化学的变革（转载）

首先在美国化学会的CEN杂志看到了白边（GM whitesides）先生的这篇文章，虽然并不是专门讲科研方法，但是字里行间都充满了先生对化学，对科学，对革命创新的理解。本准备自己在假期翻译出来，但是google了一下，台湾的一个学者已经把这篇文章翻译成繁体中文，我稍加整理，贴在自己刚刚开通的博客，特别感谢白边先生和台湾的同仁。另外白边先生在2007年美国ACS化学年会的一篇访谈录（ACS Nano, 1(2), 73–78, 2007），我们实验室正在翻译，感兴趣的朋友可以留意，过段时间我会发上来。

原文链接http://pubs.acs.org/cen/coverstory/85/8513cover1.html

这是哈佛大学的化学家George M. Whitesides领取今年(2007)美国化学学会最重要的一个奖章即普利斯特理奖章(Priestley Medal)时，所给的演讲讲稿。Whitesides教授是一个公认极具有前瞻性的科学家，让我们从这篇文章来看看化学正站在什么样的关键点。

让我先表达两点意见，首先我不知道有任何一个时代具有比现在更好的机会以及更重要的研究课题，化学现在已经很自然的成为基础科学里众多吸引人的问题之中心，同时也是应用科学里社会最关心的问题之焦点。我所得到的普利斯特理奖章(Priestley Medal)是一个终身成就奖，然而当下却是一个极为有趣的时候，这使得我甚至希望自己毫无成就而可以重新来过一遍！

其次的，过去发生的事并无法对未来做准确的预测，我们现在所知道的以及现在正用来研究的方法，是无法提供我们上述那些新问题的答案。化学已经拥有了美妙的五十年，但是新型态的问题需要新的处理方法，那些我随着长大的时代中热门的领域是不可能在未来仍保持它们的优势的。我相信当我们朝着那些新问题去努力时，对于化学能做些什么以及化学是什么，将会看到重要的改变，或应称之为革命。

我为什么在这里？当我在1963年到达麻省理工学院开始工作的第二个星期，在走廊上被一个瘦小的男子拦下，那是一个目光如炬的陌生人，他抓着我的衬衫并摇着我说：你正在研究〝它〞对吧？，我极度的困惑，我说：〝它〞是什么？，很抱歉，你又是谁？他气急败坏的说：〝它〞？它是化学里唯一值得研究的东西，它就是降樟基阳离子(norbornyl cation)的问题！他并未告诉我他的名字。(他是Gardner Swain，一位物理有机化学的始祖)

在那个时候我不太了解〝它〞，而且很明显的我也不在做这方面的研究(实际上我从未做过这方面的研究)。你们或许会问，那么为什么我错过了当时唯一值得研究的课题而却能站在这里呢？我又是如何挽救自己的呢？我想让我自己来回答这个问题是最公平的了，我会尽量简短的说明。

许多科学家和我一样都具有忽略历史的缺点，对我而言〝过去的科学〞(专指我的过去)就是历史，它比较不像〝未来的科学〞那么有趣(未来是属于年轻人的)，尤其是在一个变动特别大的时代里。不过在我详细说明之前，我要强调这并不仅仅是〝我〞站在这里接受这项荣誉，应该说是〝我们〞：整个研究团队，我仅仅是那个站在壁报前代表整个研究团队的人。

我以为我们(整个研究团队和我)在化学上有两种型态的贡献，一种是科学的而另一种是社会的。首先，在科学上，那些在当时我们以及其他的人所工作的方向中，尤其是在一些化学里大家不是很熟悉的部份，我们企图去开创一些事情，有些方向成为流行，也有一些方向不能，某些宝贝较一些其它的更受人注意。

在那些较受人注目的其中之一就是核磁共振(NMR)光谱、一价铜与二价铂的有机金属化学、酶在有机合成上的运用、自组装(self-assembly)、表面化学与自组装的单层膜、为可湿性表面(wettable surfaces)所设计的材料、软刻蚀(soft lithography) 、微流体(microfluidics) 、细胞生物学所应用的微型工具，以及以多价理论(polyvalency)来设计药物。

