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日本化學家福井謙一在50年代初提出「前線電子」和「前線軌道」的概念，到60年代中期發現前線軌道的對稱性可以解釋和預測化學反應結果，創立前線軌道理論，這是第二次世界大戰以後化學理論方面最重大成就之一。但是，由於日本國內長期忽視，西方化學界很晚才引起注意，因此，直到1981年才榮獲諾貝爾獎金。時間正是他寄出前線軌道理論方面第一篇論文之後的30年。 福井獲獎受到高度讚賞 1981年10月19日晚10點，從斯德哥爾摩傳出令人驚喜的好消息，瑞典皇家學院宣佈，日本京都大學的福井謙一教授以「前線軌道理論」「發展了有關化學反應過程的理論」，與美國康奈爾大學的霍夫曼（R．Hoffmann）教授分享1981年度諾貝爾化學獎。福井謙一獲得諾貝爾獎金，引起日本科學界一片歡騰，特別是福井所在的京都大學工學部，更是熱鬧非常。為瞭解福井情況，直接來訪的記者絡繹不絕，訊問獲獎者消息的電話連續不斷。到20日早晨，人們爭相向福井教授熱烈祝賀，使這種氣氛達到高潮。當天晚上7點30分，京都NHK電台播出這條特大新聞；在緊接著出版的各種有關報刊和雜誌中，發表了大量祝賀和評論文章，高度讚賞福井先生的學術成就、科學工作和獲獎意義。 福井謙一於1918年10月4日生在日本奈良縣大和郡山市，自幼勤奮好學，用5年時間讀完6年制小學，用4年念完5年制中學，經大阪高等學校考入京都帝國大學（現為京都大學）工學部化學科學習。1941年3月畢業，從事與軍工有關的航空燃料方面的研究；1943年8月任該大學工學部燃料化學教研室講師；1945年3月升為副教授；1951年1月任教授，主講燃料化學教研室第四講座（現石油化學高溫講座），還主持過第二講座；1971年到1973年曾任京都大學工學部主任。福井謙一教授思想活躍，治學嚴謹，在長期從事化學、化工教學和研究中取得優異成績，撰寫出大量論文和著作，特別是集研究成果之大成的《化學反應同電子的軌道》和《定向和立體選擇理論》等名著，在化學界影響很大。1962年，由於對共價化合物電子狀態與化學反應關係的研究獲日本學士院嘉獎。1981年5月，被選為美國國家科學院的外籍院士。1982年，福井從京都大學退休後，仍然興致勃勃地繼續進行化學反應路線理論的研究工作。 福井是第四位榮獲諾貝爾獎金的日本科學家（日本有三位諾貝爾物理學獎獲得者：1949年湯川秀樹、1965年朝永振一郎、1973年江琦零於奈），也是第一個分享諾貝爾化學獎的東方人。福井謙一獲得諾貝爾化學獎，在日本科學界引起很大反響。日本分子科學研究所的長倉三郎認為，這是「1981年作為日本戰後35年自然科學發展的轉折點」的「重要標誌」，使「日本自然科學界，特別是化學界看到了明確的方向和希望」。福井謙一的合作者、日本京都大學工學部教授米澤貞次郎說，福井的獲獎成果潹潹前線軌道理論「已經作為理解化學反應本質的一大貢獻而得到高度評價」。很多日本學者把福井獲獎看成是推進日本科學新進展的良好機會。世界各國化學界同行也高度讚賞福井謙一創立的前線軌道理論，英國牛津大學物理化學主講裡查德（G．Richards）博士認為，福吉和霍夫曼的工作「是加給有機化學廣闊領域的一種巨大激勵，他們研究結果的頂點是形成了武德沃德霍夫曼規則，這恐怕代表第二次世界大戰以後有機化學發展方面最重要的一步」。可以認為，他們的理論是認識化學反應過程發展道路上的一個重要里程碑，對繼續進行深入的研究的人們具有極大的鼓舞作用。 敢於突破提出前線軌道理論 福井謙一本來是京都大學工程系的大學生和研究生，他所從事的學習、教學工作屬於應用化學，是一位傑出的實驗化學家。