逍遥学能 2018-06-22 15:33
诺贝尔化学奖得主马丁·卡普拉斯的化学世界
“我喜欢三件事情：化学、摄影和烹饪。”日前在北京大学化学院一间会谈室里，85岁的马丁·卡普拉斯在接受《中国科学报》记者采访时说。
马丁·卡普拉斯是美国国家科学院院士、美国艺术科学院院士、荷兰科学院外籍院士和英国伦敦皇家学会外籍院士。他于1966年开始在哈佛大学担任教授，并一直从事研究工作至今。
卡普拉斯和迈克尔·莱维特、亚利耶·瓦谢尔一起获得当年的诺贝尔化学奖。他们的获奖原因是把“化学反应搬进网络空间”。
兴趣使然，上世纪70年代，卡普拉斯曾“深入”法国、日本等地的多家著名餐厅，和主厨一起烹饪美食。也许是因为职业关系，他烹饪食物时似乎也会从“化学”角度看问题。
以最简单食品鸡蛋为例，“蛋清和蛋黄是由不同的蛋白质组成的，让它们拥有不同的味道和口感，取决于烹饪时采用的温度。”卡普拉斯说，“中国的皮蛋也使鸡蛋的蛋白发生了不同的变化，味道我也很喜欢。”
【理论化学家回归生物学】
“如果没有我的家人，我的人生将空无一物，即便是在科学上获得了成功。”在自传《天花板上的菠菜：理论化学家回归生物学》中，卡普拉斯如是写道。
卡普拉斯的童年时代是在奥地利维也纳一个叫作格林津的乡下度过的，那里是一个以盛产优质红酒而闻名的地方。然而，1938年，因为德国侵占奥地利，他以难民身份逃亡到美国。“这种经历对我的世界观和科学道路产生了重要影响：它让我认识到，应该停止在已经熟悉的领域原地踏步，还让我把注意力集中在不同的研究领域，提出新问题，学习新事物。”卡普拉斯说。
卡普拉斯感恩于出生在一个时刻奋发上进的家庭中。在到达美国的第一个夏季，他们一家人原来舒适悠闲的生活被抛在身后，一时经济困顿。他的父母因此一边在有钱人家做帮工维持生活，一边接受再教育。“我的父亲在温特沃斯学院学习机械，母亲在西蒙斯学院学习家庭经济。”他说，后来他的父亲进了一家飞机泵工厂做质检员，并在那里一直工作了20多年直到退休;而他的母亲毕业后也在一家医院里找到了一份营养师的工作。“但她还在接受继续教育，直到65岁时拿到硕士学位。”
也正是家庭的影响让卡普拉斯萌发了对科学的兴趣，他从父亲那里收到的第一个与自然科学相关的礼物是显微镜。“一开始，我觉得很沮丧，它不会发出声音，没有任何气味。但是很快我就从沼泽、路边的下水道和其他地方发现了各种微生物，因此越来越喜爱这个礼物。”他说，“这么多年来，它一直位于我的个人珍藏品之列。所以，我对自然科学的兴趣可以说是萌芽于父亲的培养和母亲的鼓励。”
正是在这样的家庭环境熏陶下，1947年，17岁的卡普拉斯如愿以偿地进入了哈佛大学。经过一年的学习，他放弃了做医生的初衷，最终注册了化学和物理学课程，这是当时哈佛大学独有的一个项目，学生们可以深度地接触不同背景的学科。“哈佛大学研究生毕业后，我决定去西海岸读书，但是却产生了一个困扰：是去加州大学伯克利分校继续读化学，还是到加州大学读生物学。”
经过美国理论物理学家、首批原子弹主要技术负责人罗伯特·奥本海默的推荐，他最终选择了生物学。因为奥本海默告诉他那里是“一片黑暗中的一线光亮”。正是在那里，卡普拉斯遇到了他的良师益友、两度获得诺奖的鲍林。“我的导师鲍林对我的科学研究产生了非常大的影响。”他说。
此后，在英国牛津大学博士后出站后，他先后曾执教于伊利诺伊大学、哥伦比亚大学，最后又回到哈佛。其间他曾进行过核磁共振谱学、化学反应动力学、量子化学、分子动力学计算模拟等领域的研究，提出了有关耦合常数和二面角之间关系的卡普拉斯方程。“我到不同的大学，是因为我觉得陌生环境中的新同事可以让我在研究上保持创造性。”他如是说。而且他也把这种想法融入到了职业发展规划中，即每5年转一次学校，这样可以让他保持对工作的激情，“这样我才能去研究新事物，让我的精神和思想保持年轻”。
