諾貝爾化學獎歷史上的遺珠之憾-虎嗅網

2020-11-27 虎嗅APP


諾貝爾獎已經走過整整兩個甲子。在過去的120年中,化學諾獎得主群星熠熠,皆為一時之選。但也有很多化學家,他們為化學事業做出過巨大貢獻,他們的研究成果在化學課本中一直佔據著重要的位置,卻沒有獲得諾貝爾化學獎。


不得不說,這些是諾貝爾化學獎的遺珠之憾。


圖片來源:諾貝爾獎官網


門捷列夫:可能是諾獎最大的黑點


門捷列夫(圖片來源:wiki)


所有接受過義務教育的人都知道,初中化學課本就開始講授的元素周期表,是俄國化學家門捷列夫深刻理解了化學元素之間的周期性規律,在1869年編制出來的。但就是這樣一個為化學做出巨大貢獻的人,卻在1905年和1906年連續兩次與諾貝爾化學獎失之交臂。1907年,門捷列夫逝世。


第一版英文周期表(根據俄文第五版翻譯)(圖片來源:wiki)


2019年是元素周期表誕生150周年,聯合國大會將這一年定為「國際化學元素周期表年」,並且評價道:「元素周期表是科學史上最卓越的發現之一,刻畫出的不僅是化學的本質,也是物理學和生物學的本質。」


這張元素周期表是化學學科中最重要的成就之一,很多諾獎成果與之關聯:1906年的諾獎得主亨利莫瓦桑因製造出單質氟而聞名;居裡夫人因發現鐳和釙、並成功分離出鐳獲1911年諾獎;麥克米倫和西博格因發現超鈾元素錼而共同獲得1951年諾獎……這些發現新元素的科學家都獲得了諾獎,但發現元素周期律的門捷列夫卻沒有得獎,真是充滿了諷刺意味。


勒夏特列:洞察化學平衡之人


勒夏特列(圖片來源:wiki)


高中化學會涉及一些化學反應本質的問題,比如反應平衡。對化學反應平衡的理解需要很強的抽象思維能力,其中一個反直覺的事實是:所有化學反應都存在平衡。如果改變影響平衡的一個條件,平衡就向能夠減弱這種改變的方向移動。這就是「勒夏特列原理」。


兩次諾獎得主美國著名化學家鮑林曾對青年學生深刻指出:「你們將來可能不再學習化學,你們可能會把在課上學習的一切化學現象都忘記,但是,無論如何,請你們不要忘記勒夏特列原理。」


鮑林(圖片來源:wiki)


這位獲得了諾獎得主如此高評價的亨利·勒夏特列,曾獲得32次諾獎提名,卻16次陪跑,一次都沒拿到諾獎。


(圖片來源:諾貝爾獎官網)


除了最早洞察化學平衡這一成就之外,勒夏特列還有一項與諾獎失之交臂的研究。早在1901年,他就獲得了從空氣中合成氨的方法,並取得專利。憑藉對反應平衡的理解,勒夏特列清楚地知道增加壓力肯定會提高產率。可當時的實驗條件很差,一次高壓裝置的意外爆炸造成了他的助手死亡,勒夏特列放棄了這項研究。後來的事情很多人知道了,德國化學家弗裡茨·哈伯憑藉氨的人工合成獲得1918年諾貝爾化學獎。


弗裡茨·哈伯(圖片來源:wiki)


勒夏特列對乙炔氣體還頗有研究,用於金屬的切割和焊接的氧炔焰發生器就是他的發明;此外,他對水泥的煅燒和凝固、陶器和玻璃器皿的退火、腐蝕劑的製造及燃料、玻璃和炸藥的發展等問題都有關注。可以說勒夏特列是那個時代典型的實幹派化學家,關心工業實踐,著眼於解決實際問題。


勒夏特列不僅是一位傑出的化學家,還是一位傑出的愛國者。當第一次世界大戰發生時,法蘭西處於危急中,他勇敢地擔任起武裝部長的職務,為保衛祖國而戰鬥——獲不獲得諾獎又如何?不是戰士的法師不是好化學家。


路易斯:以電子理解酸鹼


路易斯(圖片來源:wiki)


