我的童年是在战火纷飞,颠沛流离中度过的。我只读过一年半的小学,初中也换过四、五个,直到高中才安定下来,就读于当时的名校――上海中学,从此走上了"读书人"的路。我的科学知识根底是在两个阶段打下的:第一段是在北京大学读书的时期;第二段是在中国科学技术大学执教的初期。1954-1958年我在北大化学系念本科,头三年的学习气氛平和而浓重。1957年5月,风云开始突变,狂风暴雨袭来,校园之中已放不下一张平静的书桌,书也就读不下去了。幸而化学系最重要的基础课已大体修完。回忆起在北大四年的收获,可以用"打下基础,学习思考"这几个字来概括。那几年在耳边不断听到的教诲就是"独立思考"。科学上的独立思考是活力的源泉,它就像一颗明珠照耀着我一生的学术道路。也有不少同学在政治上作了独立思考,那可就成了危险的游戏。
1958年9月15日大学刚刚毕业,我去了中国科学技术大学任教。五天之后,科大举行了开办学校的典礼。一时之间科学界的泰斗云集,纷纷登台讲授基础课。过了二三年,大师们又开讲各种专业基础课。所讲的课程琳琅满目,可惜我分身无术,不能兼听。但是每学期我总要挑选一两门科目,或而专修,或而偶听。几年下来大体上把物理系的专业课学了下来,也就是进修了现在化学物理/物理化学专业研究生的课程,尽管当时还没有研究生这种制度。
独立思考导致年少气盛的我做了几桩大胆而鲁莽的事情,至今也说不清它们是好还是坏。我先后登台主讲了《无机化学》、《无机与分析化学》和《物质结构》等几门课程。1959年时提倡"教学改革"。"改"就是"革命",尤其提倡把《矛盾论》、《实践论》等毛泽东著作的思想灌输到教学中去。于是,我就独出心裁,把普通化学原理概括为几十对矛盾,各自成章,编纂成一份最为"革命"的教材。举例说来,对立的矛盾有酸与碱、氧化与还原、化合与分解、溶解与结晶、络合与解络、解离与复合等等。这份教材还没有等到使用,因为三年饥荒,"教改"刹车,就此尘封了。又过了几年我讲《物质结构》课程。我又别出心裁,自编教材,以分子的尺寸为顺序,由原子、二原子分子、三原子分子,逐渐展开,直到固体。每章之中先谈结构,再论性质,这种体系的是非以及这份教材的优劣,可当别论。而导致我特立独行、标新立异的做法,则源出于独立思考。
此后卅年中,我曾讲过《小分子化学》、《现代化学动力学》以及和马兴孝教授合讲《激光化学》。所编的教材都是与众不同。至于说到日后对科学问题的探索,更是无时无刻不是处于独立思考的状态之中。
"文革"之后我转到了中国科大的化学物理系工作,这个系是当年郭永怀,钱学森、柳大纲等人创办的。系名至今仍举世无双,教风研习深受郭、钱两位大师之指点和熏陶。郭生前曾留言:"在任何情况下,化学物理这面旗帜不能倒。"四十年过去,这句话更加显得有远见而有生命力。钱学森则亲自授课,收马兴孝为研究生,入班研讨,个别指教。我以前只受过以归纳思维为主的传统化学的训练,而化学物理系的老师们有深厚的数学物理功底和逻辑推理思维,他们在分子尺度上寻求物理图像,在化学反应中推演数学公式,使我耳目焕然一新。尤其是和马兴孝先生的朝夕研讨切磋,使我大为获益。他睿智的分析,逻辑的判断,分寸的拿捏,概念的抽象,数学的推演和命题的凝练,更使我对科学问题的剖析和思维能力大为提高。从这个意义上说,马先生是我的半个师傅,而我也是沾了钱门之光的人。
当今越来越多的化学问题甚至生物学问题可以用物理的观点和方法去研究,而且有愈演愈烈的趋势。作为一个搞化学的,我深深感到和物理学家们在一起,学习他们的思维方式和实验方法去研究化学问题是多么的有趣而有效。所谓化学物理学的研究往往能切入化学问题的要害,在更深层次上从本质上回答问题。反过来,化学家们提出的问题往往使得物理学家们惊喜地发现了研究课题,而共同的研讨又能凝练成具体的物理概念而予以解决。最近,我高兴地听到赵新生教授说,在北大要求学物化的本科生也要学习更多的数理课程,我希望中国科大的化学物理系和北京大学物理化学专业的教学计划能影响我国更多的大学,尤其是研究型的大学,为我国成批地培养出更多的现代物理化学工作者。
