多做物理的人来做化学,其实也有很多化学的人去做物理,比如说2013年得诺贝尔物理学奖的Peter Higgs,他是提出上帝粒子的科学家。

       他是1950年代获得化学博士,他研究的是分子振动理论问题,而且他自己讲,他是从这里面学会了对称性的概念,并用到基本粒子物理,然后他写出这篇论文。

       还有我们大家熟悉的杨振宁先生,以前也是做分子振动的,他在国内跟吴大猷,他在去美国留学之前在西南联大的时候,他也是做这个的,他对对称性的理解也是从那里面来的。

       我们讲到化学、物理、数学和人工智能,这时有三位科学家,前面两位是英国了不起的理论化学家,一位是Charles Coulson,另外一位是他的学生Longuet-Higgins,前年得了图灵奖的Geoffrey E.Hinton,他被称为人工智能AI的教父之一。

       他实际上是Higgins的博士学生,所以基础科学之间的这种关系,它的来源,它是怎么来的,这些东西如果我们没有了解的话,那我们在很大程度上是没有办法去理解现代科学和高技术之间的关系、它的基础。

       我们讲到发动机,看起来是一个这么大的复杂的机器,但是请看看里边那些有颜色的部分,它实际里面都是燃烧的过程整个发动机都是为了控制燃烧的过程。



       所以对燃烧化学的理解,才是发动机设计的精髓,这不是我自己作为一个化学家在那里吹牛。

       第二张图是2018年我们在中国化学会开会的时候,燃烧化学分会,四川大学的李象远教授在这里讲,现在我们终于认识到燃烧化学在发动机里面的重要性。

       当时在会上做报告的,还有中国空气动力学中心的乐嘉陵院士,他其实是当年钱学森带出来的小朋友。

       他现在已经是院士了,他说,发动机中关键问题,跟物理化学的测量、物理化学的建模和对燃烧过程的理解是非常关键的。

       只有在理解这些的基础上,我们才能知道发动机的每一个部分所用材料,到底要去控制什么东西。

       比如说中科大化学物理系的系主任杨学明院士,他研究的化学反应都非常简单:氟加氢生成氢加氟化氢。



       这样的一个化学反应,大家说可能这只有理论上的意义,其实不是这样子的,因为它是我们做化学激光高技术中最基本的问题。

       他们的工作出了两个院士,一个做实验的杨学明,另外一个是做理论的张东辉,都是我们化学物理系的。

       1959年得诺贝尔生理学奖的Arthur Kornberg,他的儿子是2006年得诺贝尔化学奖的Roger Kornberg。

        Arthur Kornberg从1979年代开始一直在讲,化学是生命科学的语言,生命科学和现代医学都是用化学语言表述的。

       他不希望大家把化学和生命科学分开。他认为更多的化学家应该去做生命科学的问题,而更多的生命科学家要学会化学的基本语言,然后才能促进生命科学的发展。

       他的儿子Roger Kornberg也是化学物理博士,但是他是做生命科学的问题,获得诺贝尔化学奖的。



       所以这些基本科学把化学和物理结合起来,在分子和原子层次上研究,这种现代科学是多么的重要。

       所以,回到我今天演讲的最后的问题,钱学森讲说,为什么我们的大学总是培养不出杰出的人才?

       我想我们的大学不是没有培养出杰出的人才,偶尔还是有一些很杰出的人才的,但是在钱学森看来,我们应该培养更好的、更杰出的人才,能够真正在国际上去做创新的人才。

       当时他说很大的原因是我们没有独特的创新的东西,老是培养不出人才。

       我认为,当我们认识到钱学森是一个化学家,而且对中国现代的化学有重要的贡献他建立了这个一个系,培养了这么多的人才,而且我们今天在中国的化学系和在国外的化学系。

       如果你看到一个中国人,做现代的物理化学和化学物理做得不错的,基本上有一半可能性,他可能是中国科大化学物理系毕业的或者是在那里上过研究生的。

       所以我认为这件事情非常非常的重要,而且这关系到我们对基础科学的认识,对现代高科技的认识,以及我们中国的未来。

       谢谢大家!

排名不分先后

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