[閒聊] A Scientific Memoir by Peter Wolynes

看板Physics作者Mittelmeer (地中海)時間12年前 (2013/11/03 06:13)推噓7(7推 0噓 2→)

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Peter Wolynes是我們系上老師，美國國家科學院院士蛋白質摺疊理論大師，研究領域主要是化學物理的問題前陣子他60歲生日，JPC-B出了個特刊，請他寫了他的科學生涯歷程我讀起來感覺非常有趣又有啟發於是就花了三天工作之餘時間翻譯一下分享給板友們。 ------------- 原文出處:http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jp407073n 一段科學回憶錄 Peter G. Wolynes 我在 DNA 的結構發表的前四天出生。那是段原子的時代,一段焦慮的時代。我小的時候, 我知道俄國人可能會朝我們丟原子彈。電影上都說帶著放射線的突變怪物會跑出來。我第一段最清楚的記憶是收音機廣播宣布俄國人發射了一台人造衛星到外太空,上面載著一隻狗,飛過我們國家上空。電影上都上演著科學家組隊防止我們遭核災。因此我知道我長大想要當科學家。但,是怎樣的科學家呢?事實上是由許多關於出身、成長,以及一些很普通的事件決定了。我的父母親有著非常不一樣人格特性和世界觀。我現在知道我的知性思維其實是在模仿以及反抗他們中塑造出來。我的媽媽是一個丹麥 -瑞典家庭下的所謂的基督科學教派徒 (Christian Scientist),而我父親是雙親都來自俄國的化工工程師。注意我不是指說我媽媽是會上教堂的科學家,我的意思是她是在” 基督科學教派’ 這個宗教長大的,宗教上來說既不太基督也不科學。雖然他並不是基督科學教派規章的忠實信徒,但這教派的想法卻完全的滲透了她的人生。她既樂觀又信人,極端的慷慨到有時候父親覺得錯了。她的樂觀是基於基督科學教派的教條(從柏拉圖那借來的概念):『物質世界是只是一種幻象』、『病與死只是虛幻的』、『” 真正的” 世界比表現出來的好多了,而且是永恆的』。根據這種信念,如果你思考的夠清楚,你將可以像基督一樣看穿事物的表象,而且不會死。如果嚴格的遵守這個想法,這意謂著你將不需要疫苗或吃藥。我媽媽妥協了,只有在我非常的病的時候才會帶我去看醫生;只接種那些學校規定的疫苗。大概源自於某個古老的規定,我必須打天花疫苗才能夠上哈佛.... 但這並不讓我成為 Cotton Mather FRS 的粉絲。我可以告訴你天花疫苗會讓你病的非常厲害,即便那是種幻覺也是非常的不舒服。我母親的那種形上學的世界觀可能不是養出科學家的最佳兆頭,但是在這樣的抽象哲學下長大的確讓我之後比較容易吞下量子力學和裡面的哥本哈根詮釋。我的父親完全不是玄派的那型,他是個務實派的工程師。他在 Indiana Mills 下面從產鋼的副產物做水泥的工廠裡面做試驗尺度下的生產研究。他的工作會用到大型重機具像是幾百呎長的旋轉爐(rotary kiln),也會用到原子尺度的思考和危險的 X 光(像科幻小說裡面一樣)。他曾經給我看過一張他的一片水泥樣本的 X 光散射圖。他也需要寫典程式來最佳化水泥組成。在 196 年代早期,他必須在特殊的表格下完整寫指南,然後送到公司在 Pittsburg 的總部。在那邊他們會打卡送計算後把結果用郵件寄回來(不用一週!)。在家裡我父親就又比上班時更『實際』些了。他覺得付錢給別人修東西是不道德的。所以他大部分的週末都在拆裝他的車子,廢物場中東翻西找替代零件。我自然得幫忙了。即使他需要我幫忙,我還是不喜歡大冷天的跑出去背躺在車底下地上。我們家的電視老是需要修。每隔一週,我們總在那邊測試哪跟真空管燒掉了要修;我自然得學這些東西。我父親嘗試教我這些實際事務顯然是引火自焚了,因為現在我是個理論學家而且拒絕自己修家裡的東西。