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“我喜歡三件事情：化學、攝影和烹飪。”在北京大學化學院一間會談室里，85歲的馬丁·卡普拉斯在接受采訪時說。

2013年，卡普拉斯和邁克爾·萊維特、亞利耶·瓦謝爾一起獲得當年的諾貝爾化學獎。他們的獲獎原因是把“化學反應搬進網絡空間”。

興趣使然，上世紀70年代，卡普拉斯曾“深入”法國、日本等地的多家著名餐廳，和主廚一起烹飪美食。也許是因為職業關系，他烹飪食物時似乎也會從“化學”角度看問題。

以最簡單食品雞蛋為例，“蛋清和蛋黃是由不同的蛋白質組成的，讓它們擁有不同的味道和口感，取決于烹飪時采用的溫度。”卡普拉斯說，“中國的皮蛋也使雞蛋的蛋白發生了不同的變化，味道我也很喜歡。”

既然談美食也離不開化學，那就讓我們一起進入卡普拉斯和他的化學世界吧。

把計算機變成新“試管”

人們周圍的世界由原子組成，而這些原子又構成了分子。在化學反應中，原子會改變連接位置，形成新的分子。然而由于這一過程在微觀層面進行，許多反應的發生僅有幾微秒，用傳統實驗手段描述其反應過程的每個步驟幾乎不可能實現。

為了準確預測化學反應可能在哪個位點出現，就需要利用基于量子力學的高級運算。而該分子的其他部分則可以利用復雜度稍低的經典力學運算方式。卡普拉斯等人正是因為在上世紀70年代成功研發了把量子力學和經典力學相結合，并用計算機模擬化學反應的過程，使計算機成為化學反應的新“試管”。

“計算機能夠很快地嘗試不同的事情，它們做這些時并不需要思考。”卡普拉斯舉例說，“就像玩象棋，計算機可以提前預測到接下來的10~20步，使你成為很好的棋手。”在實驗中也是這樣，計算機可以幫你很快地處理好極其復雜的運算步驟。

既然如此，那么以硅為基礎的“電腦”能否超越以碳為基礎的人腦呢？對此，卡普拉斯的答案是否定的。“一些人在談論機器人時認為，它們可能變成科幻小說中的獨立力量。”卡普拉斯說，盡管計算機的運算能力很強，而且現在人工智能也在迅速發展，但是它們沒有任何意識。人的大腦中有真正的神經細胞，可以產生意識。而計算機沒有這樣的細胞，因此只能夠模仿這種意識，而不能創造它們。

在卡普拉斯看來，解決科學問題時，直覺非常重要。這也是他從導師和另一位諾獎得主萊納斯·鮑林（量子化學和結構生物學的先驅者之一）那里學到的。“一些理論或是想法在無意識中突然出現或是推理獲得，這就是直覺。可能到目前為止，這是人腦和電腦之間的唯一區別。”他說，人腦有數不清的回路，而電腦則沒有。“你可能會說我有些保守或是落后，但我覺得這不會發生。”他補充說。

理論化學家回歸生物學

“如果沒有我的家人，我的人生將空無一物，即便是在科學上獲得了成功。”在自傳《天花板上的菠菜：理論化學家回歸生物學》中，卡普拉斯如是寫道。

卡普拉斯的童年時代是在奧地利維也納一個叫作格林津的鄉下度過的，那里是一個以盛產優質紅酒而聞名的地方。然而，1938年，因為德國侵占奧地利，他以難民身份逃亡到美國。“這種經歷對我的世界觀和科學道路產生了重要影響：它讓我認識到，應該停止在已經熟悉的領域原地踏步，還讓我把注意力集中在不同的研究領域，提出新問題，學習新事物。”卡普拉斯說。

卡普拉斯感恩于出生在一個時刻奮發上進的家庭中。在到達美國的第一個夏季，他們一家人原來舒適悠閑的生活被拋在身后，一時經濟困頓。他的父母因此一邊在有錢人家做幫工維持生活，一邊接受再教育。“我的父親在溫特沃斯學院學習機械，母親在西蒙斯學院學習家庭經濟。”他說，后來他的父親進了一家飛機泵工廠做質檢員，并在那里一直工作了20多年直到退休；而他的母親畢業后也在一家醫院里找到了一份營養師的工作。“但她還在接受繼續教育，直到65歲時拿到碩士學位。”

