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从乡村少年到科学大伽-化学家Urey的故事Ⅰ 精选

已有 5458 次阅读 2022-7-22 09:36 |系统分类:人物纪事

20世纪科学发生了翻天覆地的变化,深刻地影响了人类的生活习惯与思维方式。量子力学取得长足进步,将人类认知的领域无限缩小,从而打开了原子结构的微观世界。爱因斯坦的相对论改变了牛顿对时空不变,运动相对的固有认识,认为只有光速是永恒不变的,时空则是相对可变的。引力也并不是什么神秘的力,只是运动的物体在弯曲的空间中沿着最短的路径运动的结果。浩渺无边的宇宙也有规律可循,牵引着人类的目光与想象力,他们看到了白矮星、超新星、中子星……甚至意念中的黑洞,从而明了横躺竖卧在周期表里的元素均是宇宙膨胀与坍缩的产物,你我不过这些元素的一种临时起意,偶然组合而已。放射性和DNA的发现表明,宇宙中存在大量像地球这样的行星,人类可能只是数百万有意识和有智慧的生命形式中的一种。科学的进步本应给人类带来悠闲、富足与和平,但人类天生的贪念在世俗的社会里孕育出了杀伤力极强的原子弹,恰如一片乌云笼罩在世界的上空,煎炸着人类的灵魂,劈砍着人类的文明。科学的实用性导致许多人成为非道德的物质主义者,精致的利己主义者,从而使得科学的指南针发生了偏转,而几千年来指导人们生活信念与世俗行为的宗教信仰却可以弥补这一缺陷,至少因发现氘而获得诺贝尔奖的著名化学家Harold C.Urey是这样认为的。他经历了两次世界大战与冷战,亲手帮助制造了原子弹,首次将稳定同位素用于地球历史温度测量,研究生命与月球的起源。他常常哀叹世事的艰辛,怜悯世人的苦难,一生富有仁爱之心,正义之气,热心政治,醉心科学,笃信宗教。如今虽斯人已逝,但其令人无法抵抗的魅力依然如天地初开,宇宙大爆炸时的光芒,穿透137亿年的时光,来到了你我身旁,世人嗟叹忍不住去追寻逝去的荣光。

              image.png                     Harold C.Urey(1893-1981,来自文献3)

一、少年时光

Urey,1893年4月29日出生于印第安纳州一个小镇上,父亲是一名小学老师兼兄弟会教派的牧师。兄弟会传统上是一个保守的农业基督教教派,坚守清贫自守的农耕生活,在每日的礼拜与祈祷中,Urey一天天长大。6岁那一年,家族遗传天生患有结核病的父亲带着牵挂与愧疚恋恋不舍离开了人世,原本糟糕透顶的家庭状况更是雪上加霜,有时需要靠下湖捕鱼或乡邻救济勉强度日。烈日炎炎下,他与弟弟还有继父在田地里除草、挖洋葱,自小养成了坚毅如刀的性情,克服了许多常人难以想象的困难。

以全班倒数第二名的成绩勉勉强强考上中学后,他突然灵魂开窍,豁然开朗,成绩突飞猛进,直上云霄,很快来到了全班第一名的成绩,直至大学,这个头衔再也没有旁落他家,也被同学们戏称为“教授”。中学要到离家几公里的小镇上去读,他住在外婆家。这里的空气与氛围,与以前封闭、传统、压抑、守旧的生活环境相比,有着天壤之别。他刻意改变自己的穿着、发音,参加派对,与女孩交往,努力学习,只为渐行渐远乡下原生态家庭带给自己的有些人一生也走不出去的束缚,与羞怯、胆小、沉默、寡言的曾经的自己挥手说拜拜。

父亲的影响与老师的教导在他的心目中萌生了老师就是全天下最好的职业,于是1910年高中毕业,1911年获得教师资格证后,Urey就正式成了一名光荣的小学老师。最初在一间能容纳15-20名学生的小木屋中,后来则去了一个矿区,那里有两件教室,宽敞明亮,书声琅琅中有花香飘过,鸟儿欢畅。教书只能赚取微薄的收入,Urey住在学生家里,以辅导功课换住宿费,后来这个他认为并不太聪明的学生却考上了大学,这给Urey很大的触动。要想出人头地,有所作为,就得去读大学,1914年,第一次世界大战在欧洲刚刚爆发之际,Urey意气风发,迈入了蒙大拿大学的校门。

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Urey曾经当小学老师的学堂(来自文献5)