最好逃離幫父親幹活的方式就是去地下室。樓下有滿滿的過期 Popular Science雜誌還有一些 30和 40 年代父親年輕時買的書。我非常喜歡看這些東西,特別是那些有英雄化學家故事的像是 TheChemical Age. 我對那段Baekeland 說服 Eastman 授權給他相片沖印術, 而自己開公司致富的故事印象深刻,因此有兩場受這個故事啟發的冒險。首先是在我對聚合物的憧憬下,我決定用自製的膠水從我的小學三年級班上同學賺錢。Popular Science告訴我說可以用結塊的牛奶做膠水。我不知道用什麼方法成功的說服我母親試試看這個計畫。我們買了好幾加崙的牛奶,加入醋使其結塊。但是將乳清淡白和凝塊物分開那步失敗了, 所以牛奶持續發酵。那臭死的味道終於讓我們相信膠水和錢是生不出來的,因此我們放棄了這個計畫。The Chemical Age上面有寫如何從丁香做人工香草。這道步驟要把丁香用鹼加壓加熱萃取。我決定在廚房做這個。我把丁香混合了酒精、加點小蘇打粉,把這些混合物放進試管中。我很小心,我知道在壓力環境下加熱是危險的。所以我在加熱前把密封的試管用鋁箔包起來。即使試管跳著很厲害,我還是堅持加熱下去...... 最後試管炸成了看不見的碎塊。我說服自己整個家裡聞起來有香草味,但我母親氣炸了。幸好沒人瞎掉。之後我的實驗和讀物都越來越精進些。我在圖書館中找到了 Issac Asimov。雖然現在大家比較知道他的科幻類 Three Laws of Robotics的東西,Asimov 身為一個訓練有素的生化學家,其實是個撰寫科學事實的天才,出過幾百本書。我從他為 Fantasy and Science Fiction月刊寫的專欄小品單行版學到最多東西。那些短短幾頁的文章通常都 self-contained,帶出有趣的問題,而且通常會有一點簡單的計算來了解背後的數學。我現在仍覺得這樣的風格對於一篇科學文章是很理想的。我也從這些文章中學到了 DNA 的結構,並且在小學五年級做了個科展。我攻克結構生物學的第一戰值得了!(贏了個獎)但我對於那個我用聖誕節保麗龍飾品做的結構模型的回憶是,除了滿足 Chargraff’s Rule 外 ,那些東西通通都錯了。我也從 Asimov 那裡學到了,有機化學是生物學背後的祕密,所以我對有機開始認真起來,並說服我父親幫我從附近的化工材料行買了一些器材和化學藥品。那間材料行剛好就在一個垃圾場附近。要是現在來看的話,我很有可能會被認為是在做安非他命,因為我買的那些 ether,benzene 等等。不過從此之後就沒有爆炸了!超好運! 我也讀到了幾本比較現代的物理和物理化學書。這些書對我有持續的影響。第一是 Reichenbach的 The Philosophy of Space and Time 我熟讀了這本哲學家式的相對論入門。我學到了人必須仔細思考實驗上看到的東西。我大概太過於狂熱了,但我真的覺得科學的意義不是只是炸個東西或是賺點錢,而是『用比較深沈的角度看世界』。我這樣的想法在我之後買了 Persico 的 Quantum Mechanics($1.5,精裝版)。但我最愛的是在芝加哥科學與工業博物館買的 Denbigh 的 Principles of ChemicalEquilibrium。我一遍又一遍的看;我最初買的那本早就讀到散掉了。我學到了兩件事:熵和速率(Entropy and Rate) 。熱力學第二定律總是很令人困惑。我從 Asimov 那兒知道這是意味著宇宙的結束(End of Unviverse)(不過其實這是不對的),但到底什麼是熵?熵的統計意義似乎比較有點道理, 但我必須要一遍又一遍的讀才能了解。世界真的是隨機的嗎?涵蓋全部的化學平衡後,書的最後一章是關於化學動力學。這章節非常的讓我很困擾。我知道反應物最終要改變(像是爆炸?)但到底什麼是改變?