也正是家庭的影響讓卡普拉斯萌發了對科學的興趣，他從父親那里收到的第一個與自然科學相關的禮物是顯微鏡。“一開始，我覺得很沮喪，它不會發出聲音，沒有任何氣味。但是很快我就從沼澤、路邊的下水道和其他地方發現了各種微生物，因此越來越喜愛這個禮物。”他說，“這么多年來，它一直位于我的個人珍藏品之列。所以，我對自然科學的興趣可以說是萌芽于父親的培養和母親的鼓勵。”

正是在這樣的家庭環境熏陶下，1947年，17歲的卡普拉斯如愿以償地進入了哈佛大學。經過一年的學習，他放棄了做醫生的初衷，最終注冊了化學和物理學課程，這是當時哈佛大學獨有的一個項目，學生們可以深度地接觸不同背景的學科。“哈佛大學研究生畢業后，我決定去西海岸讀書，但是卻產生了一個困擾：是去加州大學伯克利分校繼續讀化學，還是到加州大學讀生物學。”

經過美國理論物理學家、首批原子彈主要技術負責人羅伯特·奧本海默的推薦，他最終選擇了生物學。因為奧本海默告訴他那里是“一片黑暗中的一線光亮”。正是在那里，卡普拉斯遇到了他的良師益友、兩度獲得諾獎的鮑林。“我的導師鮑林對我的科學研究產生了非常大的影響。”他說。

此后，在英國牛津大學博士后出站后，他先后曾執教于伊利諾伊大學、哥倫比亞大學，最后又回到哈佛。其間他曾進行過核磁共振譜學、化學反應動力學、量子化學、分子動力學計算模擬等領域的研究，提出了有關耦合常數和二面角之間關系的卡普拉斯方程。“我到不同的大學，是因為我覺得陌生環境中的新同事可以讓我在研究上保持創造性。”他如是說。而且他也把這種想法融入到了職業發展規劃中，即每5年轉一次學校，這樣可以讓他保持對工作的激情，“這樣我才能去研究新事物，讓我的精神和思想保持年輕”。

加強科學教育

現在，已是耄耋之年的卡普拉斯仍堅持著他的三個愛好。“現在，我們的孩子都長大了，如果沒有會議或報告，我和妻子，還有我們聰明的狗Bib過著很平靜的生活。”卡普拉斯說，“早上起來我會為妻子做早餐，鍛煉完身體后就在家工作，想一些新的理論，寫一寫論文。”卡普拉斯表示，目前他在進行蛋白折疊方面的研究，追蹤蛋白折疊的軌跡。“過去十多年來，蛋白折疊的機制在原理上已經基本解決了，但是從氨基酸序列預測蛋白質的結構發展仍然是熱點研究領域。”

盡管當前美國在許多科研領域已經遙遙領先，但卡普勒斯認為，現在對從事科學研究感興趣的青年人正在減少，其中一個原因與美國對教師行業的看法有關。他說：“在美國，很多人說，‘如果你做不了其他的事，那就當老師吧’，而且教師的工資也不高，這說明對教師不夠尊重。”所以現在很多美國科學家在呼吁加強STEM（科學、技術、工程和數學）領域的教育。

同時，他表示，生物學尤其是生命科學研究是非常復雜的領域，因此需要國際合作，共同創新。以人類大腦為例，現在各國腦計劃、腦工程研究項目迭起，他舉例說，美國有團隊正在嘗試通過基因工程制作出大腦透明的斑馬魚。“這樣就可以利用活體斑馬魚觀察大腦中究竟在發生什么，以及當大腦處于不同興奮狀態時，神經細胞如何回應。”他說。

現在，美國、歐洲已經啟動了腦研究，中國也在醞釀，這說明所有國家都意識到這個問題的迫切性。未來腦研究項目收集的數據會越來越多，將匯成人們今天所說的大數據集。“多虧有了這些大腦計劃，未來我們將有希望治療諸如阿爾茨海默氏癥等疾病，比如醫生可以準確指出是哪里發生了錯誤，從而治愈或是減緩這些疾病的發展進程。”卡普拉斯說。

卡普拉斯近日還入選了2014年度中國科學院“愛因斯坦講席教授”計劃。日前，他還與中科院網絡中心簽訂了合作協議。“這是一個極好的機遇。我們可以在這里開展很多合作交流，尤其是在不同專業的年輕人之間。”卡普拉斯指出，讓年輕人有機會從事原始創新工作與獨立工作非常重要。

來源|中國科學報(20151104)   編輯|化學加

官微 化學加 2016-2-16同時發出

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