他科學興趣廣泛，在燃料化學、催化工藝學、催化理論、化學反應過程理論以及與分子科學相關的很多邊緣學科，都進行過研究並取得成果。然而，他與眾不同的是，特別注重應用化這理論問題的研究，在量子力學方面造詣很深。這固然與他所在教研室一貫重視基礎理論的傳統有關，但更主要的還在於他理論聯繫實際，把基礎研究與應用研究有機地結合起來，找到突破的方向，形成獨特的風格：這就是站在理論的高度，「使經驗色彩濃厚的化學盡可能非經驗化」。福井確信，如果沒有這種非經驗化，化學本身以及它在工業上的應用，都不可能得到進一步發展。 長期以來，流行於有機化學的傳統意子理論，用「整個分子中全部電子分佈的變化來說明化學現象」，並不注重區別看待各個不同軌道和電子「在化學反應中所扮演的不同角色」。福井謙一則在全面分析各軌道和電子在化學反應中變化的情況時，抓住主要矛盾，充分看出分子中結合得最鬆散的電子（即能量最高的電子）在反應過程中的特殊作用，並以此為突破口，創造性地提出了前線電子和前線軌道理論。 1951年10月29日，（幾乎是福井榮獲諾貝爾獎金的30年之前），美國物理學會的《化學物理》雜誌收到福井謙一等三位日本化學家的一篇簡短論文，題目是「芳香烴化學反應活性的分子軌道理論」，發表在該雜誌1952年第4期上，作者在這篇只有4頁的論文中說：「我們發現，電子密度最大的位置最容易受到條電或氧化性試市劑的進攻」，首次用「特定軌道電子密度同反應活性的關係說明芳香烴每個位置上反應能力的差別」。1953年5月31日，該雜誌的編輯又收到福井謙一等四位日本化學家合寫的論文「芳香烴、雜環芳烴和其它偶聯分子定向的分子軌道理論」，發表在1954年第8期上。在以後的著述中，福井繼續發展和完善了他的前線軌道理論。到60年代中期，他與霍夫曼幾乎同時而又各自獨立地發現，前線軌道的對稱性可以解釋以前難以理解的化學反應過程。 福井謙一的前線軌道理論，應用量子力學計算電子密度和描繪能級圖的方式，把簡單分子軌道理論向前推進一大步，在不使用大型電子計算機做複雜的精確計算時，也能較好地推測和解釋一些化學反應的條件、產物和反應機理。前線軌道稱為前線軌道；最高佔據軌道中的電子在化學反應中具有特殊重要地位，稱做前線電子；反應條件取決於前線軌道的對稱性。前線軌道理論計算簡單，圖像直觀，便於理解、掌握和應用，現已廣泛流行於有機合成，生命科學和藥物制備等各個領域。而「最高佔據軌道和最低空餘軌道的英文首母縮寫HOMO和LUMO也已成為有機化學家之間最常用的基本術語」。 前線軌道理論長期遭到冷遇 「但是，福井的早期理論並未引起人們注意，直到60年代中期，由於霍夫曼和武德沃德理論的建立方使這一理論受到普遍的重視」。據《科學的美國人》雜誌援引諾貝爾獎金委員會授獎公告說：「早在25年以前，福井謙一就曾提出分子的化學反應活性在很大程度上受它們束縛得最鬆散的軌道電子的某些波動必的影響，但是他的前線軌道理論在當時幾乎沒有引起化學家們的注意」。 特別值得指出的是，在日本國內，福井謙一教授的創造性科學研究成果受到了不應有的冷遇。正像西方一家報刊評論的那樣，福井的前線軌道理論「在他自己的國家卻未能得到多少人的常識」。事實上，福井有關前線軌道理論的頭兩篇論文，首先發表在美國的雜誌上，而不是在日本的刊物中，這在一定程度上反映出前線軌道理論在日本國內的處境。福井自己也坦率地承認，當他的觀點「成為新的理論時，日本人採取了非常保守的態度」，說得客氣一點，福井謙一教授的「國仙同行很可能忽視了」他的這一新理論。 人所共知，美國的科學雜誌是宣告科學新進展的主要媒介。