什麼時候一個分子不是這個而變成另一個?亞里斯多德應該會對我的困惑感到高興。最後,到底什麼是暫態(Transition State)?我可以把它放進罐子裡嗎 ?罐子為什麼不會爆炸?結果後來證實我大部分的科學生涯都在試著去解釋這些問題;所以看這本書的確對我有深遠的影響。學校呢?我有從學校那兒學到任何東西嗎?呃... 有一點。首先低年級的時候我必須學會閱讀和學點算數。如果沒有先會這些,我無法在我自己的地下室自修。其次,我很緩慢的學會了如何問問題的時候不讓老師不爽。我學會要比我的本性還要更禮貌的問問題。這技巧在後來參加討論會(attendingseminars)的時候很有用!不過另一方面,因為我很慢才抓住這個竅門,我其實常常被送到校長那兒受點體罰(甚至到八年級/初二的時候)。有些老師(例如數學老師,比較不像教練那樣)是非常的鼓勵我,甚至讓我去附近 Indiana University 的校區去修課。我退學後,去大學正式註冊成一個化學系學生。那時候有機化學仍然是我的人生目標,但我修了很多數學課;數學教授甚至叫我去主修數學。比起化學系的進階課, 我其實修了更多的物理和數學的進階課程。有機實驗的兩個點改變了我的人生軌跡。我們在有機實驗課裡面做的東西比起我在家裡地下室做的還要簡單太多了,我應該會覺得很無聊。幸運的是,實驗課指導老師,Hered 教授允許我的實驗報告可以無限擴充 introduction 部分,只要內容相關。因此我的實驗報告變得蠻理論的。蒸餾實驗的簡介部分是關於相平衡;SN 1 反應則是嘗試著用量子力學來合理化這個現象。來自實驗課的第二個刺激則比較不正面些。在一個 esterification的實驗裡面,我們必須用要放在 hood 裡面的冰醋酸和硫酸。當我拿醋酸的時候,我注意到一件怪事–我的雙腳突然感覺到一陣溫暖。我往下看,發現我正站在一灘本來應該在一個大桶子裡的濃硫酸中間。我一個同學拿起了桶子但是炸開了因為桶子放在一個加熱板旁邊。她因為被最大沱噴濺噴到而嚴重燒傷;我比較幸運些,但那段實在是個很令人不安的事件。親核反應的理論成為我的愛好。我覺得我可以用 transition state theory 和 polymer chain statistics來把 SN2 反應中的立體效應(steric effect)來電腦建模。我嘗試著把這些解釋給 Hered 教授聽,但是他說這超出他的能力了,不過他說 Indiana University 的 Bloominton 校區有正牌的理論學家可以幫我。我父母載我去三小時車程外的 Bloomington,見到了 Don MacQuarrie2和一個新的助理教授Robert Roberts。解釋我的理論給 MacQuarrie 並不簡單,而且他非常的挑毛病。我一路哭著回家。之後我得知其實他對我印象深刻,他和 Roberts 教授建議我轉學去 Bloomington 完成剩下的學業。我在 Bloomington 的一年就像真正的大學生活了。我學會玩 pinochle 和 Risk,而且開始熬夜。不過沒喝酒。我還太年輕了,而且酒精會殺腦細胞。我的 SN2 反應 project 沒什麼突破,但我開始學會了做真正的研究。Roberts 是個很棒的指導老師,而且讓我像個研究生一樣做研究。MacQuarrie 試著讓我對生物問題(其實是腦)感興趣。我跟 Roberts 說我不想做生物因為這不是化學。Roberts 很明白的告訴我,你幹嘛管是什麼問題?如果這個問題有趣,你就去做它。這段真是重要而且有影響力的建議,但我那時還是沒有做生物。我在 Bloomington 讀了一本好書,一套 David Pines 的多體問題 (Many-body Problems) 的講義。裡面有著令人眼睛一亮的想法:基本方程式並不是全部;從高角度看下 ,新的概念會出現(Basicequations were not everything but that new concepts could emerge at higher level)。