二、辗转求学

由于捉襟见肘的财政状况,Urey筚路蓝缕,以启山林。他去铁路上当筑路工人,在女生餐厅伺候小姐姐们就餐,在帐篷里睡觉学习。当老师固然是他喜欢的职业,但却无助于摆脱生活的窘境与心灵的困境。他想学习心理学,但心理学专业不招收大一新生,他又把目光投向生物学与化学,这里有很好的学习环境,还常能去大自然一沐阳光。系主任对行走在科学边缘的女人抱有同情心,在实验室招收女学生和女助手,这在当时的美国社会并不多见,特别是东部那些著名的常青藤院校。Urey把课程表安排的满满的,在三年的时间里就学完了全部课程,除体育外,其余学科全优。A.W.Bray是对他大学影响最为深远的老师,督促他研究原核生物,鼓励他学习化学,教授他英国剑桥牛津的学习风格,可以说正是在Bray的指引下,Urey真正褪去了羞涩的外衣,换上了自信的行装,以世俗之心来看待纷繁冗杂的世界。

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蒙大拿大学男女同课堂的生物课上(来自文献1)

1917年Urey毕业之时恰逢美国正式卷入第一次世界大战之机,来自德国的移民迅速被推到时代的旋涡中,关于独裁与民主、忠诚与背叛、身份的认同与归属此起彼伏,浪奔浪流,服务军队成了以示衷心的绝佳表达。在聒噪与动荡中,这些封闭的宗教团体被迫将“神圣”驱逐出灵魂,被所谓的美国标准文化侵蚀。Urey也面临做出选择的尴尬境地,他不想服务于战争一线,最终去了后方一化学公司,帮助生产战争所需化学材料,由此在化学的溶液中沉淀出了一位伟大的化学家。

1919年战争结束后,Urey失去了在工业化学界工作的热情,也缺乏归属感,于是又回到他的母校准备担任生物学老师。但是一战的爆发提升了化学在美国的地位,大学也纷纷建立了化学系,正是缺化学老师的时候,Urey顺理成章成了一名化学老师。教书两年后,Urey意识到如果想在学术上有所进步,需要获得博士文凭,在别人的引荐下,他最终选择了加州大学伯克利分校,Gilbert N.Lewis成了他的导师。一路向西,奔向太平洋沿岸,感受惊涛拍岸,卷起千堆雪。

20世纪初,美国西部变得越来越有秩序与涵养,吸引了大批科学家前往,特别是经过第一次世界大战的洗礼,有些大学已经屹立于美国科学前沿。Gilbert N.Lewis就是这样一位富有长远眼光的化学家,他在加州大学伯克利分校建立了自己的科研王国,有着世界一流的实验设备与一批才华横溢的专业队伍。他提倡放羊式管理,渗透式教育,学生与老师之间平等对待,也不注重课堂学习,通过每周一次的研讨会来掌握手下的工作进度与了解前沿知识。这里既有自由又有资源,只要你有潜能与热情,持之以恒并偶然之间灵光一现,就又可能获得成功。Urey很喜欢这样的学习氛围,也渴望终生能成为其中一员,他的博士论文是关于分子铯蒸气电导率的热力学研究,他不像其他物理学家从理论上研究这个问题,而是用光谱数据从实验上分析这个问题。尽管最终他对自己的博士论文不甚满意,但这段经历却让他真正成为了一名研究性科学家,他开始熟悉原子与分子的性质,能够熟练掌握分子光谱技术,更为重要地是,接触到了正在兴起的量子力学。

1923年,获得博士文凭后,Urey决定到欧洲Niels Bohr执掌的哥本哈根理论物理研究所学习原子和分子结构的相关知识,为期一年。哥本哈根理论物理研究所在理论物理研究领域久负盛名,特别是当时正在发展的量子力学,因此这里也被誉为“物理学界的朝拜圣地”和“量子力学的诞生地”。Urey发现要进行理论物理研究,需要有深厚的数学功底,拥有这种天赋的人可以在几分钟内完成他365天都做不到的事情;但如果是实验者,情形就不同了,即使比你聪明,也需要花费相当多的时间。刚到研究所时,他就像掉入花岗质岩浆的一块闪长岩包体,与周围环境格格不入,但是潜移默化中被不断熔蚀与同化,从读不懂文献到能流畅阅读到能发表理论文章彰显了这种缓慢进步。学习期间,他有幸结识了海森堡、泡利、爱因斯坦、普朗克等我们耳熟能详的科学巨人,有助于他重新定义对生命与文化的看法。哥本哈根的宁静生活也给他留下了深刻印象,他与房东亲切交谈,骑着自行车穿街走巷,领略这座城市的历史与风光,仿若回到了童年熟悉的年代。