初中化學階段對酸鹼的理解基於質子:酸之所以為酸,是因為能給出質子;鹼則能得到質子。吉爾伯特·路易斯反其道而行之,用電子定義酸鹼,大大拓寬了化學家對酸鹼的理解。


路易斯的共價理論是中外化學教材的重要知識點。1916年,他通過對實驗現象的歸納總結,提出分子中的原子之間可以通過共享電子對,使分子中的每個原子都具有穩定的稀有氣體電子結構。這樣形成的分子稱為共價分子;原子之間通過共用電子對,形成的化學鍵稱為共價鍵。課本裡寫的「電子式」「結構式」「點線式」都是路易斯結構式的變體。


(圖片來源:作者製作)


路易斯不僅改變了人們對酸鹼的理解,創造了共價鍵理論,而且還是光子的命名者和著名的教育家。他的研究涉獵廣泛,僅從他的學生身上就能看到他在化學領域豐富的「雜學」。作為美國加州大學伯克利分校教授、前伯克利化學院院長,他的學生中出過多位諾獎得主:


  • 哈羅德·克萊頓·尤裡——氘、重水的發現者,1934年諾貝爾化學獎得主;


  • 威廉·弗朗西斯·吉奧克——超低溫化學的應用技術發明者,1949年諾貝爾化學獎得主;


  • 格倫·西奧多·西博格——錼、鋂、鋦和鉳等元素的發現者,1951年諾貝爾化學獎得主;


  • 威拉得·利比——碳14測年的發明者,1960年諾貝爾化學獎得主;


  • 梅爾文·卡爾文——光合作用機理的研究和卡爾文循環發現者,1961年諾貝爾化學獎得主。


無論是自己做研究還是指導學生,路易斯都成績斐然,他一生獲得41次諾獎提名,卻始終與之無緣。


(圖片來源:諾貝爾獎官網)


關於共價理論,還有個小八卦。


1916 年,路易斯在《美國化學會志》上發表了一篇《The Atom and The Molecule》的論文,闡述了自己的共價理論。


(圖片來源:美國化學會官網)


他原本打算繼續再做更詳細的研究,但因故未能很快實現。1919年,朗格繆爾發展並精煉了路易斯的觀點。這位1932年諾貝爾化學獎得主在公司工作,性格外向,擅長社交和演講,共價鍵的理論於是稱作「路易斯—朗格繆爾」理論。


(圖片來源:美國化學會官網)


這件事讓路易斯很不爽,兩人關係從此變得緊張。1946年,朗格繆爾被加州大學伯克利分校授予名譽博士稱號,彼時作為化學系主任的路易斯被迫和他約了頓飯。當天下午,70歲的路易斯在實驗室中因心臟麻痺而死亡,旁邊放著打碎了的裝有氰化氫氣體的瓶子——他就這麼在帶有苦杏仁味道的空氣中死去。至於是不是自殺,成為了永久的謎團。


吉布斯:熱力學奠基人


吉布斯(圖片來源:wiki)


為大家所熟知的熵增原理,是熱力學基本原理之一。楊振寧認為,19世紀物理學的三項最高成就是熱力學、電磁學與統計力。其中,熱力學的奠基人就是吉布斯,他被愛因斯坦稱之為「美國歷史上最傑出的英才」。


19世紀60年代的美國正是鐵路大亨的年代,全國大興土木修築鐵路。吉布斯也湊熱鬧,去學了相關專業。1863年,吉布斯憑藉《論直齒輪輪齒的式樣》的論文被耶魯大學授予當時美國第一個工程學博士學位。大有「錢」途的他,畢業後先是留校當了三年助教,順帶申請了一項火車制動技術的專利,然後跟兩位姐姐去了歐洲旅行。


這一趟旅行徹底改變了吉布斯的學術興趣。他在法國和德國旁聽了很多數理化課程,還在海德堡大學找了份見習工作研究物理。1869年回到耶魯後,吉布斯徹底轉行,在1871年成為數學物理學教授。由於這是美國當時首個雙學科並列教授,而且吉布斯還沒有在該領域發表過任何學術成果,所以吉布斯身為教授卻沒有報酬。好在吉布斯家族在美國北方頗有背景,吉布斯此時尚有父母留下的一大筆遺產,日子也算安穩。


