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你可能想不到,錢學森是個化學家 | 王鴻飛

來源:格致論道講壇      2021-02-10
導讀:“化學里面很重要的一部分是合成,我們的所有的材料、藥物,我們生活里面用到的所有的東西,都跟化學有關。”

大家好,我今天要講的題目是錢學森是個化學家

這個題目大家聽起來可能會覺得有點意外,因為確實很少有人這么講。

但是我想結束時也許你們會明白我為什么這么講,因為我覺得這是非常重要的一件事。

它關系到我們對基礎科學之間關系的認識、現代科學和現代的高技術之間的關系,以及我們中國未來發展的一些事情,當然這是我個人的觀點。

大家都知道錢學森是著名的力學家,是我們中國的火箭和導彈之父、“兩彈一星”功勛科學家。

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他不僅在中國做了這些重要的貢獻,早年他在美國的時候,在美國的科學、飛行和導彈技術發展上面,也做了非常多的貢獻。

所以我現在要講他是一個化學家,大家一定會覺得意外。

但是大家也不應該覺得那么意外,因為我是一個化學家,錢學森先生是我上大學和研究生時的導師的導師,他一定跟化學是有足夠的關系的。

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這張照片的是1964年左右錢學森,指導他的研究生馬興孝教授的照片,當時是在《光明日報》上面發表的。

上面講錢學森是中國科學技術大學化學物理系的教授,那么化學物理系是什么?你們可能也沒聽說過,因為中國科大的化學物理系,是中國唯一一個大學里面的化學物理系。

如果我們要講錢學森是個化學家,第一個問題就要說化學究竟是什么?大家可能對化學都有自己的理解,我對化學的理解非常簡單,化學就是變化的科學。

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如果要去找中國古代的化學的話,中國古代的化學就是《易經》,《易經》就是變化的科學、變化的學問。

實際上這里邊的關系也還是非常正確的,為什么?

《易經》里講自然界的基本元素是什么?是金木水火土。

它們組成的物質是什么性質,它們之間怎么相互作用、怎么變化,所以這是真正的化學,要研究變化,首先就要研究物質本身的性質。

化學還要研究物質的組成、基本性質,以及它的變化,這就是化學。

無處不在的化學現象

化學的現象是到處都有的。

我們經常看到科普的表演,表演燃燒、各種各樣溶液變化的性質,這些是化學。

另外這些東西也是化學,火箭里飛行燃燒的過程、原子彈爆炸的過程,這里面都涉及到非常多變化的事情,這些都是化學研究的內容。

化學也是非常實用的技術。我們知道人類從古到今,有兩個方面的追求是永遠存在的,一個是追求財富,一個是追求健康。

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財富有關的要去煉金,跟健康有關就是要煉丹。

我相信再過五千年,再過一萬年,人類還是要做這兩件事情,除非我們不再追求財富,也不再追求健康。

我們現在的煉金術,比如像芯片的制造、藥物的發現和生產,它們都是跟化學有關的、非常重要的應用。

如果你要想去賺錢的話,就要去做這些事情,就要做煉金術或者是煉丹術,從古到今都是一樣的。

但是對化學的研究來講,我們并不僅僅去研究這些宏觀的現象,或者是一些應用的東西。我們是要從原子分子的層次上,去研究物質的性質,研究它的機理。

左邊這個圖上面給大家講的是,化學里面很重要的一部分是合成,我們的所有的材料、藥物,生活里面用到的所有的東西,都跟化學有關。

它們是合成化學的結果,我們要理解合成化學的過程,控制它的過程,控制合成東西的性質。

我們需要對物質的化學結構、化學反應的程度,和化學反應的過程進行了解。

在20世紀量子力學、統計力學和現代的實驗方法發展起來之后,化學成為了一個非常廣泛的、復雜又實用的東西,也是有著非常復雜的技術和理論的一門學科。

如果我們要理解現在的化學家都在干什么,那么他們真正在做的化學研究實際上可以用三個M來表示。

第一個M是Make,是合成制造;