我们也曾经有些工作没有成为流行，或者乐观的说，尚未成为流行，这其中包括了硫基阴离子与双硫键的交换(thiolate-disulfide interchange)相关之生物化学，生成格林钠试剂(Grignard reagent)的非均相反应机制，蛋白质的电荷梯(charge ladders)，蛋白质与配体的结合，特异错综性与出现(complexity and emergence)，以及运用先进国家的科学来解决开发中国家的问题。这些研究让我们得到很大的快乐，基本上我们研究了许多反应的机制并开发了许多的工具。

另外一个我们实验过的领域就是在社会的层次：我们研究团队的组织。由于我们所工作的领域需要各种型态的技术，尤其是在早期的阶段，因应这样的需求，当我们想要找出正确的方向时，我们逐步发展出一种在化学界少见的团队结构，不论如何这是一个成功的组合。

我们是一个很大的团队，通常包括四十五个研究生和博士后研究员，他们来自于各种不同的专业背景，包括一些甚至于不能称作〝化学〞的领域，团队中所有的工作都是以合作的方式完成，这并不是非常有趣的做法，也不是很有成效的。

我并不是以一种寻常我们所理解的字面意义来〝管理〞这个团队，这个团队实在太大了，它的成员也太聪明以及独立，以至于不易接受指挥。我当然是这个企业的成员，但正确的说我是为这个团队而工作，而非这个团队为我工作。那么我们如何挑选题目以及招募团队的适当人选呢？我们选择问题有许多理由：因为好奇心；因为它们可能很重要；因为我们有足够的钱去研究；因为我们觉得与某人合作可能很有趣。

我将提供一个与〝好奇心〞有关的例子。在冬天的时候当我矮下身去亲吻我的太太时，她总会本能的笑着躲开，原因是新英格兰乾燥的冬天产生的静电在嘴唇之间造成的火花是很痛的：特别是当它发生在乾裂的嘴唇上时，再加上30 kV/cm的电压，这使得人们要很小心，尤其是它会不断重复。

这种形式的火花是很有趣的，它也与其它的一些问题相关：闪电是怎么来的？当你走过地毯开门时在你的手指和门把之间产生的火花又如何？范德格拉夫起电机(译註：指大家熟悉的静电球)是如何运作的？影印机又如何？当你梳头时头髮为何站立？ (我原本也不知道原因。)你常会发现一些常见但很奇怪的现象，结果它的原因并非我们全然了解的，这就提供了我们一个有趣的研究课题：摩擦起电(contact electrification)。

而那些加入我们团队的人呢？他们就这样来了。我们有一种欢迎各种不同背景的人的声誉，结果是我们常接到具有不同背景的人申请加入，包括了(针对摩擦起电的问题)懂得马克斯威尔方程式(Maxwell’s equation；译註：指与电磁波有关的方程式)的人，懂得聚合物的人，以及懂得物理有机化学的人。

科学革命的结构。我刚说过我相信并希望化学正处在一个革命的边缘，我认同两种革命的理论，第一个是由佛瑞曼?戴森(Freeman Dyson)，彼得?盖里森(Peter Galison)以及其他的一些人所支持的理论，强调新的实验技术的角色，使得科学革命成为可能。简言之，这个理论主张新的钥匙开启新的大门；扫描隧道(scanning tunneling microscopy)成就了纳米科学，即为一最新的例证；又如聚合酶链反应(polymerase chain reaction)对分子基因学的影响，有机合成之于药物发展，以及核磁共振仪之于有机合成。电脑则是一项多功能的工具，改变了所有的东西。

另一个令我信服的科学革命的理论是来自于汤玛斯?孔恩(Thomas Kuhn)著名的论述，这个理论主张(在此将复杂的故事简化)科学革命会发生在找不到出路的时刻，这经常是当一个领域很不情愿的承认他们现行的理论完全无法解释一些实验现象的时候；在1900年代初期量子力学的发展即为一例；200年前普利斯特理发现氧气亦是如此。

“科学革命的结构”是孔恩所写过的一本最著名的书，里面含有许多与化学相关的教训。 孔恩指出科学活动包括两种型态：一种是所谓「正规的科学」，它是依循着已经存在并被接受的想法或是科学的教条而发展；另一种则是「发现」，它则是思想的根本产生变革的基础，换言之就是一种革命。