舉例來說,『quasi-particle』的概念是基本物件被其和環境的交互作用改變,但能夠保持其特性。那似乎意味著有可能可以把我的多體想法帶進化學當中,所以化學可以以此方式被了解和計算。有了學士學位以後,我可以正式的上研究所了,不過有些限制。我的父母擔心我住得離家太遠。一個選擇是離家附近的芝加哥大學(University of Chicago),但是我祖母住在麻州的 Cambridge,所以Harvard 和 MIT 也是選項之一。我不確定 Harvard 是不是最好的選擇, 但是就是 Harvard 了! 哈佛真正是” 大聯盟(big league)”。我幾乎在迎新會上就被嚇到了。我在大學時候就已經上過了實分析和複變,但一個同學居然學過拓樸,而且是在 Princeton!在哈佛的化學物理博士學程裡,我們幾乎跟物理系的一年級學生上一樣的課。雖然我覺得量子挺容易的( 真的),但研究所程度的電磁學讓我挺擔心的。我大學時沒有修過電磁,而且課堂上有大概十本教科書,像是標準的 Jackson、Born and Wolf 的 Optics,兩冊藍道 -列夫謝茲 (Landau-Lifschitz)還有教師 Nicolaas Bloembergen的自己兩本書。我修的還不錯,原因是因為被 Bloembergen 嚇到努力用功。雖然 Bloembergen 以實驗學家著名,但我從他的課上學到很多如何專業的做理論的方式。二十年後,我接近嚇到發現Bloembergen(那時候已經是諾貝爾獎得主)並不是他在課堂上那麼嚴厲的樣子。在一個美國國家科學院的公園派對上,他其實很愛笑而且迷人,幾乎跟政治人物一樣的友善(chummy)。現在通常學生開始研究都是先選個指導老師，然後加入一個正在進行的研究計畫，當年 Harvard並不是這樣。哈佛收你的時候指望你先找到你的論文問題，然後找老師們尋求建議看問題怎麼解決（速度不限）。通常理論組學生有指導老師，但他們通常只是稍受指導（lightly advised）而已。我名義上的指導老師是Roy Gordon。理論化學組的學生都待在一棟跟教師們分開建築裡面，叫做『The Morton Stanley Prince Psychological House』，簡稱『Prince House』。聲名狼藉的哈佛心理系教授Timothy Leary 在60 年代的時候在這兒。大家懷疑他當年實驗後殘存的迷幻藥對之後待在這棟建築的人還是有點影響。無庸置疑的是很多有創意的理論家都在那裡待過，像是Bill Miller, Eric Heller,Bill Reinhardt 和Arieh Warshel 等等。我到哈佛的時候那裡是一群很強的組，包括Iwao Ohhmine,Zan Luthey, Peter Rossky, Klaus Schulten, Attila Szabo 和 Andy McCammon。我們從彼此身上學到很多，也開始在地下室舉辦我們自己的討論會，教師們偶爾會參加一下。我找不太到可以的論文題目的方向。我覺得臨界現象（Critical Phenomena）的問題和非古典的指數項（Non-Classical Exponent）很有趣，但是這已經被人利用Widom, Kadanoff, Fisher 和Wilson的想法解決了。流體力學也很吸引我，因為那有很新很棒的多體概念。但是這個概念的理論架構被Alder 和Winwright 的電腦模擬結果裡面的『 long time trails』給挑戰了。Mode Coupling Theories 給了個解釋，但是不太嚴謹。我覺得我可以做點東西。我做到了，但只是一點點成就而已。我嚴謹的給出Mode Coupling Theories 高估了那項作用，所以流體力學仍然是可以的。