科普大家范海福:“偶然”造就科学人生
来源:中国科学报 发布时间:2020-03-18 浏览次数:491

范海福,1933年出生。1956年北京大学化学系毕业。晶体学家,中国科学院物理所研究员。1991年当选中国科学院院士;2000年当选第三世界科学院院士。第十四、十五届(1987~1993)国际晶体学会、晶体学计算委员会委员。

 

对晶体结构分析中的赝对称性问题提出了系统的处理方法、建立高分辨电子显微学中的图像处理新方法(与李方华合作)、将直接法用于蛋白质晶体结构分析、创建多维空间直接法以测定含周期性缺陷的晶体结构。

 

发表学术论文一百余篇,在国际学术会议上作特邀报告四十余次。与英国皇家学会会员M.M. Woolfson合作专著一部:Physical and Non-physical Methods of Solving Crystal Structures,Cambridge University Press,1995。获1987年国家自然科学奖二等奖,1991年中国物理学会叶企孙奖,1992年国家科技进步奖二等奖,1996年第三世界科学院物理奖,1998年何梁何利科技进步奖,2006年陈嘉庚数理科学奖。

 

■本报记者 温新红

 

采访范海福院士,是在他家简朴甚至有些简单的客厅里。从阳光明媚的下午直到天色暗淡的傍晚,听着略带广东口音的老人娓娓道来。

 

和同时代科学家一样,范海福的科研道路打上了时代烙印,但又显得有些异数——没有被动承担某个研究项目,还抵御了某些“大气候”的影响。他早在1963年撰写并正式发表于1965年的论文就率先进入了当时国内外晶体结构分析方法研究的一个新领域。该领域从上世纪80年代初至90年代末,成了国际晶体学直接法研究的一个热点。无疑,我国的相关研究也因此一直占有重要的地位。

 

母亲买的化学实验书

 

上世纪40年代后期,抗战结束后广州恢复了过去的平静,街道重新热闹起来。一个十四五岁的少年,常常在节假日穿梭于大街小巷,从旧货摊、书店到所有向公众开放的图书馆。这个少年就是范海福。

 

初中二年级时,范海福随母亲从澳门回到广州,进入中山大学附中(现为广东实验中学)。范海福开始只对文学、音乐、美术有兴趣,不曾想一本书让他走上了科研的道路。

 

范海福的母亲是中学老师,喜欢买书,每次也给范海福选一些书,有一次买了本《少年化学实验手册》。这是一位早年化学家写的小书,它针对中国当时国情,教少年人在家做实验。可想而知当时中国学校的实验设备都非常有限。这本实验书写得很详细,范海福看后很感兴趣,就玩上了,动手在家做实验,从那时起他对化学就有些兴趣了。

 

在此之后,范海福又看了一系列教少年在家做实验的书,除了化学实验还有无线电实验,并由此扩展到各种科普读物。做实验让范海福受益匪浅,除了学会动手,还锻炼了思考。因为书上提到的许多材料和工具,其价格不是范海福的家庭经济条件所能承受的。他不得不设法寻找代用品并修改实验方案。为此除了逛旧货摊,还要进图书馆去找参考资料,以便更透彻地理解实验的原理。

 

“我浏览课外读物以及就同一个问题查几本不同参考书的习惯就是那时候培养起来的,这是很偶然的。我母亲不是学理工科的,对于解决实验上的问题帮不上忙。只有自己去想、查资料、做实验,有的问题很快就解决了。有的问题一时不能解决,就再想办法,再做实验。这些都是科研中频繁出现的过程,那时就开始接触并去适应了。”范海福说。

 

之后,范海福又组织了课外化学和无线电实验小组,在自己家里和几个同学一起做实验——在中山大学附中,学生不用申请就可以组织兴趣小组。他们的活动贯穿了整个高中阶段,兴趣之大,即使在高考前也不曾停止。

 

有意思的是,这个兴趣小组的同学都考上了大学,都读理工科,多数当了教授,其中还有两位院士。范海福说:“如果机遇能够均等地眷顾每一个人,他们当中还会有更多的院士。”

 

两次考试不及格

 

范海福对有兴趣的科目很用心,但对考试则并不在意。他两次参加高考。第一次没有考上第一志愿的学校,第二次才考上北京大学。不像许多科学家从小学习就很优秀,范海福说自己的考试成绩,除了少数特别有兴趣的科目,其他大都是中等水平。

 

他在中学和大学都有考试“不及格”的记录。不过,很幸运的是,他就读的中学和大学都很宽容。

 

中山大学附中是一所公立中学,它虽然不一定是当时广州最好的中学,但在范海福看来,学校里有很优秀的教师,能够给学生耐心的启发和引导;有良好的氛围让学生能够自由地发展。

 

范海福有一年数学没考及格,之后参加补考。但是他并没有因此从老师或同学那里感受到某种压力。了解他的老师和同学都仍然觉得他在化学、物理、音乐、美术等科目有突出的表现。

 