正规的科学之焦点是集中在提出一些孔恩称为「迷团」的解答，这包括了各种型态的问题(再度简言之)，其解答在工作开始之前就已知晓，其实解答并不重要，而其中的趣味最主要的或大部份的是来自于如何漂亮的得出解答。数独拼图游戏(Sudoku puzzles)就是一个熟悉的例子；手性的铕偏移试剂(chiral europium shift reagents)是另一个从我年轻时代的影子中抓出来的例子。

相对的，发现或者革命则是将焦点集中在一些规模较大的问题上，而这些问题的解答是很重要的，但求得其答案的策略是未知的，甚至于根本不知道解答是否存在。例如“情感的本质”就是这样的问题；又如“全球管理(global stewardship)的最佳策略”。

科学的族群倾向于认为「发现」是比「正规的科学」更为崇高的活动，我认为孔恩非常正确的指出二者是同等的重要，而「正规的科学」乃是需要以独特的方式去选择一些特定的科学谜团，并勤加耕耘以理清科学的根本极限，那么偶尔的会导致对一些基本教条的重新考虑，也就是说，科学的革命。

机会.那么为什么我认为化学正摇荡在革命的门槛边缘呢？有四个原因，首先，作为一个领域，我以及有趣的也包括在这个领域之外的许多人都认为，我们现在具有一个知识责任来解开一些在科学以及科技上最重要的课题。

第二，在一段极度具有成效的发展之后，对处理至少上述的某些课题时，我们现在已经拥有一些工具使得其研究成为可能。

第三，对这个重要的工作，化学家可提供许多技术的精密协调，我们拥有一个独特而且有用的合成方法去解决科学问题：当我们面对一个问题时，我们会制造一些东西：一个新的分子、材料或体系，来解开它。我们也可以用定量的方式去消化并分解复杂的体系，我们也习惯于处理一些具有活动部份的问题。

第四，我们也相当的确定以现在我们的知识是无法解决这些课题的。在各个不同的领域中，化学可能是最适宜去处理许多的这些课题，因为我们比物理学家更专精于整理细节，而我们也比生物学家精于定量分析。

让我给大家几个例子有关于化学家对于一些课题似乎很有希望能提出解答，我所将列举的当然是非常个人的看法，但是它提供了我坚信的一个观点：没有任何规范限制化学家只能处理分子和材料的问题；以孔恩的语汇来说，我们也可以去面对那些极具有挑战性的问题。让我给大家几个例子有关于化学家对于一些课题似乎很有希望能提出解答，我所将列举的当然是非常个人的看法，但是它提供了我坚信的一个观点：没有任何规范限制化学家只能处理分子和材料的问题；以孔恩的语汇来说，我们也可以去面对那些极具有挑战性的问题。

细胞与生命的本质

我相信要了解细胞终究会是一个化学的问题，而化学家理论上是最有资格去解决它的。细胞是一个袋子：一个内含一些小袋子以及有效组织起来的义大利麵条，填满了果冻般的化学反应物质，还可透过某种方式复制自己。是的，去了解细胞中进行的每一个反应是很重要，但是更重要的问题是去了解为什么生命 — 细胞 — 一个以紧密互相关联的化学反应网路，用一种在动态上稳定的型态存在于时间及空间中，会组成这样一个我们所无法理解的型式。

虽然现在我们没有理论能解释这样的体系，但是去了解相关联的反应体系的动力学，理论上正是那种化学与化工学家最最有资格去做的事。

能量、环境与全球管理

如果我们要开始去了解永续的想法，那么就必须了解整个化学反应的网路 — 从油田或煤矿到精炼到汽车到大气到海洋到矿物质 — 这与去了解生命是极为相似的问题：它需要去预测一个相互作用的化学步骤之网路，在不同的位置受到牵扯的时候的行为。