"文革"之后,百废待兴,全国各大学都重扫杏檀,恢复研究,当时在中国科大做研究有两点不利之处:一点是由北京搬到合肥,远离科学院各研究所。另一点是缺少老教授的领头,连副教授都少得很。可是这两点却成了科大能茁壮成长的先决条件,我们化学物理系因为"山中无老虎",所以猢狲们便四处寻找新的研究方向。上世纪70年代中期在国际上有一个热门的课题,叫做"激光分离同位素",吸引了大家。于是大家说干就干,把被压抑已久的热情释放了出来,我甚至把未满周岁的儿子寄养在上海别人的家中,自己投身研究。张允武同志挽起袖子来做大型的激光器,俞书勤同志忙前忙后地张罗组织做实验,马兴孝同志叼着香烟运算试验参数,而我也在玻璃真空系统前做最后的化学分离……经过两年的努力,我们终于成功地用激光分离了硫的同位素和硼的同位素,并因此在1980年获得了中国科学院重大科技成果一等奖。这次成功的合作研究,不仅凝练了我们的友谊,激励了我们的研究热情,增强了我们能做国际水平研究的信心,同时也把我的研究方向带到了用激光去研究分子反应动力学的领域。
记得在一个月明之夜,我和马兴孝漫步于合肥科学岛的湖边,共同憧憬着这样的未来:今天我们在做"儿子辈"(指跟踪外国人)的研究工作,明天我们要做"老子辈"(指外国人跟着我们)的研究,后天争取做"祖师爷"(指开辟一个新的研究领域)的研究。卅年过去了,我们奋斗了,我们只爬到介于"儿子辈"和"老子辈"相交的境界,但是这段回忆却记述了我们这一代的人在文革之后的年代里如何想着要攀登科学高峰的抱负。
上世纪八十年代"留学"欧美的人中有一批中年的访问学者,大体上是副教授的层次,他们已经有了深厚的知识积累和相当的研究经验。他们出国留学兼有见识、考察、研讨和学习的目的。二三年的留学经历使他们在回国之后成为我国科技教育界放眼世界、推陈出新、沟通中外、承前启后的主要人物。这是邓小平改革开放布局中一着成功的棋子。在我国科技进步和发展的过程中,他们曾经作过不可磨灭的历史贡献。
1980-1982年我在美国南加州大学(University of Southern California)的Curt Wittig 小组作了两年研究工作。事后我才知道,是李远哲先生向Wittig教授推荐了我。Wittig教授是物理学家,他的研究小组有很多精良的电子测量仪器和激光设备。两年下来,我掌握了这些研究手段,同时也了解了他们如何从物理的角度去研究化学反应动力学的问题。不仅如此,在这二年里,我还访遍了美国几十所大学和研究所,参观相关实验室,和教授们作交谈,了解当时最前沿的研究动态。Wittig教授后来对我说:"我每到一个地方,那里的人都告诉我说你去过他们那里。"这样我对分子反应动力学这一前沿领域的世界潮流便了然于胸了。
1983-1989年是我回到了科大开始独立做研究的时期。我在这几年里做了激光光谱的研究,包括激光诱导荧光、激光光解光谱、多光子电离光谱、红外发射光谱、光电离质谱等等。这个时期是中国兴起激光光谱学和分子反应动力学研究的时期,我所在的中国科大和大连化物所等一起推动了这一进程,包括建立了装备有激光的现代化实验室,组织了"全国化学动力学会议"全国会议等。
1988年,国家筹建"分子反应动力学国家重点实验室",主要基地在中国科学院大连化学物理研究所,在北京的化学所也设有一部分。当时化学所部分的人手和设备都很缺乏,只有朱起鹤先生在忙前忙后地张罗。大概是经过李远哲先生的推荐和周光召院长的批示,我在1989年9月调到北京的化学所参加筹建工作。后来又在1991-1997年期间担任了化学所的这个实验室主任,在这里度过了我这一辈子主要的研究生涯。