第二個是Measure,是要做精確的測量,像我自己就是一個光譜學家,用光譜研究界面的分子結構和動力學。

第三個事情是要做Model,要去計算,用理論來描述化學的現象,要計算化學物質的性質,要計算化學的過程。

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所以,把這三個M理解了之后,你就知道了化學家在干什么事情,不僅僅是像以前我們通常理解的一樣,化學家都是在做一些瓶瓶罐罐的東西,把一些溶液、氣體給混合起來,那是最基本的化學。

現代的化學遠遠超出這些,所以化學不僅僅是瓶瓶罐罐的化學。

這兩張照片是我以前在國外的時候,我自己的實驗室,這上面的用的都是激光器,用光學平臺上面的超快激光來測量分子的性質。

我們不僅要去測量這些性質,還要自己去構造這些儀器,發現它的原理,然后來做這些事情,所以很多現代的化學是這樣做的。

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我在復旦大學的同事王鳳燕教授,她為了研究一個這么簡單的化學反應,即鋁原子跟氧分子的反應。

她要用到這樣非常復雜的設備。要有復雜的真空設備、電子檢測設備、計算機控制 CCD,還要有各種各樣的信號處理和儀器控制的設備,來研究一個化學。

所以現代的很多化學的實驗室里面,都是在做這些復雜的事情,那這些東西有什么用?

大家想一想,這些技術都是現今真正的高技術所涉及到的東西,你要去做芯片,你要去做光學的控制,你要去做真空,你要去做純的東西,所以這些東西都是跟這個有關系的。

所以現代化學有很大一部分是在做這樣的研究,它不僅僅停留在瓶瓶罐罐的層次上面。

所以要是理解了現代化學,不僅僅是在瓶瓶罐罐的層面的時候,就可以在某種程度上理解為什么錢學森是一個化學家?

他顯然不是經典的、古代的那種做瓶瓶罐罐的化學家,他是做現代化學的化學家,而且,他是對中國現代的化學做出最大貢獻的一個科學家。

那么化學是什么?

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化學是要從原子和分子的層次來理解事情,像了不起的物理學家費曼教授,他也是錢學森當年在加州理工學院的教授。

他比錢學森還要年輕,他在他最著名的《費曼物理學講義》上面,他在這里面講過一句非常重要的話:“什么是最重要的知識?如果由于某種災難,人類所有的知識都沒有了,只能留下一句話留給后代,那么什么是我們要告訴他們的最重要的科學知識。”

他說,我們要告訴他們:物質是由原子組成的。

其實他講的還不夠,物理學家們很多時候只看到原子,但實際上如果不告訴他們原子上面還有分子的話,那么人類不知道要花多少年才能去發現這些知識。

所以跟化學有關的、原子和分子層次上的東西,是人類最重要的科學知識,那么錢學森在費曼之前,也是這么認識的。

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在1950年的時候,他在美國火箭協會的雜志上寫了一篇文章,叫做《物理力學——一門新的工程科學》。

他在文章的第一句話是:“物質是由原子分子組成的,所以要解決現代工程科學的問題,必須要從原子和分子著手”,這是他在當時提出物理力學這門學科的出發點,跟費曼是一樣的,他們抓住了世界上最重要的科學、問題。

因為傳統的工程很多都是宏觀的,但是現代的很多工程的問題,比如說要高速飛行,火箭的燃燒,各種各樣的一些東西。

在這種情況下,氣體會電離,如果不研究這些東西,就沒有辦法控制火箭的飛行。

所以,錢學森從這個角度認識到現代的很多工程的問題,不能夠用簡單的方法,即通過先做小規模的實驗再去放大,而必須要從原子、分子的原理去了解,物質的性質是怎么變化的,然后再來研究這件事,他才提出了這個學科,所以這是非常重要的一個概念。

更有意思的一件事情是在這篇文章里,他引用了很多的文獻都是從《化學物理學報》上面來的。

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錢學森為什么會做化學物理系的教授?為什么當年會創建化學物理系?