但是，福井等人1952年1954年先後在美國《化學物理》雜誌上發表的兩篇重要論文，並沒有引起多大的反響。不僅在日本國內長期無人問津，而且在西方化學界也很少有人引用，有些化學家對福井謙一和他的前線軌道理論毫不瞭解。英國皇家化學會的一本刊物在介紹1981年諾貝爾獎金獲得者時，在福井謙一教授照片下面所寫的說明竟是：「福井，直到大約10年前他的有影響的創造性論著翻譯成英文之前，在講英語的世界中對他的工作認識是相當不夠的」。 「對前線軌道理論做出肯定的評價，經歷了漫長而以崎嶇的道路」，從第一篇論文發表到費來明（I．Fleming，著有《前線軌道和有機化學反應》一書）等人的最初支持，前線軌道理論度過了十分蕭條的第一個10年。這與福井因前線軌道理論榮獲諾貝爾獎金後，立即贏得廣泛稱頌的熱烈景象，形成了鮮明的對照。前線軌道理論最後得到肯定，與1965年武德沃德和霍夫曼提出的「軌道對稱性守恆」原理緊密相關。軌道對稱性守恆原理強調化學反應中特殊分子軌道的對稱性的作用，而這種特殊原理強調化學化應中特殊分子軌道的對稱性的作用，而這種特殊分子軌道正是福井所提出的前線軌道。可以認為，這也就是霍夫曼與福井謙一分享1981年諾貝爾化學獎金的背景。霍夫曼的理論提出之後，歐美化學界對福井謙一的前線軌道理論給以很大注意，引用福井前線軌道理論也越來越多，例如，武德沃德和霍夫曼的重要著作《軌道對稱性守恆》一書，引用福井的論著有十幾篇次。這樣一來，日本國內也開始重視福井謙一在前線軌道理論方面的研究成果。 福井謙一的前線軌道理論，起初在日本國內沒有知音，這同江崎玲於奈發現「隧道效應」的情況幾乎完全一樣。江崎的發明是1958年在日本利用國內條件做出來的，但是當他剛剛完成這項研究工作時，在國內並沒有得到正確的評價，反而遭到批評，甚至是近於刻薄的批評。因此，江崎的發明在日本「開花」，而「果實」卻結在美國。江崎對此深為遺憾，他認為，如果他的國內同行能夠早一些認識到這項開創性研究工作的意義，及時地繼續研究這項發明在半導體和超導技術方面的應用，「那麼1973年榮獲諾貝爾物理學獎金的三個人不就都屬於日本的了嗎！」與此相似，如果日本國內對福井的前線軌道理論及早認識並繼續研究和向前發展，不僅福井獲獎用不著這麼晚，而且此項成果的獲獎者也將全部都是日本人。 潮流傾向和障礙 福井謙一前線軌道長期被忽視的原因是多方面的，各種因素互相關聯，問題比較複雜。起初，前線軌道理論沒有找到適當的數學方程式，在解釋和預測化學反應方面所取的成功，主要借助於簡單的休克爾（E．Huckelo）分子軌道理論對大量化學實驗資料進行概括，並非依靠高深的數學推導和精確的數值計算，似乎是理論與經驗結合的直觀定性方法。福井理論與當時西方利用大型計算機做精確計算，以求化學純理論化的一股潮流，特別是「那種『只見樹木不見森林』，忘了化學而單純追求理論精密化的傾向」（實際是把化學問題簡單化了）大相逕庭。看起來前線軌道理論好像把複雜問題簡單化了。然而，這恰恰體現了福井謙一教授的獨創精神和前線軌道理論真正價值。 第二次世界大戰以後，美國成了科學發現和發明的主要發源地，美國科學雜誌是宣告科學進展的主要媒介，這給人們造成「人云亦云」錯覺。在科學界形成了一股東方看西方，西方看美國的潮流。一些科學記者甚至包括科學家自己在內，他們之所以注重某項科學成果，僅僅是因為西方，特別是「在美國得到了常識或被贊同」。福井提出前線軌道理論的初期，日本正處於戰敗後的經濟恢復階段，戰爭的災難和沉重的壓力還沒有完全解除，卑屈之感時隱時現，科學尚處於重新起步的發展時期。在這種情況下，福井高水平創造性的科學發現，在日本國內沒有碰到知音是不足為怪的。