在这十几年中我思考得最多的是要开展什么方向的研究,也就是要选择哪些研究领域的问题。因为要把握半个国家重点实验室的研究方向,是件责任重大的事情。现在回头来看,我们选择的这几个研究领域都是当时重大的前沿,每个领域在这段时期都赢得了诺贝尔化学奖就是明证。我们先后开展了这几方面的研究工作:气相自由基的基元化学反应;金属与非金属团簇和超快与超强化学。诸领域相应的开创者李远哲(1986)、R. Smalley(1992)和A. Zewail(1997)荣获了诺贝尔奖。
1991年朱起鹤先生等人把激光器和红外光谱仪结合起来,研制成能在瞬间测出发出红外光的光谱仪器,用这台具有国际先进水平的装置能够研究诸如分子的光解或分子间的传能等问题。经过几年的摸索之后,我们发现它最适合于研究双分子反应,尤其以研究放热多的自由基反应最为合适。于是从九十年代中期开始,我就开展了长达十余年的燃烧化学的基元反应研究,可以说我们是世界上永这种方法得到研究成果最多的小组。我们系统地研究了活性很强的碳氢小自由基和氧气、氮氧化合物等的反应,把几十种化学反应的产物都探测到,而且对这些反应的机理从理论上弄清楚。有两个反应的研究成果受到同行们的特别关注,一个是卡宾(CH2)自由基的化学反应,它有单重态和三重态两个物种,而又常常混合在一起。我和苏红梅成功的研究了它们各自的反应。当我在牛津大学讲这一成果后,那里的Hancock教授抱怨说:"我刚刚得到皇家学会的资助,批准我去研究同一个课题。现在你们已经做过了,叫我怎么办?!"另一个是被称为要上教科书的基元反应体系,它有一个出名的HOCO中间体,至今仍被理论化学家们广为研究。我们分别做了它的正向反应OH+CO和逆向反应H+CO2的实验研究,得到反应产物振动能量分布的珍贵数据,它们是评价和检验各种理论计算结果的依据。
九十年代我张罗了原子团簇方面的研究,除了在化学所开展实验研究而外,我还和南京大学的王广厚教授、厦门大学的郑兰荪教授共同组织了国内八家单位争取到了一项重点科学基金来支持这类研究。早在1981年我在美国时曾访问过Rice大学,参观了R. Smalley的实验室,当时他还是个副教授。但是他有一项刚刚发现的研究成果深深地吸引了我。他用激光照射金属,居然溅射出由许多原子组成的基团来(后来叫作cluster,翻译成团簇)。当时我对他表示这是在开辟一个新的研究领域。他回答说:"我知道这方面的意义。"回国之后,我也很想开展这项研究,在八十年代中期我曾经两度写信给Smalley教授,邀请他访问中国,可是他回信给我说他正在研究一个重要的问题。这段时期里谢绝任何外出交往。事后知道,他当时正沉迷于发现碳60的研究。正是这项巨大的发现,导致了他获得1992年度的诺贝尔化学奖。1987年,被誉为Smalley组里的天才学生郑兰荪博士回国,在厦门大学任教。我请他帮助在化学所建立了一套激光溅射串级飞行时间质谱仪。正是利用这种仪器,Smalley等人发现了碳60。这是一台功能很强的仪器,不仅能产生各种尺寸的原子团簇,而且还可以按大小把原子团簇分开来;不仅能区分开来,而且还能挑选出特定大小的尺寸;不仅挑选出来,而且还能用激光把它打碎;不仅能打碎,还能测出碎片的大小。在九十年代,我和高振研究员合作领导了一个小组,用这种方法新发现了十几类金属和硫、磷、碳等所形成的上百种尺寸不一的团簇,获得了这些团簇的组份、结构和稳定性等大量的信息,使人们对这种陌生形态的物种有了认识。
这真是一项非常有趣的研究,往往只用几个激光脉冲去溅射固体靶子,在质谱仪的屏幕上立即显示出几十个参差不齐然而又有规律的谱峰,犹如在张家界的天子山顶俯瞰突兀峭立的笔立山,或者在武夷山的九曲溪中仰观亭亭玉立的玉女峰,几十种人们从未所知的新物种就呈现在面前了。这时化学家们就不得不感叹碳、氧、硫、磷这几个非金属元素的"交际"(新名词是"公关")能力之强,他们能轻而易举地把各种金属原子"手把着手"的拉在一起,形成各色各样的团簇,有链状的、片状的、球状的、骨架状的等等。