這是獨樹一幟,只有中國科技大學才有的這么一個系,我就是從那個系畢業的,錢學森的學生是我的老師。

錢學森做了很多的貢獻,我們不能說他僅僅是一個化學家,但是從他創立了物理力學、并從工程科學的角度來認識到,原子和分子的一些基礎科學的重要性,然后在中國建立了這樣一門學科。

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從這個角度上來講,他是一個化學家。中國科大化學物理系是錢學森和郭永懷創辦的,這是非常有意思的事情,因為錢學森是一個力學家,郭永懷也是一個力學家。

郭永懷也是他所在的加州理工的同學,是他的師弟,后來是康奈爾大學航空工程系的教授,1956年回國以后,成為了中國科學院力學所的副所長。

所以中國科大的化學物理系,是一個非常有趣的系。

郭永懷先生,我們在新聞里面都會看到他,他是我們系的第一任的系主任,他是“兩彈一星”功勛科學家中,真正對“兩彈一星”都有實實在在重要貢獻的人

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化學物理系非常有意思,它的系主任是力學所副所長,它的副系主任是中國學院化學所所長。

所以它是一個跟化學系有關的系,居然不是化學家在當系主任,而是個副所長當系主任(化學所)所長當副系主任。

因為有錢學森在那里,錢學森在系里面只是當了教授,他為什么沒有當系主任呢?

因為他是中國科大的力學系系主任,他不能同時當兩個系的系主任,所以他就讓郭永懷去當化學物理系系主任。

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化學物理系的歷任系主任,第一任是郭永懷,他是力學家,第二任是盧嘉錫,他曾經是做過中國科學院院長,后面是我當時的老師,俞書勤老師和何天敬老師,他們都是中科大化學物理系畢業的。

后面的包信和校長,他現在是中國科學技術大學的校長,還有楊學明院士、張東輝院士,都是歷任的系主任,化學系還有其他的著名教授。

我們剛才已經講過了錢學森,比如朱清時曾任中國科大的校長,南方科大創始校長.他也是我們化學物理系的,還有吳奇、楊金龍等,所以化學物理系是這樣的一個系。

你們可能沒有聽過這個系,但里面的許多人也許都聽說過,它不是一個不重要的系。

這是第二屆化學物理系物理力學專業的畢業照,正中間的第二排是錢學森,他往左邊數兩個就是馬興孝老師,他是錢學森的研究生,當時也是系里面的助教.

講了半天化學物理了,大家可能要問:化學物理究竟是一個什么樣的學科?它究竟是物理還是化學?

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如果我們望文生義的話,會說物理化學可能是化學,化學物理可能就是物理。

有的人真的是這么認為的,而且化學物理有很多物理的方法、理論和實驗,所以很多人說,化學物理就是物理學家去做化學,不是這樣的。

實際上化學生物學也是化學,物理化學是化學,化學物理也是化學,生物化學是化學,化學生物學也是化學,這才是真正的理解。

那么化學物理是怎么來的?

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化學物理誕生的一個標志,是1933年《化學物理》雜志的創刊,它的第一任主編,是1934年的諾貝爾化學獎的獲得者,哥倫比亞大學的Harold Urey教授他當時為什么要成立這么一個學科?