【把计算机变成新“试管”】
人们周围的世界由原子组成，而这些原子又构成了分子。在化学反应中，原子会改变连接位置，形成新的分子。然而由于这一过程在微观层面进行，许多反应的发生仅有几微秒，用传统实验手段描述其反应过程的每个步骤几乎不可能实现。
为了准确预测化学反应可能在哪个位点出现，就需要利用基于量子力学的高级运算。而该分子的其他部分则可以利用复杂度稍低的经典力学运算方式。卡普拉斯等人正是因为在上世纪70年代成功研发了把量子力学和经典力学相结合，并用计算机模拟化学反应的过程，使计算机成为化学反应的新“试管”。
“计算机能够很快地尝试不同的事情，它们做这些时并不需要思考。”卡普拉斯举例说，“就像玩象棋，计算机可以提前预测到接下来的10~20步，使你成为很好的棋手。”在实验中也是这样，计算机可以帮你很快地处理好极其复杂的运算步骤。
既然如此，那么以硅为基础的“电脑”能否超越以碳为基础的人脑呢?对此，卡普拉斯的答案是否定的。“一些人在谈论机器人时认为，它们可能变成科幻小说中的独立力量。”卡普拉斯说，尽管计算机的运算能力很强，而且现在人工智能也在迅速发展，但是它们没有任何意识。人的大脑中有真正的神经细胞，可以产生意识。而计算机没有这样的细胞，因此只能够模仿这种意识，而不能创造它们。
在卡普拉斯看来，解决科学问题时，直觉非常重要。这也是他从导师和另一位诺奖得主莱纳斯·鲍林(量子化学和结构生物学的先驱者之一)那里学到的。“一些理论或是想法在无意识中突然出现或是推理获得，这就是直觉。可能到目前为止，这是人脑和电脑之间的唯一区别。”他说，人脑有数不清的回路，而电脑则没有。“你可能会说我有些保守或是落后，但我觉得这不会发生。”他补充说。
【加强科学教育】
现在，已是耄耋之年的卡普拉斯仍坚持着他的三个爱好。“现在，我们的孩子都长大了，如果没有会议或报告，我和妻子，还有我们聪明的狗Bib过着很平静的生活。”卡普拉斯说，“早上起来我会为妻子做早餐，锻炼完身体后就在家工作，想一些新的理论，写一写论文。”卡普拉斯表示，目前他在进行蛋白折叠方面的研究，追踪蛋白折叠的轨迹。“过去十多年来，蛋白折叠的机制在原理上已经基本解决了，但是从氨基酸序列预测蛋白质的结构发展仍然是热点研究领域。”
尽管当前美国在许多科研领域已经遥遥领先，但卡普勒斯认为，现在对从事科学研究感兴趣的青年人正在减少，其中一个原因与美国对教师行业的看法有关。他说：“在美国，很多人说，‘如果你做不了其他的事，那就当老师吧’，而且教师的工资也不高，这说明对教师不够尊重。”所以现在很多美国科学家在呼吁加强STEM(科学、技术、工程和数学)领域的教育。
同时，他表示，生物学尤其是生命科学研究是非常复杂的领域，因此需要国际合作，共同创新。以人类大脑为例，现在各国脑计划、脑工程研究项目迭起，他举例说，美国有团队正在尝试通过基因工程制作出大脑透明的斑马鱼。“这样就可以利用活体斑马鱼观察大脑中究竟在发生什么，以及当大脑处于不同兴奋状态时，神经细胞如何回应。”他说。
现在，美国、欧洲已经启动了脑研究，中国也在酝酿，这说明所有国家都意识到这个问题的迫切性。未来脑研究项目收集的数据会越来越多，将汇成人们今天所说的大数据集。“多亏有了这些大脑计划，未来我们将有希望治疗诸如阿尔茨海默氏症等疾病，比如医生可以准确指出是哪里发生了错误，从而治愈或是减缓这些疾病的发展进程。”卡普拉斯说。
卡普拉斯近日还入选了度中国科学院“爱因斯坦讲席教授”计划。日前，他还与中科院网络中心签订了合作协议。“这是一个极好的机遇。我们可以在这里开展很多合作交流，尤其是在不同专业的年轻人之间。”卡普拉斯指出，让年轻人有机会从事原始创新工作与独立工作非常重要。