毛估比不估好
科學家不是“算命先生”,不能“預言”自己的研究結果;但茫無目標地“尋尋覓覓”也是科學工作者的大忌。進行科學研究時,我一向比較重視對最終結果的預測,以便從總體上更好地把握研究方向。我習慣于把這種預測叫做“毛估”,而且時常這樣告誡自己的學生和科研人員:“毛估比不估好!”
我所以特別強調(diào)“毛估”,說起來和我做學生時出過的一次差錯有關。記得念大學三年級時(1933年),教物理化學的區(qū)嘉煒老師挺喜歡考學生。有一回他出了幾道考題,其中有個題目特別難,全班就我一個人基本上做出來??墒堑雀暮玫木碜影l(fā)下來,我發(fā)現(xiàn)那道題目老師只給了四分之一的分數(shù),感到很委屈,因為我只是把答案的小數(shù)點點錯了地方。
老師注意到我思想上有些想不通,就耐心地開導我說:“假如設計一座橋梁,小數(shù)點點錯一位可就要出大問題,犯大錯誤了。今天我扣你四分之三的分數(shù),就是扣你把小數(shù)點點錯了地方……”。
我理解了老師重扣分的一片苦心,繼而就想如何才能避免諸如把小數(shù)點點錯地方之類的不應有的錯誤呢?當我靜下心來檢查出錯的原因時,我發(fā)現(xiàn)問題不僅僅在一時的疏忽上,因為我的計算結果在數(shù)量級上明顯的不合理;如果解題的時候能夠認真對照分析一下題目所給的條件,那錯誤是完全可以及時發(fā)現(xiàn)和糾正過來的。而我所以出了“岔子”,根本的原因就在于自己心中對解題的目標沒個“譜”。
從那次以后,不論是考試還是做習題,我總是千方百計地根據(jù)題意提出簡單而又合理的物理模型,也就是毛估一下答案的大致數(shù)量級,如果計算的結果超出這個范圍,就趕快檢查一下計算過程……,這種做法,使我有效地克服了因偶然疏忽引起的差錯。
1939年秋,我在英國獲得理學(國外通常稱為“哲學”)博士學位,旋即到了美國加州理工學院,跟隨后來兩度榮獲諾貝爾獎(1954年化學獎和1963年和平獎)的鮑林教授學習和從事結構化學研究。我注意到并十分欽佩這位導師所具有的那種獨特的化學直觀能力:只要給出某種物質的化學式,鮑林往往就能大體上想象出這種物質的分子構型。這無形中“催化”了我那樸素的毛估思維,我常常揣摩導師的治學與研究的思維方法,探究他那非凡想象力的根基與奧秘。我發(fā)現(xiàn)那是善于把握事物本質的能力與毛估性判斷的結果,這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)我更重視毛估方法的訓練和提高。
在鮑林教授指導下進行了一系列研究工作以后,我深深地領悟到,具有定性意義的毛估方法對于從事科學研究是很重要的;不錯,科學技術上的發(fā)現(xiàn)與發(fā)明往往是要經(jīng)過“定量”過程,即通過大量精確的實驗和計算之后才能完成;但在立題研究的初期,研究者特別是學術帶頭人如能定性地提出比較合理的“目標模型”(通常表現(xiàn)為某種科學假說或設想),對于正確地把握研究方向,避免走彎路甚或南轅北轍是很有意義、很有價值的。
回國以后的60年代,我在組織研究并合成有關硫氮系新型化合物的同時,曾設想從閉合多面體的立體構型能夠打開成閉合多邊形的準平面構型,甚至有可能進一步像硫黃這樣的環(huán)狀構型分子可以打開成鏈狀分子。“文化大革命”打破了這個計劃的實現(xiàn)。后來國外發(fā)現(xiàn)聚硫胺(SN)x的薄膜和纖維(外延生長)及其多種優(yōu)秀性能,證實了我當時的設想是合理的。
70年代初,豆科植物共生結瘤菌固氮酶催化的生物固氮作用以及它的化學模擬研究,引起國際上一些生物化學家和化學家的極大興趣和重視,當時在中國科學院生物局主持生物學科研究組織管理工作的過興先教授注意到這一動向,便倡議組織這方面的研究工作。唐敖慶、蔡啟瑞和我三位化學同行立即做出響應,把化學模擬生物固氮研究著手組織起來。
我和中國科學院福建物質結構研究所的同事們對固氮酶活性中心所可能具備的構型進行了“毛估”,認為理想的固氮酶活性中心結構模型應當是不少于四核的“簇合”型化合物。運用毛估的方法使我們在1973年下半年就提出了“網(wǎng)兜狀”四核簇的“福州模型Ⅰ”,這是當時國際上發(fā)展得最早又是比較成熟的兩個結構模型之一(另一個是蔡啟瑞教授提出的“廈門模型”),后來我們在此基礎上又發(fā)展出“福州模型Ⅱ”。在提出毛估的模型之后,我們還建議用網(wǎng)兜狀陸森黑鹽陰離子[Fe4S3(NO)7]作為化學模擬的第一步模型物。最近由美國的Rees及其合作者Kim和Chan提出的固氮酶鐵鉬輔基的活性簇芯結構模型,是由兩個四核“網(wǎng)兜狀”原子簇組成,一個是[(Fe3S3)Fe]的“黑陸森”簇;另一個是[(Fe3S3)Mo],其中Mo原子取代陸森黑鹽“兜底”Fe原子的“黑陸森”簇,和“福州模型Ⅰ”所差的只是Mo原子占據(jù)的位置,而“整體”和“福州模型Ⅰ”所差的則基本上只是兩個黑陸森鹽的偶聯(lián)方式,特別是就單體而言與“福州模型Ⅰ”十分類似??梢娢覀兲岢龅拿滥P陀胁恍〉暮侠沓煞?。
當然,運用毛估需要有個科學的前提,那就是全面把握事物的本質。“性能敏感”結構是我們在新技術晶體材料學方面提出的一種觀點,有趣的是:據(jù)說一位美國同行曾估計鋰硼砂[Li2B4O7]有可能是一種優(yōu)質倍頻晶體,可是這位美國朋友費了不少氣力培養(yǎng)出單晶之后,卻發(fā)現(xiàn)它的倍頻作用并不理想,因而向我們的一位研究人員請教。這位研究人員回答說,根據(jù)他早些時候進行的理論計算,硼砂陰離子[(B4O7)2-]不可能是優(yōu)質倍頻基團。
當這位同事向我介紹這個故事時,我當即微笑著告訴他,這其實用不著進行什么復雜的計算,只要從結構化學的角度毛估一下就可以非常直觀地看出問題所在:[(B4O7)2-]確實含有兩個有利于產(chǎn)生倍頻效應的[(B4O7)3+]平面六元環(huán);可是在鋰硼砂這種具體材料中,這兩個平面六元環(huán)共用一個相互交錯的[B2O3],這樣它們的平面性及類芳香性必然受到破壞,因而這種材料不可能顯示出優(yōu)越的倍頻性能。
這是我長期從事科學研究工作積累起來的一點體會,我想寄語青年一代科學工作者:當你捕捉到一個有價值的研究課題卻在工作開展后把握不住方向時,當你在探索真理的汪洋大海中感到茫然不知所措時,當你下狠心攻克某個科學難關而又難于攻下時,請回頭探討一下你的“目標模型”,問問自己是否已經(jīng)建立起一個相當合理的模型。
最后,我想與大家共勉的還是那句老話:“毛估比不估好!”