因為隨著量子力學、統計力學和現代物理方法的發展,很多人用這些東西在原子分子程度上去研究現代的化學,這些人并不被傳統的化學家所接受。

傳統的化學家還是認為,要做瓶瓶罐罐的這些東西,比如電化學或者是膠體化學才是化學。

這些走在化學前沿的人,沒地方發表文章,他們自己就成立了一個新的雜志。

要想知道這段歷史可以看這一本書,是1990年代出版的《PHYSICAL CHEMISTRY FORM OSTWALD TO PAULING》。

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這個照片上面的人是Wilder Bancroft,曾經是非常著名的化學家,康奈爾大學的教授、美國化學會會長,他1896年創辦了物理化學雜志,1896-1932年一直任主編,這個雜志就是他個人的,他在當時就認為這些人做的都不是化學。

什么是化學呢?他信為膠體化學、電化學或者是相規則等傳統的物理化學才是化學。

他自己是很好的一個化學家,他的導師也是得過諾貝爾化學獎的能斯特,所以他雖然是一個化學家,但是他認為這些新的化學不是化學。

但他當時的理解是非常有問題的,因為在1930年代時,大家對大分子還沒有認識,認為蛋白質還不是分子而是膠體,他當時做的這些事情,到了五十年代之后,大家發現他做的科學不太靠譜,所以他就被人遺忘了。

盡管他在當年是非常有影響力的化學家,所以我們說他是站在了歷史錯誤的一面,On the wrong side of history。

實際上,想一想這件事情,我們應該感覺恐懼的一件事情是,就是我們中國現在的很多人,即使是做化學的人,他們還是認為那才是真正的化學,很多時候有的人會認為,我做的這種不三不四的東西,不是真正的化學。

但什么是真正的化學?那么請看看這張照片上的這七個人。

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這七個人都是有史以來最偉大的化學家,二十世紀最偉大的化學家這里面有五個諾貝爾獎獲得者,另兩個是超過諾貝爾獎獲得者的。

比如路易斯,我們在中學課本上就學過他的很多概念,路易斯結構式、路易斯酸、路易斯堿等等,各種各樣的光化學的概念,連我們的‘光子’這個詞英文的photon,都是他發明的,而不是別的物理學家發明的。

Langmuir發明了Plasma(等離子體)這個詞,他也是一個地地道道的化學家。

《化學物理》雜志創刊號里面,一共有16篇文章,這七個人都在里面發表文章,為什么?

因為傳統的化學雜志不發表他們的文章,認為他們不是真正的物理學化學家。那么,化學物理到底是化學還是物理?我們從它的主編的背景就可以看得到。

從1933年到現在所有的主編,包括現在的主編是我們華人,是廈門大學畢業,在賓夕法尼亞大學獲得博士學位的,連天泉教授。

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所有的教授都是化學系的教授,沒有一個是物理系的教授,其中有一個很獨特的,就是做了十幾年主編的Joseph Mayer,他是統計物理學家。

楊振寧和李政道在芝加哥念書的時候,跟隨他和他的太太學的統計力學,盡管他是化學的教授,但是他曾經做過美國物理學會會長。

這其實不稀奇,因為我的博士導師和我的博士后導師,他們也都做過美國物理學會化學物理分會的主席。

我自己也是美國物理學會會士,所以從這里可以看出,現在的物理和化學之間的交織,我們對現代科學的理解會不會有所不同?

這是非常重要的一件事情,如果我往上數的話,Joseph Mayer是我的導師的博士后導師的博士導師,我們科學的傳承是這樣的。

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其實我們再來看麻省理工學院,20世紀最偉大的一個物理學家約翰·斯萊特(John Slater),他在量子力學領域做出很重要的貢獻,而且他在MIT的物理系主持了好幾十年的工作。

他在1939寫過一本書叫做《化學物理引論》,序言中第一句話講物理學和化學的分離是很不幸的。

他說,在十九世紀的時候,化學和物理學有比較明顯的區分,進入二十世紀有了量子力學、統計力學和現代物理方法之后,所有的物理和化學的界限已經沒有了。

這是在20世紀三十年代國際科學界就已經可以認識到的問題,但是到今天的中國,一般公眾甚至大多數化學家里,對化學物理認識,還是認為它們是分得很開的。

大家以為我在這里是替化學講話的,實際上我是在替現代的科學呼吁。

現代的科學是物質科學和生命科學,基礎部分是融合在一起的,它們都以量子力學、統計力學為基礎,以實驗方法為基礎。

所以這才是我們今天真正應該認識的科學,中國科大的化學物理系研究的主要方向,這些都是現代化學和物理化學的主流方向,這些方向在中國的絕大多數的化學系里面是非常薄弱的。

中國化學系與國外化學系的區別

我前面講到的三個M,第一個M在我們中國的化學系和材料系里面,是比較多的,后兩個M即測量和理論則是非常薄弱的。

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這些東西存在的一個問題,就是我們的化學系和國外的化學系是如此的不同,那么它會有什么后果?它對我們國家的科學發展,對高技術的發展有什么影響?