福井先生說，當他的觀點剛剛成為新理論時，日本人採取了非常保守的態度，「可是一旦你和你的理論在美國或歐洲受到人們的常識和重視時，便立刻風馳電掣般地擴展到日本」。 前線軌道理論長期被忽視，還有兩條特殊的原因：其一是日本在工藝技術方面的發展優勢掩蓋了基礎理論研究上的某些相對薄弱環節；其二是日本語在對外進行學術交流時的語言障礙。 福井謙一認為，國內同行忽視他的新理論，是因為「在日本沒有多少科學家是從理論的角度在運用它」，「日本在工藝學上的優勢有時的確掩蓋了在純科學研究方面的某些相對薄弱的情況」。日本人以善於模仿著稱於世，但這並不是說日本民族沒有創造能力，問題是缺乏適當的社會環境和心理因素。戰後日本經濟的技術迅速發展，固已取得很大成績，然相比之下，科學創造和理論發現則顯得黯然失色了。現代物理索尼研究中心的菊池誠先生直言不諱地指出：「我們日本人一旦有了明確的目標，就會強烈地全力以赴地向前去探索、去認識，然而在確定個新目標時，也許求知慾就沒那麼強烈了」。這種情況也與日本教育有一定關係。在歷史上，日本就是「尊孔之國」，它的教育思想受儒家影響很深。孔子教育思想的弊端是偏重已有知識的傳播，而不注意誘導學生通過自己的觀察和思考去獨立地探索、發現和創造，常常把記憶和背誦現成書本做為衡量學生成績好壞的標準，這在一定程度上阻礙了學生的科學發現和創造思維的發展。對科學研究工作影響的結果，容易出現迷信權威、偏重書本、循規蹈矩和照章辦事的傾向。然而科學最需要的卻是勇敢探索，努力發現，大膽創新。 日語是漢字與日文符號混用的語言，這在世界上是絕無僅有的。學習和掌握日語比較困難，特別是對於習慣使用英語等西方語言的人問題就更大了，這就大大限制了日語論文和書籍的讀者。由於語言上的障礙，影響了日本科學對外的傳播，要想使西方廣泛瞭解日本的科學成果，就需要把論文譯成英語等西方語言。 發展科學需要適宜的政策 分析前線軌道理論長期被忽視的原因，能夠從中找到有益的教訓和啟示。日本的一些有識之士，在慶祝福井獲獎的高興之餘，沒有忘記日本仍然存在某些不利於科學發展的弊端，並提出建議和希望。長倉三郎指出，「創造」在科學技術中具有「特殊的重要性」，科學創造性的發揮「需要適宜的政策」，「基礎研究與應用研究有著緊密的關係」。京都大學的兒玉信次郎也希望，「以福井獲獎為轉機」，「在應用化學研究中注意純化學理論的研究」，以便使日本的「純化學、應用化學和化學工業都取得較大的發展」。 高水平的科學發現在國內碰不到知音甚至遭到反對的現象，不只在日本有，在其它一些科學尚處於發展階段的國家中也程度不同地存在著。在我國，1982年10月榮獲國家發明一等獎的陳惠波，他發明「斜軋曲線和復合曲線軋輥」的論文，起初一些雜誌竟因觀點不同拒絕發表。後來《金屬學報》決定刊登。可是，「文章剛一發表，國內許多行家和學者持不同意見，幾乎陷於『四面楚歌』的境地」，不僅有「不同觀點的爭論」，而且有「某種門戶之見」，甚至還有「責難」。 科學發現、發明和創造，需要很多條件，物質的、精神的、社會的、心裡的、……，社會環境影響尤為突出。由於各國具體情況不同，需要把發展科學的一般規律同本國實際情況結合起來，制定適宜的政策，以利於發揮人的聰明才智，鼓勵探索勇氣和創造精神，使本國的科學事業較快而順利地發展。在國際上，廣泛進行學術交流，取人之長，補己之短，對發展科學和繁榮經濟已是迫不及待的問題了。但是，學習外國的先進科學技術，不應盲目崇拜外國，特別要防止民族虛無主義的自卑心理束縛科學創造精神。 ------------------ 亦凡公益圖書館掃校 |
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