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2013诺贝尔化学奖、物理化学和化学物理,及学术上的尾巴摇狗

已有 28911 次阅读 2013-10-14 09:18 |个人分类:科普科普|系统分类:海外观察|关键词:化学物理,物理化学,诺贝尔,Karplus,Levitt,Warshel| 诺贝尔, 物理化学, 化学物理, Karplus, Levitt

2013诺贝尔化学奖、物理化学和化学物理,及学术上的尾巴摇狗(Tail wags the dog)

2013.10.14

因为研究方向不太相同,我和2013年诺贝尔化学奖的三位获得者没有什么直接关系,只是几年前在芝加哥大学开会时跟Arieh Warshel请教过几个简单问题,所以本来是不准备多说什么。不过这几天浏览了一下科学网上关于2013年诺贝尔化学奖的一些博文,觉得还是得说几句。

博文《帮忙看看照片上都有谁?》链接:http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=176&do=blog&id=732006

2013诺贝尔化学奖是物理化学和化学物理的胜利

2001年5月11日晚诺贝尔奖化学奖获得者Harold Kroto在北京四中和那里的高中生们讨论科学。其中一个学生问道:21世纪是生命科学的世纪,为什么还要学化学?Kroto回答说:21世纪最重要的前沿是生命科学和材料科学,二者都必须以分子科学为基础,而这正是化学。

博文《货真价实的科普(二):Harold Kroto》链接:http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=176&do=blog&id=575

今年的诺贝尔化学奖授予Martin Karplus, Michael Levitt和Arieh Warshel三人在“发展复杂化学系统的多尺度模型”(“for the development of multiscale models for complex chemical systems”)方面的贡献,正好说明了Kroto在12年的答案之正确。三位获奖者致力于发展的复杂化学系统的多尺度模型,在生命和材料科学方面都已经获得了广泛的应用。

以我知道的科学常识来看,Karplus、Levitt和Warshel的成就,深深地根植于物理化学和化学物理的研究中。如果只把他们的研究归结于所谓生物学或者更为狭隘的计算化学的胜利,应该说只能是喧宾夺主。用一句美国成语来说就是典型的Tail wags the dog(尾巴摇狗)。

我这样说的证据在哪里呢?

American Institute of Physics(AIP - 美国物理联合会)有个关于2013年诺贝尔化学奖的网页。上面说:

“The work behind this year's Nobel Prize in Chemistry focuses on how to answer questions about the function of large complexmolecular systems such as those involved in photosynthesis and human vision. In modern biological physics, laboratory experiments are run side-by-side with computational modeling, the two relying heavily on each other to reveal in the end why a particular system behaves the way it does. Multiscale modeling explains properties and behavior of large systems, such as complex biomolecules, by focusing on important details, such as key sites on the biomolecules where chemical reactions take place. The foundational work in multiscale modeling was done by the three laureates — Karplus, Levitt, and Warshel — and it helps to accurately explain and predict how important behaviors involving electrons at the atomic and molecular level contribute to function at the systems level.

In the 1970s Warshel and Karplus began collaborating on this multiscale modeling technique, relying on each other's area of expertise to devise a computer program to describe complex chemical systems that would combine the approaches of classical physics — in which atoms are treated as colliding billiard balls — and quantum mechanics — in which electrons are modeled as being in a cloud of possible positions. Levitt and Warshel then made further important strides which made it possible to study even larger systems such as proteins. Understanding protein function and their subsequent degradation can lead to insights into a number of diseases such as Alzheimer's.”

AIP出版部的首席执行官John Haynes说得更简洁:

“Today's Nobel Prize announcement is a great example of how the study of Physics, Chemistry and Biology are crossing traditional boundaries to help tackle tough problems ranging from designing new materials for renewable energy to pharmaceutical drug design.”

美国物理联合会2013 Chemistry Nobel Prize Resources网页链接:http://www.aip.org/nobel/chemistry2013.html

做物理化学要在JCP上发表高质量文章

有趣的是,AIP的这个网页还列出了Karplus和Warshel过去在AIP出版的Journal of Chemical Physics上发表的与本次诺贝尔奖相关的数十篇文章。据JCP主编Marsha Lester称,Karplus到目前为止在JCP上一共发表了160篇论文,这些文章到目前已经被引用了超过20000多次。另外一位获奖者Levitt以前也在JCP上发表文章。他和Warshel在以色列本来就在同一个老板手下干活。

不仅如此,尽管Levitt现在是所谓Stanford大学的结构生物学系的教授,但看过Levitt简历的人会发现,Levitt在1981-1982年在美国NIH(国立卫生研究院)工作的部门叫做Laboratory of Chemical Physics(化学物理实验室),而他在1979年到1987年一直在以色列Weizmann科学研究所的Department of Chemical Physics(化学物理系)从副教授升为正教授并且做了三年主任。

事实说明,Karplus,Levitt和Warshel三人的主要研究和成就实际上正是集中在化学物理和物理化学的核心领域,这应该是没有疑义的。

2007年我写过一篇博文《外行看热闹,内行看门道:诺贝尔化学奖2007之Ertl PK Somorjai篇》,其中比较了Ertl和Somorjai引用次数最多的20篇科学论文的差别。其中最有趣的是Ertl完胜Somorjai的地方,正好是在这20篇文章中Ertl和Somorjai在JCP上发表的文章数目比6:1。结果当然大家都知道,诺贝尔奖委员会把2007年的诺贝尔化学奖单独给了Ertl,连分一杯羹给Somorjai都没有。尽管有很多人认为这对Somorjai不够公平,但我个人相信这的确可以给国内化学界那些那些自以为是在做物理化学工作却又没有在Journal of Chemical Physics上发表过什么像样论文的人是一个和直接的警示。

博文《外行看热闹,内行看门道:诺贝尔化学奖2007之Ertl PK Somorjai篇》链接:http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=176&do=blog&id=8813

什么是物理化学和化学物理?