另一次“考试”不及格,是在北大期间。

 

范海福对于自己做实验的能力是很自信的。有一次实验课范海福擅自改动了“实验教程”中规定的操作。当时的“教程”是从前苏联搬来的。范海福发现其中有两个实验操作明显不合理。后来的事实也证实,按照这两个实验操作去做,花上几十分钟也得不到结果。范海福改变了操作,不到五分钟就做完了。事先没有同老师商量,应该说是不对的。但是如果商量了,恐怕也就改不成了。做完实验,他得意地提前离开了实验室“自由活动”去了。

 

事后负责无机化学实验课的老师批评他:不遵守课堂纪律;不尊重苏联老大哥的先进经验。范海福接受了第一项批评,但拒绝了第二项。一年级期末放假期间,范海福接到一封电报:无机化学实验课不及格,速回校参加补考。范海福没有理会。开学后,课代表问他怎么不参加补考。范海福说:无机化学实验课根本就没有考过试。你还不知道我会考成什么样,怎么就肯定我需要“补考”?事情就这样僵持着。

 

毕业两年后,范海福接到通知:请带两张照片回校领取毕业证。

 

回首往事,范海福觉得那位负责实验课的老师是一位很敬业的老师。她给予范海福的指导和帮助是宝贵的。还应该特别感谢那位老师和校方对一个狂妄不羁的“愣小子”所表现出来的宽容。

 

受益于大师讲课

 

范海福进入北京大学化学系是在1952年。当时的北大,名教授都在第一线讲课,大学4年让他收获很大,也印象深刻,过了近60年,许多老师上课的情形他都能一一道来。

 

中国晶体学奠基人之一唐有祺是范海福的晶体学启蒙老师。范海福大学毕业多年后仍得到唐有祺许多帮助。那时其他老师对范海福后来的科研生涯同样有着重要的影响。

 

著名物理化学家傅鹰讲课精辟透彻、风趣幽默。他特别强调学以致用。开学第一课,他就公开期末考试的一道必答题:“举一个你亲身经历的例子来说明一条胶体化学的原理。”附带要求:“这个例子不能是我在课堂上讲过的,也不能是其他考生例举过的。否则你最多只能得3分(5分是满分)。”几句话就让全班学生随时随地注意周围发生的各种自然现象,并试着用刚刚学到的胶体化学原理去加以阐释。这在教学法中堪称一绝。

 

著名物理化学家徐光宪为人平易谦和。他在讲课之余,还向同学们介绍自己的科研经验。告诫他们:科学研究的路途中,会有一些地方“花草很好看”。但是不要因此迷失方向,偏离更重要的目标。

 

著名理论物理学家周光召是当时给化学系讲课的最年轻的老师,也是最受欢迎的老师之一。他讲理论物理的“化学系精简版”。没有现成的教材,来不及写讲义,上课也没有写好的提纲。周光召手拿一支粉笔,边讲边写。一年下来,用心的同学只要记下关键的话语,抄下黑板上的公式,就组成一部好讲义。周光召不仅讲授物理内容,更注重训练思维方法。要求学生对于类似的概念不仅要看到它们的雷同,更要弄清它们的差异。

 

大学三年级时,范海福在大连石油研究所陈绍礼的指导下作科研实习。陈绍礼是刚从美国归来的青年学者。他的书桌旁有一个许多小抽屉的柜子,里面全是文献卡片。范海福跟陈绍礼学会了上图书馆查文献,通过对文献资料的分析对比得出自己的推论,然后用实验去检验。

 

科技界的工匠

 

1956年,范海福分配到中科院应用物理研究所(现物理研究所)。

 

“发明一种新方法,可能比测定十个新结构更重要。”这是范海福在物理所的导师吴乾章第一次和他见面时说的话。这里说的“方法”,是指晶体结构分析方法。范海福就在这句话的启发和引导下开始了几十年的晶体结构分析方法研究。

 

“我那行当,知道的人不多。”对于晶体学专业,范海福总是会这样开始介绍。晶体学是一个交叉学科,涉及到数学、物理、化学、生物学等等。它的名声虽然不够“显赫”,但对人类的贡献却非常大。是X射线晶体学,使人类懂得什么是原子半径、键长、键角等广泛使用的、描述物质微观结构的量;二战结束前后,由英美多位顶级晶体学家组成的团队,花了3年时间,用X射线晶体学方法测定了青霉素的结构,这才有可能广泛地使用青霉素为大众治病;20世纪中一些重大的科学事件如DNA双螺旋结构模型的提出、肌红和血红蛋白晶体结构的测定、结构生物学的创建等等都和X射线晶体学有密切的关联。

 

更直白地说,晶体结构分析就是一种工具,它帮助人类以原子的尺度去观测物质内部的几何形态。范海福曾经在一次讲习班中自我介绍说:“我们是几个工匠。请注意,我没有瞧不起自己,更没有瞧不起工匠。从世界上最伟大的建筑设计师,到辛勤地添砖加瓦的建筑工人都是工匠。设想一下,如果所有这些工匠都没了,我们该到哪儿住呢?有两个地方可供选择:洞里,或者树上!”