我們今天經常講到一些卡脖子的問題,比如說芯片、新藥、發動機,這些東西看起來,好像都跟化學沒有直接的關系。

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表面上看是一些工藝和技術的問題,但實際上是關于我們的基礎科學,我們對它的理解、概念和研究的內容,還有培養的人才的問題,實際上錢學森對這個問題是清楚的。

他提出技術科學的概念,去做這些基礎的科學,這是他1961年給2000多人講怎么做導彈時,講的最后一句話。

他說:所有的尖端技術,無非都是數理化的基本的規律。

這個事情跟任正非講的是一樣的。任正非講:要做芯片,砸錢不行,得砸數學家、物理學家和化學家。

但是我們都知道,到了媒體上就只寫成數學家、物理學家,就沒有化學家什么事了。

凡是這樣認為的人,他們就是不知道現代的芯片工業是怎么回事,我們知道信息時代的煉金術,一個是軟件,一個是硬件。

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軟件里面最有名的就是像比爾蓋茨這樣的人,硬件里面最有名的是戈登·摩爾,他是英特爾創始的三巨頭之一,也是世界上最有錢的人之一,他有好幾百個億的財產,他是加州理工學院物理化學的博士。

那么他們的三巨頭,有做半導體物理的、有做化工材料的,那戈登·摩爾為什么有名呢?

小學生都知道的摩爾定律,就是他提出來的,他是英特爾的創始人。

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戈登·摩爾的博士論文寫的是亞硝酸氯胺和二氧化碳的紅外光譜研究,硝酸分子和光化學分解的觀測。跟我一樣是做分子的紅外光譜的,是做動力學的。

大家都知道,我們中國的芯片工業很落后。但是比如在上海去年科創板上市的中微半導體里面主要的技術人員,他們的老總尹志堯,就是我們化學物理系畢業的物理化學博士。

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他們的副總倪圖強博士,也是我們化學物理系畢業的,而且他還是我真正的師兄。

他也是馬老師的研究生,后來到美國去念了博士,跟我一樣的,還有蘇興才。

在芯片工業里面,有很關鍵的、很重要的一部分,是現代的物理化學和化學物理的工作,這是我們要認識到的。

比如我們講量子信息科學跟化學有什么關系?

我們知道量子信息科學里面最重要的Charles Henry Bennett,做了最基礎的貢獻的,如果這個領域要得諾貝爾獎,我想他應該是三個人之一。

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他實際上是化學系畢業的,而且是物理化學的博士,因為物理化學家整天都在研究最復雜的量子力學,解最復雜的薛定諤方程。

所以量子信息里邊的那些量子數學,對他們來講,至少從數學和技巧上來講是很簡單的事情。

我們西湖大學理學院院長鄧力,曾任美國布蘭代斯大學化學系主任,他就說:這是我們化學系畢業的學生,為什么中國人認識不到,因為他是物理學家。

我們知道化學和物理之間不是一個單向的關系,并不是說有很多做物理的人來做化學,其實也有很多化學的人去做物理,比如說2013年得諾貝爾物理學獎的Peter Higgs,他是提出上帝粒子的科學家。