现代化学和物理化学的祖师爷之一Gilbert N. Lewis曾经说过 Physical chemistry is everything that is interesting(任何有趣的东西都是物理化学)。今年九月在Indianapolis的美国化学会年会上Journal of Physical Chemistry提供的T-shirt上写的就是这句话。


Lewis还说过:Science is either physical chemistry or nuclear physics ((自然)科学要么是物理化学,要么是核物理。)。Lewis给出的是物理化学的最为广泛的定义。在很大程度上Lewis这样说是有道理的,因为所谓物理化学的理论和方法和研究内容的确是非常广泛。不然也不会经常出现所谓Tail wags the dog的现象,因为内容太广泛,人们常常会把物理化学的应用看成是脱离了物理化学的基本方法和手段发展的更为重要的东西。

化学是物质科学中的中心科学(Central Science),关于如何认识化学和物理化学的问题,说来话长,这里就不多讲。有兴趣的可以去看若干年前我和基金委化学部物化处杨俊林博士写的《物理化学进展》中的相关部分。

王鸿飞杨俊林《物理化学进展》链接: http://image.sciencenet.cn/olddata/kexue.com.cn/blog/admin//images/upfiles/20071010194332812931.pdf

那么,既然物理化学几乎无所不包,化学物理又是什么东东呢?

化学物理其实是八九十年前有些人违背物理化学无所不包的理念而导致产生的一个学科。八九十年前量子物理和量子化学飞速发展的时候,美国物理化学杂志(Journal of Physical Chemistry)的主编Cornell大学化学系的教授Wilder Dwight Bancroft认为用过于物理和理论性的东西来研究化学,算不得物理化学,居然常常对有关的论文借口没有化学上的general interest或者high impact不予发表。结果当年那帮后来的现代物理化学的老大们只好另立门户,在美国物理联合会AIP的旗下于1933年创办了Journal of Chemical Physics杂志。JCP的第一任主编是当时哥伦比亚大学化学系Harold Urey,他因为发现重氢(deuterium)获得1934年的诺贝尔化学奖。

这段历史,以及化学物理学学的相关信息,在我以前写的博文《彭桓武先生与化学物理学-一点纪念》中有更多提及,有兴趣的朋友可以参考其中的资料。值得一提的是,在1980年代初,中国两弹元勋理论物理学家彭桓武先生就在中国科学界推动和呼吁关注化学物理和生物物理学的研究,他还专门写了一篇《化学物理学的诞生 发展及其研究意义――从【化学物理杂志】谈起》文章,发表在《百科知识》上。

博文《彭桓武先生与化学物理学-一点纪念》链接:http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=176&do=blog&id=417

既然物理化学的研究对象几乎无所不包,化学物理又是现代物理化学最为深厚的基础,也就不难理解为什么物理化学和化学物理的理论方法和实验手段对于其它相关的物质科学和生命科学的影响非常深远和无所不在。比理论方法和实验手段更为重要的,是通过前沿的基础科学研究训练出来的人才,并成为推动相关领域发展和应用的最重要力量。

学术上的尾巴摇狗(Tail wags the dog)

Tail wags the dog的意思是A minor or secondary part of something controlling the whole(不重或次要的部分控制了全部。)这个现象其实到处都有。比如说目前美国政府停工,就是美国国会共和党议员中内少部分人要挟了国会中占多数的共和党人一起反对政府预算和奥巴马的医疗法案实施的结果。

在科学相对落后的社会中,即使是在科学界之内,人们也认识不到基础科学研究的重要性,所以常常是在做尾巴摇狗一类的科学。结果是整个科学界里面应该是主流的东西成了非主流,非主流的东西反而成了主流。比如说,国内物理化学领域相关的杰青和院士,多数居然是靠JACS或者Angewante Chemie的文章评出来的,这种事情拿到国际上完全就是不可思议的事情,但在国内学术界却是常态。做物理化学或者化学物理研究的科学家,在其它期刊上偶尔发表一些所谓有general interest或者high impact的文章并不是坏事,不过并没有在真正的物理化学和化学物理期刊上发表过系统的和重要的工作,怎么能够有资格成为该领域的学术带头人呢?当然,国内其它领域的状况估计也差不多。

国内科学界基础研究的基本状况,决定了研究中创新的水平和人才培养的水平。事实上,在很多重要的基础性的研究方向上,国内科学界很少有人在从事相关研究。不少国内人多势众的研究领域,往往却是不那么基础和缺乏重要性的领域。这种一窝蜂拥往某些看起来时髦的领域的行为,其结果不仅仅是资源和人才的巨大浪费,同时丧失的还有可能的领先未来的机会。造成这种状况的原因很多,其中不乏决策和基金管理机构的短视和不作为,更多的却是研究者们自己在专业上缺乏预见和不负责任。

现代科学的交叉融合,往往让很多人看不清学术发展的源流。国内主要的大学和研究所基础研究人才缺乏、研究方向偏离学术发展主流方向、以及研究水平薄弱的状况如果不能得到真正的改变,这种学术上尾巴摇狗的现象就一定会长期持续下去。

这些也正是看过一些相关博文之后感到值得忧虑的问题。



2013年诺贝尔奖
http://blog.sciencenet.cn/blog-176-732783.html

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