在此，再一度的，有许多重要但却是局部的问题。例如光合作用到底是怎么一回事，可否将它改进？有什么最好的方法去捕捉二氧化碳？什么是最有成本效益的太阳能电池？
但是更大的问题是在它们如何的相关联，也正是在了解这个网路也就是这个复杂的体系的方面，我们需要革命性的想法。如果我们改变了这个系统的某一个部份，譬如说美国以及中国大陆燃烧了更多的煤，那么其它的部份会发生什么事，例如冰岛的温度，全球光合作用的速度，以及尼日的雨量？现在我们不知道如何解答，我们也不知道需要花多久去了解。

生命的源头

这个问题是科学里最大的几个问题之一，它将生命，以及我们，放置于宇宙中。大部份的化学家和我相信，生命是前生命状态的地球上从一堆化学分子的混合物中自发而生的。

如何发生？我毫无概念，或许是由于一些自发性产生的自我催化体系以及之后相互的结合而造成。基于我所知道的所有化学，这似乎对我而言是极端的不可能。一个核醣核酸(RNA)的世界之想法是一个不错的暗示，但是它的结构实在太复杂，这对一个在高温、还原性的海洋以及高气压的二氧化碳状态下的一个简单分子所形成的稀溶液世界而言，使我不知如何将二者连贯在一起。

我们需要一个非常好的新想法，这个想法当然必须引领着我们从头步向一个会自动进化的体系：一个真正的革命。

水中的分子辨识以及药物的设计
一个化学对社会最重要的贡献就是透过医学，透过设计药物以及合成药物。一个小分子 — 一个药品、配体(ligand)、物质或过渡状态 — 与蛋白质的错合，可被视为是生物上最基础的分子作用。

当我刚开始进入化学的领域时，以一个理性的方式去设计药物，或更谨慎以及实在的称之为配体，是一个大家都了解的目标。现在仍然如此，但是在过去的这些年我们的进展是倒退的。我们比过去了解的更多，也知道为什么这问题这么复杂，但是我们仍然不知道如何的去设计配体。

在这个竞技场中我们所遭受的挫败，照亮了一些大有机会增进我们基础知识的领域。尤其在分子辨识方面，在各种步骤中反应物如何与溶剂尤其是水来作用？我们应该如何的思考熵(entropy)？为什么水如此特殊？

催化剂

几乎所有的化学都是被催化的，石油的精炼，大部份复杂的合成，代谢，石头内二氧化碳的水合，光合作用以及神经传导物质的生成，这些只不过是在一个无止尽的化学步骤的名单上取下的几个少数的例子，在其中催化剂处于枢纽的位置。我很惊讶的发现我们对催化剂所知是如何之少，而设计新的催化剂又是如何之难。这又是另一个需要一些全新的东西的美妙领域。

情感的分子基础

记忆、思想以及知觉终究应有分子的基础。非常确定的，分子与离子只是这个故事的一部份，就好像电晶体与电流只是网际网路的一部份而已。但是要去了解情感，我们最终需要去尝试将思想连结到脑子里的最简单元件 — 像是乙酰胆素(acetyl choline)，钾离子，蛋白质和水 — 从而说出一个故事并能延伸到〝巴哈的平均律〞。很难再找到一个比如何成就了人性更难的问题了，以我们现在的研究方法去做，也将同样的很难去知道要从何处去着手这个问题。

为何如此的缓慢？

在我的学术生涯中，化学一直是乐于去建立一些越来越有用的工具箱 — 更好的分析装置，更好的合成方法，更好的纤维 — 也一直是惊人的精于此术，但是我们倾向于制造扳手而不是车子。譬如说新的有机化学反应以及复杂的有机合成中的合成策略，虽然对我们来说是很美妙的，但是它们对于这个社会的重要性在于它们能成就什么，那就是去合成药物以及其它能解决问题的分子。

质谱是很重要的，并非因为它能产生巨量的数据，而是在于从同位素的比例可以得到这个世界温度变化的历史。电化学不仅仅是离子和电子和分子；它是电池和燃料电池的基础。
我们现在至少拥有一些工具来挑战那些在探究生命的本质以及了解气候与环境的议题中更大、更有野心的问题。但目前化学才刚开始缓慢的侧身而上，为何我们如此缓慢？孔恩对这个问题有好几个评论，让我引述其中之一，这个答案让我较为舒坦，因为我们与其它的领域没什么差别。