他是1950年代獲得化學博士,他研究的是分子振動理論問題,而且他自己講,他是從這里面學會了對稱性的概念,并用到基本粒子物理,然后他寫出這篇論文。

還有我們大家熟悉的楊振寧先生,以前也是做分子振動的,他在國內跟吳大猷,他在去美國留學之前在西南聯大的時候,他也是做這個的,他對對稱性的理解也是從那里面來的。

們講到化學、物理、數學和人工智能,這時有三位科學家,前面兩位是英國了不起的理論化學家,一位是Charles Coulson,另外一位是他的學生Longuet-Higgins,前年得了圖靈獎的Geoffrey E.Hinton,他被稱為人工智能AI的教父之一。

他實際上是Higgins的博士學生,所以基礎科學之間的這種關系,它的來源,它是怎么來的,這些東西如果我們沒有了解的話,那我們在很大程度上是沒有辦法去理解現代科學和高技術之間的關系、它的基礎。

我們講到發動機,看起來是一個這么大的復雜的機器,但是請看看里邊那些有顏色的部分,它實際里面都是燃燒的過程整個發動機都是為了控制燃燒的過程。

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所以對燃燒化學的理解,才是發動機設計的精髓,這不是我自己作為一個化學家在那里吹牛。

第二張圖是2018年我們在中國化學會開會的時候,燃燒化學分會,四川大學的李象遠教授在這里講,現在我們終于認識到燃燒化學在發動機里面的重要性。

當時在會上做報告的,還有中國空氣動力學中心的樂嘉陵院士,他其實是當年錢學森帶出來的小朋友。

他現在已經是院士了,他說,發動機中關鍵問題,跟物理化學的測量、物理化學的建模和對燃燒過程的理解是非常關鍵的。

只有在理解這些的基礎上,我們才能知道發動機的每一個部分所用材料,到底要去控制什么東西。

比如說中科大化學物理系的系主任楊學明院士,他研究的化學反應都非常簡單:氟加氫生成氫加氟化氫。

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這樣的一個化學反應,大家說可能這只有理論上的意義,其實不是這樣子的,因為它是我們做化學激光高技術中最基本的問題。

他們的工作出了兩個院士,一個做實驗的楊學明,另外一個是做理論的張東輝,都是我們化學物理系的。

1959年得諾貝爾生理學獎的Arthur Kornberg,他的兒子是2006年得諾貝爾化學獎的Roger Kornberg。

Arthur Kornberg從1979年代開始一直在講,化學是生命科學的語言,生命科學和現代醫學都是用化學語言表述的。

他不希望大家把化學和生命科學分開。他認為更多的化學家應該去做生命科學的問題,而更多的生命科學家要學會化學的基本語言,然后才能促進生命科學的發展。

他的兒子Roger Kornberg也是化學物理博士,但是他是做生命科學的問題,獲得諾貝爾化學獎的。

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所以這些基本科學把化學和物理結合起來,在分子和原子層次上研究,這種現代科學是多么的重要。

所以,回到我今天演講的最后的問題,錢學森講說,為什么我們的大學總是培養不出杰出的人才?

我想我們的大學不是沒有培養出杰出的人才,偶爾還是有一些很杰出的人才的,但是在錢學森看來,我們應該培養更好的、更杰出的人才,能夠真正在國際上去做創新的人才。

當時他說很大的原因是我們沒有獨特的創新的東西,老是培養不出人才。

我認為,當我們認識到錢學森是一個化學家,而且對中國現代的化學有重要的貢獻他建立了這個一個系,培養了這么多的人才,而且我們今天在中國的化學系和在國外的化學系。

如果你看到一個中國人,做現代的物理化學和化學物理做得不錯的,基本上有一半可能性,他可能是中國科大化學物理系畢業的或者是在那里上過研究生的。

所以我認為這件事情非常非常的重要,而且這關系到我們對基礎科學的認識,對現代高科技的認識,以及我們中國的未來。

謝謝大家!



來源:格致論道講壇(ID:SELFtalks),你可能想不到,錢學森是個化學家 | 王鴻飛,https://mp.weixin.qq.com/s/9NU8pVrdiSXN_kzN49z6Kw

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