其實這是挺無聊的結果，但這個理論給了我第一篇文章，而且大概是我唯一的一篇數學上嚴謹的文章。為了完成我的論文，我向外到MIT 尋求更多建議。John Ross 給我幾個很棒的建議。他說我那篇 Mode Coupling Theories的文章證明我有能力做出點東西，但我應該記住，一個能被解決的難題並不代表這個問題是重要的或是值得解決（just because a problem is hard and could be solved does not mean it is important orworth solving ）。我以後選課題要選的更好些。我也開始跟哈佛裡面MIT 來的老師John Deutsch 討論。他覺得我關於流體力學中的邊界問題的想法很不錯。這個研究之後成為我論文的絕大部分。幾個月之後，因為我個人的因素想留在Cambridge，John Deutsch 給了我博士後的位子。當我那篇嚴謹的文章在Physical Review 刊出後他相當的不開心。我文章中的通訊地址上開了個玩笑：『The Centerfor Correlation Function Research』。那是在一個學術界中還沒有什麼『中心』的時代，當然現在很普遍了。當這篇文章刊出以後，John 大為光火，他說：『科學是很嚴肅的，科學就跟打仗一樣。科學是不給幽默的。』他繼續解釋，有些很有權勢的人是一點幽默感也沒有的，例如，Herb Gutowsky。如果他看到了那篇文章，我一定拿不到伊利諾大學的教職。其實我之後發現Herb 有足夠的幽默感來容忍我的不莊重。我一到MIT 以後，John 跟我說Harvard 那邊打電話問我要不要申請教職回去。他建議不要，但是我不聽。我在哈佛教職的日子裡壓力很大，但我的化學中多體問題研究起頭起的還蠻成功的。我跟Jim Skinner 合作的環境摩擦效應對於凝態中的速率問題讓Kramer 那個物化學家早忘記的老想法又復活了。這個研究得到了很大注意，令我欣慰的是，很多校包括伊利諾大學都給我終身職（我回到哈佛三年整後）。雖然（或是因為）伊利諾以嚴謹著名，我接受了它的職位。這是一個很棒的決定。它有著在物理和化學的卓越早以奠基，但沒人因此滿足的傳統。物理系的John Bardeen 得過了兩次諾貝爾獎，但是覺得兩個三分之一獎也不過是三分之二個諾貝爾獎而已。我也開始跟Hans Frauenfelder和Harry Drickamer 交流，而且他們也是非常棒的導師。我當時仍然需要人教，而且他們很有耐心。我在伊利諾的科研成果非常的豐碩，但我最大的發現是Kathleen Bucher。雖然我花了很大的功夫才說服她嫁給我，但她自此後一路跟隨我人生的冒險，一直是我強而有力的靠山；有需要時，則也是理智的批評者。之後在伊利諾、UC Sandiego 和Rice，我有太多科學上脫序的故事可以說了。除了我教新生的時候，遠離實驗室工作避免我造成的爆炸。我一直可以跟著Roberts 的建議，不在乎我研究被怎麼叫。這唯一的缺點是我必須參加不同學系的一大堆的教師會議。我可以優遊於熱力學、動力學、隨機問題、量子現象、玻璃、蛋白質，甚至細胞和基因...但還沒到腦這塊領域。從中我發展了一些有用的多體化學概念，例如funnels、和rugged energy landscapes 等等。我的研究工作本質上都是多體現象的問題，而我在其中的角色就像是『quasi-particle』一樣。我的著作列表證明了我從合作的人身上學了多少。我一直試著從同事和競爭對手身上學東西。他們都值得我的一聲感謝。 [完] -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc) ◆ From: 128.42.97.140

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