兩年後,吉布斯在《康乃狄克學會學報》上發表了兩篇論文,討論如何用幾何方法表示熱力學量。1875年,還是在這份學報上,吉布斯發表了《關於多相物質平衡》的上半部分,1878年,這本書的下半部分也在這份學報發表。雖然發表於學報,但吉布斯的專著足足有300多頁,包括帶有序號的700多個方程。那時的美國學界不注重理論,這樣的學術成果只能牆內開花牆內香。


最早認識到吉布斯天才洞見的人是經典電動力學的創始人,統計物理學的奠基人英國物理學家數學家麥克斯韋,他在自己的書裡專門用一章來介紹吉布斯的工作。可惜,麥克斯韋英年早逝,甚至沒有看到吉布斯系統性地完成熱力學的奠基工作。


麥克斯韋(圖片來源:wiki)


直到吉布斯死後,他的工作才引起學者們的關注。1909年諾貝爾化學獎得主物理化學奠基人之一的奧斯特瓦爾德把吉布斯的著作翻譯為德文,並且盛讚道:「無論從形式還是內容上,吉布斯賦予了物理化學整整一百年。」


奧斯特瓦爾德(圖片來源:wiki)


沉迷於自己工作的吉布斯也許並不在乎自己是否得到諾獎。他一生未娶,樂於獨處,據說連學生也很難接近他。根據學生的回憶,吉布斯總是衣著得體,舉止優雅,從不會刻意引人注意,展現那種有時被認為是天才們的與生俱來的怪異舉動。大概科學本身就是對吉布斯一生最大的嘉獎吧。


大佬們為何無緣諾獎?


大家不禁好奇,上面大佬們的科研成果都被載入史冊,究竟是為什麼沒得到諾獎。細究起來,每個人的原因都很複雜,總結起來,有以下幾個可能。


第一,不善於交際,得罪同行或前輩。很多硬核大佬性格內向,不擅長社交,比較骨骾,搞不好就得罪人。據說門捷列夫早年曾對阿倫尼烏斯的溶解理論批評頗多。阿倫尼烏斯雖然不是諾貝爾化學委員會的成員,但他是很早登科的化學諾獎得主,是當時瑞典化學界的扛把子。在他的強烈反對下,門捷列夫兩次落選。路易斯和吉布斯也都不太擅長社交,沒能以最快速度把自己驚世駭俗的發現傳播到整個學界。


阿倫尼烏斯(圖片來源:wiki)


第二,生不逢時,懷才不遇。從1922年起到1946年逝世,路易斯一直被提名,但他的學術光芒被當時流行的物理學所掩蓋,特別是當時的歐洲學者更喜歡量子力學。有數學支撐的理論,顯得更可信也更高大上。相比之下,路易斯的酸鹼理論就微不足道了。


第三,研究領域過窄或過寬。勒夏特列最突出的貢獻只有一個勒夏特列原理,不僅太窄而且理論過於粗糙;路易斯研究領域從化學熱力學到化學鍵理論再到同位素、光化學,過於寬泛。研究領域太窄,相對而言知名度較低;太寬,則難以在某一領域獲得突出性的成就。


第四,過於偏重理論。無論是門捷列夫、勒夏特列還是路易斯,他們的最大貢獻都是化學理論。化學諾獎對於理論相對比較保守,更偏向於對實驗事實的獎勵。吉布斯的熱力學就更不用說了,在當時很少有人懂,人們也意識不到他在理論層面指導實驗化學的偉大意義,自然也與諾獎無緣。


第五,壽命與國籍。由於諾獎只頒發給在世的科學家,很多科學家由於太早離世所以無緣諾獎,。門捷列夫1907年去世,僅有六次機會參評;留給吉布斯的時間更短,他在1903年4月去世,只有兩年機會參評。而且剛開始評諾獎的時候,可以備選的牛人實在太多,根本輪不到偏重理論的吉布斯。另外,吉布斯還是美國人,要知道,諾獎評選的頭30年裡,只有一個美國人獲獎……


其實,沒有得諾獎的科學家還有很多很多,雖有遺憾,但這一點也不影響他們的偉大。在諾貝爾獎120周年的日子裡,當我們看著諾獎得主名單上一個個閃光名字的時候,千萬不要忘記這些沒得諾獎但依然偉大的科學家們。


向每一位為消除人類的無知做出貢獻的科研工作者們致敬!



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