我想在回国后要开展的另一项工作是用超短激光脉冲去研究化学反应。1982年在美国时我曾参观了加州理工学院A. Zewail的实验室。当时他也是副教授,使用的是几皮秒(10-12秒)的短激光脉冲去研究化学反应,但这比断裂一个化学键所需要的时间依然要长几十倍,也就是说还不能跟踪上化学反应的过程。我便一直期待着更快的激光器的诞生。当时世界上把激光脉宽做得最短的人叫Jean-Claude Diels,和我同在南加州大学。他的小组中有一位叫王清月的学者和我很熟。王清月先生后来回到天津大学做教授,也研究超快激光。我每隔一年总要去一次天津大学,看看他的超短激光能否实用化了。一直等到九十年代中期,依靠着我们共同参与的一项开展超快过程研究的"攀登计划"支持,才算是有了一台他们做的小型飞秒(飞秒为10-15秒)激光器。虽然Zewail教授早在八年前就观察到化学反应的实时过程了,但是国际上飞秒化学的研究却方兴未艾。我们便利用了这台小型的飞秒激光器,在我国也做出了超快化学的研究成果。
我们曾经有过一位非常聪明能干的年轻同事,叫衷庆华。看他做实验,就如同看手艺人捏面人一样,是一种快乐的享受。他动作敏捷,而一举一动都是那么干净利落。往往你还没有理解他这一举动的目的,他已经把信号调出来了。他的经验是先把每一步都想好了,最后一气呵成。当从天津大学买来的飞秒激光器刚刚调试好的时候,离开衷庆华要长期出国深造的日子只剩下两个星期了。就在这两个星期里,衷庆华做出了一批超快化学的漂亮实验曲线,曲线的变化都是在飞秒时间尺度上:有衰减的,有尖峰的,有快速响应的,有缓慢回升的,它们反映了分子中发生的多种超快过程。于是我和朱起鹤等人花费了两年时间去解读这些曲线,最后终于建立了适当的模型,作了定量的模拟,得出了分子内的和分子间的振动弛豫常数,也得出了分子能级间内转换时间等重要参数,我们把这种方法命名为"飞秒荧光亏蚀法"。作为测量超快过程的基本方法之一,这种方法曾得到诺贝尔奖获得者Zewail教授,美国宾州大学戴海龙教授和大连化学物理研究所的韩克利研究员的称赞,现在国内外有若干小组运用这种方法在开展超快过程的研究。
九十年代后期在我研究飞秒超快过程时,渐渐对与此相关的另一类科学问题感到了兴趣,那就是强场中的化学,姑且把它叫做强场化学吧。这里的强场指的是强激光场或者是激光的强电场,因为强激光需要把光能压缩到很短的时间之内,所以也必然是超短脉冲激光。当代超短激光的强度已经能轻而易举地达到分子内的电场强度,于是它就导致了许多使化学家们瞠目结舌的现象,诸如分子霎时失去了许多电子变成了多价离子;多价离子发生了"库仑爆炸";中性分子也发生了爆炸式的解离;异常稳定的苯环会瓦解等等。因为国际上研究强激光的几乎都是物理学家,他们的思路,乃至语言都和化学家们不同。面对这些新现象,我从化学的角度提出了若干理论,解释我们的和合作者的实验新发现:我们在2000年提出了分子最高占有轨道(HOMO)电子的场致电离模型;在2001年提出了分子的场致解离(FAD)模型;在2005年用量子化学计算方法去研究库仑爆炸;在2006年和加拿大陈瑞良教授合作提出了中性分子爆炸式解离模型。由于强场化学有趣的现象,目前国内外已掀起一股强场化学的研究热潮流。
以前,方励之说过,中国人喜欢换汤(名)不换药,外国人喜欢换药不换汤(名)。随着二十一世纪的到来,分子反应动力学国家重点实验室也面临着一个研究方向和人员世代交替的问题。我想一方面要延续和保持这个实验在分子层次上研究化学反应动力学的特色和传统,另一方面也要在研究对象和体系上作出重大的调整。在经历了二十年的大规模研究之后,气相分子化学反应动力学的基本规律大致弄清楚了,而对凝聚相分子的研究则逐渐展开。于是我们便在世纪之交的时期,既从海外引进了做气相研究的"百人计划"学者边文生、邵久书、苏红梅,也招聘一批做界面物理和生物物理的青年学者王鸿飞、夏安东等。有时他们研讨的内容和采用的方法都是我所陌生的乃至不懂的东西。然而几年下来,事实表明,这个实验室的研究却焕发了青春的活力。