 

范海福继续解释,搞计算机设计和制造的人与搞晶体结构分析研究的人都可以算是科技界的工匠。他们并不直接去探索自然界的运动规律,但是他们为此提供不可缺少的工具,并不断地改进和革新这些工具。以X射线衍射分析为代表的、原子尺度下的物质结构分析已经有近百年的历史。而且还在不断地改进和革新中。原来花三年才测定出来的青霉素结构,现在大约三天就够了。原来经过二三十年才完成的肌红和血红蛋白的结构测定,现在大概一个月就能做完。

 

四十多年的“长寿”课题

 

2012年,中国物理学会、《物理学报》和Chinese Physics B编辑部把“最有影响论文奖”的特等奖授予范海福1965年发表于《物理学报》的文章:《符号关系式在测定含重原子晶体结构中的应用——I. 一个符号修正方案;II. 分量关系式及其应用》。那篇论文的第二部分(II)将直接法与蛋白质晶体结构分析中的“单对同晶型置换”和“单波长异常衍射”方法联系起来,是国际上直接法首次进入蛋白质晶体学的论文。写这篇论文的时间是1963年,那时范海福刚30岁。

 

“说实话,我当时并不清楚那篇文章到底有多大的意义。我只是试着打开一个缺口,把脚伸进衍射分析方法研究的园地。”范海福回忆说。长期以来,范海福总觉得著名科学家吴有训老先生对那篇文章的评价明显地高于自己当时对它的评价。

 

吴有训从那时起一直关注范海福在方法研究上的进展。同时,范海福还得到导师吴乾章、吉林大学教授余瑞璜等老前辈的鼓励和支持。但是接踵而来的“文革”,使这项工作受到严重干扰,只能以“黑题目”的形式艰难地、断续地进行。尽管如此,范海福等人在这一时期发表的论文仍被国外出版的一本专著用三页的篇幅详细地引述。

 

“文革”后期,在自己的处境并不算好的情况下,吴有训还叮嘱范海福:“Phase problem很重要,一定要坚持搞下去!”

 

范海福和同事们坚持下去了,而且坚持了四十多年。“晶体结构分析中的赝对称性问题”、“晶体超结构和非公度调制结构的直接法求解”、“蛋白质晶体SAD/SIR数据的直接法相位迭代推演”、“直接法辅助的蛋白质结构模型迭代修缮”等研究项目都是1965年文章的衍生物。其时间跨度从上世纪70年代直到现在。下一步,范海福和同事们还准备将直接法应用于单分子或单颗粒的、硬X射线激光衍射中的相位推演。

 

“人家都拿诺贝尔奖了,你们还研究什么”

 

这是范海福在上世纪80年代末面对的一个“问题”。事情还得从晶体学中的直接法说起。

 

X射线打在晶体上,会在不同方向上产生衍射波。如果能够把这些衍射波的振幅和相位统统记录下来,通过一个傅里叶(Fourier)反变换,就可以算出一幅表征晶体结构的电子密度图。但是衍射实验通常只能记录到衍射波的振幅而“丢失”了它们的相位。因此衍射分析的关键就是要设法恢复“丢去”的相位。晶体学中的直接法就是要从一组衍射波的振幅直接推引出相应的一组相位。它首先由D. Harker和J. Kasper于1947年提出。

 

上世纪50年代,一批先驱奠定了直接法的的数学基础。范海福在上世纪60年代初提出将直接法与原有的其他衍射分析方法相结合,以提高直接法的效能并拓展直接法的应用领域。

 

同一时期,国际上的直接法研究飞速发展,并逐渐在小分子晶体结构分析领域取得主导地位。它成十倍地提高了解析小分子单晶体结构的功效,有力地推动了结构化学的发展并促成了基于小分子的药物设计的创立。为此直接法先驱中的两位科学家J. Karle和H. Hauptman于1985年获得诺贝尔化学奖。喜庆之余,有些人提出了上面的那个“问题”。

 

1987年,第十四届国际晶体学大会期间为祝贺两位获诺贝尔奖的科学家,举办了一个学术报告会。主席是直接法先驱之一、英国皇家学会会员M.M. Woolfson。共有5位报告人,范海福是其中之一。他的报告阐明诺贝尔奖之后的直接法应该走出传统领域去开拓新的应用,并指出了四条拓展路径。

 

报告会的主持人Woolfson非常赞赏范海福的主张,他私下对范海福说:“(在五个报告中)You are far the best!”9年后,1996年第十七届国际晶体学大会的一个分会主席S. Fortier在她的总结报告中引用了范海福提出的拓展路径。

 

回顾这段历史,范海福颇有感触,他说:那时,我国在上述四个领域中的三个,已经占有重要的国际地位。我们用自己的研究工作回应了上面那个“问题”。科研的目标本来就不应该是“获奖”,“获奖”更不应该成为科研的终点站。