三、寻“氘”之路

1924年,Urey回到了美国,本想继续在他的导师身边从事科学研究,但是Lewis以各种理由搪塞,这令Urey很不爽,最终在约翰霍普金斯大学谋得了一份教职工作。由于约翰霍普金斯大学缺乏相应实验设备且对量子力学缺乏足够兴趣,Urey少有机会开展原创实验工作,从而有大把时间从事理论研究,虽然他认为自己在这方面缺乏足够的天分。他的研究内容包括分子光谱、电子自旋、原子结构等热门课题,这使他声名鹊起,俨然成为美国科学前沿一颗冉冉升起的新星。他教授学生量子力学、原子结构相关知识,还结识了一批优秀的科学家,有些更是成为他未来几十年的合作伙伴,他与Ruark共同撰写了Atoms,Molecules and Quanta一书,成为首批向说英语的国家介绍量子力学的经典教材之一。1925年乘去西雅图看母亲之际,拜访了大学时认识的一位女性朋友,后者把她的妹妹Frieda介绍给了Urey。Urey从来不被认为是一个喜欢户外活动的人,但他还是抽出了两周时间陪Frieda一起去爬山,在半个月的时间里他们相爱了,不到一年时间里他们结婚了,他们的登山生涯也结束了,从此以后Urey的户外活动仅限于家中花园。

1929年Urey去了哥伦比亚大学,那里有先进的实验设备,宽松的工作环境,正好可以发挥他的长处。1931年对他而言可谓震撼大地之年,他一共发表了7篇文献,还发现了使他名垂史册的氘同位素。同位素的概念早在1913年就已提出,意思是在元素周期表中占据相同位置但是却有不同质量的原子种类。1919年科学家使用质谱仪利用电磁场根据重量进行了同位素分离。1922年,他在加州大学伯克利分校的前同事宣称发现了17O与18O两种氧的同位素,1931年发表在某杂志上的通讯文章也表明存在氢同位素,这些信息激发了Urey寻找氢同位素的兴趣与热情。

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Urey用于推导重氢的简图(来自文献5)

(由于当时还没有发现中子,所以简图上的质子是后来的原子量,中子1932年被发现)

Urey绘制了一张已知同位素的简图,挂在办公室的墙上,每天仔细端详,推断可能存在2H、3H、5He,今天看来这张简图并不具有完全科学意义,倒是更有重要历史意义。他和助手G.Murphy改进了一台未被充分利用的光谱仪,通过测量光谱可以判断重氢的存在。当下之急是想办法富集重氢,可以通过蒸馏液态氢而实现。重氢与普通氢的丰度比约为1:4500,为了使自然丰度的重氢富集100-200倍,需要将5升液态氢蒸馏为1毫升。为了获得5升液态氢,Urey联系了美国国家标准局的F.G. Brickwedde,他们曾经在约翰霍普金斯大学有过交集,双方一拍即合。Brickwedde准备样品,Urey与Murphy优化光谱分析方法,令人遗憾地是,第一件样品重氢的谱线强度并没有明显增强。幸亏Urey不是个轻言放弃、执着如一的人,他们又准备了第二件样品,这次获得了确凿无疑的证据,那一天是1931年的感恩节(每年11月第四个星期四),他的老婆孩子一直在等着他回家吃晚饭。

Urey将这种氢的同位素命名为deuterium(氘),氘的发现为原子时代铺平了道路,深深影响了物理、化学、生物、医药等方面的研究,也为核爆炸实验提供了一种新的弹丸—氘核。1934年,Urey凭借氘的发现独享诺贝尔化学奖,是美国获得的第三个诺贝尔化学奖,一时之间声名大振,也使大萧条时期贫困的家庭一举跃升为中产阶级。他拿出1/4的奖金,分给了Murphy与Brickwedde,也慷慨解囊资助女性科学家与受歧视的犹太科学家。他本来以为Lewis会邀请他去加州,帮助开展工作,并以以前的学生为荣,但恰恰相反,Lewis在Urey发现氘后,凭借手中雄厚科研力量,做了大量有关氘的工作,试图以某种方式将学生的功劳据为己有,随着Urey获得诺贝尔奖,他们在人生的道路上越走越远。

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Urey vs.Lewis(来自网络)

对真理的探索在某种程度上是困难的,在另一种程度上是容易的,因为很明显,没有人能完全掌握它或完全错过它。每一种都能增加我们对自然的了解,从所有汇集起来的事实中都能产生某种伟大的感觉。

——亚里士多德

未完待续

从原子弹到月球起源-化学家Urey的故事Ⅱ




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