在科学研究的道路上,我一直对新开辟的领域中的新鲜事情感兴趣,从激光分离同位素到激光化学;从单分子分解反应到双分子自由基反应;从化学动力学到团簇化学;从超快化学到强场化学,一路走来,领域越来越新。越是处在新的领域之中对自己思维的羁绊越少,越能作出有价值的工作出来。说来也好笑,科学上对我思想羁绊得最少的却是在"文革"还未完全结束的时期。1972年大学又恢复招生了,可以开始做一些学问了。可是当时耳目闭塞,不知世界上人们在作些什么研究。于是我就独自冥思、闭门造车,做了一项叫作"分子的周期性"的研究。也许是"前无古人"的影响,我在研究时畅我所想,为所欲为,使得这项研究的结果也是我一辈子最喜欢和最得意的。
要说"前无古人"也不尽然。对我影响的古人是门捷列夫。当我一面掸去"普通化学"教科书上厚积八年的尘土时,我一面在想化学中最重要的发现是什么?答案大概是门捷列夫的原子周期律。于是我又在想:分子有没有周期性呢?我便去探索一下。我想原子的周期性来自于价电子周期性的排列在原子轨道上。那么分子也有分子轨道,它们也应当呈现分子周期性。我先从二原子分子入手,模仿原子周期表,编了一个分子周期表,把上百个分子填在表里。然后查出它们各种性质,如解离能、键长、振动力常数、颜色、磁性、自旋度等等,看看它们是否也呈现出周期性。在当时条件下,要查阅大量资料是很艰难的。我至少花了二年时间埋头在合肥和上海图书馆里一个一个地查阅数据,捧着半人高的一摞摞杂志,往返于借书台和阅览室之间,一泡就是一天。虽然很辛苦,但这却是很快乐。眼见得一个个数据点勾描出一条条周期性的曲线来,心里就有种说不出的喜悦。到了后来,我已经能根据周期表去预言任何一种双原子分子的任何性质了。二原子分子的光谱数据是采自光谱学大家、诺贝尔物理奖获得者G. Herzberg的一本书。1980年他到南加州大学做过两个星期的访问教授,我有幸拜会了他老人家,给他看我写的《二原子分子的周期性》文稿,他对这项工作很感兴趣,说了不少勉励的话,也提了一点小意见,建议不要使用我杜撰出来的一个英文名词,大约是中文里"同位分子"的意思。跟温和敦厚的老人家在一起,如沐春风,至今心里还是暖洋洋的。
《二原子分子的周期性》一文发表后,一位专门研究分子周期性的美国教授R. Hefferlin专程到合肥来找我,勉励我继续研究分子周期性,于是我又完成了《三原子分子的周期性》。Hefferlin教授很推崇我的这些研究,甚至在他的《Periodic Systems》书里说他"期待着孔氏周期表和原子周期表一同列在教科书里,贴在教室和实验室的墙上,放在书包里或印在T恤衫上。"
人是要奋斗的。有人喜欢"与人奋斗,其乐无穷"。而我这一辈子是"与天奋斗,与地奋斗",或者具体一些,与"与(物)理奋斗,与化(学)奋斗"。尽管幼时遭逢"八年离乱",青年时又遇"十年浩劫",但毕竟做了教书和研究的事,在李远哲先生看来:"科学研究也许是人生最好的职业了。"
我并不是一个成功的科学工作者,我没有做出重要的科学贡献,也没有重大的创新成果。检讨起来,我的科学研究失之于涉猎太广,领域太多。过广则难深,不深则不透,不透则难解决问题的关键。我对我的这个弱点知道得很早,但是难以改正,可能更多的是秉性所致。说句时髦的话,是DNA中的基因所致。从这个意义上说,我本人不是个适合做学问的人,一生都处在"历史的误会"之中。
回顾过去的半个世纪,社会是由乱到治,而国家也由衰而兴。我们这一代人担负的重责是为科学技术的传承和发展起承前启后的作用。这是长达一个多世纪的历史任务。今天我们以兴奋的心情看到有才气的学子纷纷从海外回来,我国的科学研究水平正在突飞猛进。我由衷地向我国科学界的列祖列宗们告慰:"中国科学的春天终于快要来了!"
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