孔恩说：“正常科学的目标中并没有包括唤出新的现象；实际上，那些没有办法放入盒子里面的东西往往是看不见的。科学家通常也不会把发明新的理论当成他们的目标，同时他们也经常不能接受别人所提出的新理论。”

我觉得化学如果要去开拓在根本上崭新的领域，现在有五个议题需要去解决。
我们知道什么以及我们不知道什么
我们其实不像我们所自以为知道的那么多，当我们开始去思考那些很具有挑战性的问题时，就会发现现行的理论很简单的就是行不通，例如有关复杂且相互关联的动力学网路；有关蛋白质与配体之间的错合；有关分散的非平衡体系；有关液体及溶液；有关非共价键的作用力；有关熵；等等。在某些情况下我们知道理论为何会失败，但在其它的情况下我们是不知道的。
相互评审
相互评审的体系尤其是在一个财政紧缩的时代容易流于保守，它将过滤掉所有差劲的构想、大部份新而且好的构想以及所有真正很特殊的构想。好的点子在面对这种〝零容忍〞的情况下仍有替代的方法，用孔恩的措辞来说：如果希望化学能欢迎新的构想，相互评审的体系需要能表达这种想法。
资本主义
现在上市公司面对极大的压力，需要在很短的时间内就能让它的股东得到最大的营利，这种压力强到使这些公司很难在产品发展之外再做更多，这其中有许多公司在过去是很棒的创新及基础研究的中心，当然不意外的也曾是化学工作的中心。
对这个问题可能也有一个解决之道，这个方法已经在生药科技的领域中非常有效的将基础研究的成果移转为成功的商业科技：如果一个大公司对你的新构想没有兴趣，那就开一家你自己的公司！化学可以向生物学习，这也可以帮助那些想要成为创业家的学生去学习如何做到。
教学与教课书
我们教学生的东西常图个方便决定于教课书里面有些什么材料，而不是决定于学生应该学到什么，更有甚者，教课书是以扩大它的销售为目的，而不是在培养学生面对开发新而且未知的领域所需要的研究能力。再一度的，这应该是我们去决定该教什么，我们有忽略那些教课书的自由，而应该引入那些能让学生能面对新问题的材料，我们也应该运用网际网路提供免费的新构想。
学术的社会体系
我们应该更欢迎新的面孔，化学需要聪明的年轻人，特别是如果(尤其是如果！)他们来自于我们较不熟知的背景，并带来我们没有预期过的观点。
我们可能也要考虑我们的大学部学生，我们倾向于把他们视为我们的小同事，让他们去决定他们要的课程，但他们在这样做的时候明显的是戴着降低工作份量的眼光，很少会去挑选那种负担很重的课程。如果我们要求他们做得更多，他们以及化学和社会都会因而受恵。这并非在批评那些学生，并强迫要求他们做更多的工作，毕竟我们写研究计划是因为我们必须去写，而不是我们爱写。
最后我们也应该检讨一下我们看待研究生的矛盾，研究生是较大学生更进一步的，我们普遍认为他们是没有经验的新手，应该透过执行我们的构想而得到最佳的学习。我们或许应该从另外一方面来考虑，他们是更年轻的、更聪明的、更不会被官僚作风羈绊的、更有活力的我们的投影，能让他们学到最多的方式是在研究那些能挑起他们的兴趣的题目，即使我们无法回答他们或甚至于了解他们。

终曲
我们现在正处于一个化学的美好时代，我相信这就好像是1910年代的物理，那正是量子力学将这个世界变得非常奇怪之前的时代。这也好像是1950年代的生物学，那正是双螺旋抹去了旧生物学的时代。
当然巧合与机会只佳恵有准备的人，而现在正有一个革命性发展的拍子出现，错过了这个时机，你将会懊悔不堪。科学与社会即将挑战那些重要的课题，化学家很自然的将会是大部份需要研究的课题之领导者，但是物理学家可以学习分子的细节，生物学家也可以学习微分方程式，如果我们不想去研究那些课题，其他的人当然会取而代之。如果那不是我们的革命，那它将会是属于别人的。

我的同仁们与我都因为这个奖感觉到无比的荣耀。