謝雨桐/編譯

杰羅姆·卡爾勒在美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室

● 杰羅姆·卡爾勒（Jerome Karle）在晶體學(xué)相位問(wèn)題研究方面做出了巨大貢獻(xiàn)，并因此在1985年獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。2013年6月6日，他在美國(guó)弗吉尼亞州安嫩代爾去世。他卓越的物理洞察力和數(shù)學(xué)功力使他從同時(shí)代最優(yōu)秀的科學(xué)家中脫穎而出。

杰羅姆1918年6月18日在紐約州布魯克林市出生，在康尼島長(zhǎng)大，他對(duì)這里有很深的感情。他的教育是在紐約的公立教育系統(tǒng)中完成的，之后進(jìn)入紐約市立大學(xué)。1937年和他一同畢業(yè)的赫伯特·豪普特曼 （Herbert Hauptman）與他共享了諾貝爾獎(jiǎng)。

杰羅姆在1938年拿到了哈佛大學(xué)的碩士學(xué)位。他花了兩年時(shí)間在紐約州奧爾巴尼市的州立醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室工作，在這里他開(kāi)發(fā)了一種檢測(cè)供水系統(tǒng)中氟含量的方法。之后去密西根大學(xué)攻讀化學(xué)博士。在一堂化學(xué)實(shí)驗(yàn)課中，他被按照字母順序分到和美籍波蘭人伊莎貝拉·露果斯基 （Isabella Lugoski）一組。他們?cè)谏蠈W(xué)的時(shí)候就結(jié)為了夫妻。杰羅姆和伊莎貝拉都在勞倫斯·布羅克韋（Lawrence Brockway）的指導(dǎo)下完成了博士學(xué)位并成為電子衍射領(lǐng)域的專(zhuān)家。這方面的工作后來(lái)對(duì)杰羅姆在X射線(xiàn)結(jié)構(gòu)方面做出的貢獻(xiàn)非常重要。

在第二次世界大戰(zhàn)期間完成博士學(xué)位后，卡爾勒夫婦加入了芝加哥大學(xué)的曼哈頓項(xiàng)目，研究钚化學(xué)的不同領(lǐng)域。戰(zhàn)爭(zhēng)過(guò)后不久，他們加入華盛頓特區(qū)的美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）。他們?cè)贜RL的大多數(shù)早期工作都與電子衍射相關(guān)。在杰羅姆的早期貢獻(xiàn)中有一個(gè)新型電子衍射譜儀設(shè)計(jì)，它極大地超越了同時(shí)代的機(jī)器。

20世紀(jì)50年代早期，結(jié)晶學(xué)相位問(wèn)題從數(shù)學(xué)角度上被認(rèn)為是不可能解決的，但是杰羅姆和豪普特曼發(fā)現(xiàn)他們可以解決這個(gè)問(wèn)題。一個(gè)典型的結(jié)晶學(xué)實(shí)驗(yàn)會(huì)記錄晶體衍射的X光的方向和亮度。測(cè)量的亮度是結(jié)構(gòu)因子的平方，是電子密度的傅里葉變換。人們可能會(huì)預(yù)期電子密度能用反向傅里葉變換得到；電子密度的峰值和原子核的位置相對(duì)應(yīng)。但相位問(wèn)題是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)因子的復(fù)雜性而產(chǎn)生的。當(dāng)這個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)因子被平方時(shí)，相位信息就丟失了。沒(méi)有了相位，就不能構(gòu)造反向傅里葉變換來(lái)得到電子密度和分子結(jié)構(gòu)。

杰羅姆和豪普特曼意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題的難度實(shí)際上被高估了：觀測(cè)的數(shù)據(jù)數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了決定晶體晶胞中所有原子位置的參數(shù)數(shù)量。如果這個(gè)問(wèn)題的難度真的被過(guò)高估計(jì)了，那么就一定能找到一個(gè)解決方案。最后，這個(gè)解決方案是通過(guò)結(jié)構(gòu)因子間成立的不等式找到的。重要的是，這些不等式都是在一種約束條件下推導(dǎo)出來(lái)的。這個(gè)條件恰恰是杰羅姆在他早期的電子衍射數(shù)據(jù)研究者中應(yīng)用的：各處電子密度均為正的數(shù)學(xué)約束。

杰羅姆和豪普特曼撰寫(xiě)了解決相位問(wèn)題的數(shù)學(xué)條件，他們?cè)?953年共同發(fā)表了一篇專(zhuān)題著作，這篇著作有一個(gè)很讓人驚訝的名字——《相位問(wèn)題解決方法I:中心對(duì)稱(chēng)晶體》。其中不僅涉及到了數(shù)學(xué)，而且展示了它是如何真正解決晶體結(jié)構(gòu)問(wèn)題的。伊莎貝拉在她的X光測(cè)量中應(yīng)用了數(shù)學(xué)不等式，解決了別人無(wú)法解決的結(jié)構(gòu)問(wèn)題。這樣相位問(wèn)題不管從理論上還是在實(shí)驗(yàn)中都被攻克了。杰羅姆強(qiáng)烈地感覺(jué)到伊莎貝拉的實(shí)驗(yàn)工作應(yīng)該能夠和他分享諾獎(jiǎng)并被大家廣泛認(rèn)同。然而，她不是第一個(gè)受到諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)歧視的女性。

現(xiàn)在要想意識(shí)到解決相位問(wèn)題對(duì)晶體學(xué)界產(chǎn)生的影響并不難。杰羅姆在他的諾貝爾獎(jiǎng)官方自傳中總結(jié)道：“很多科學(xué)家根本不相信我們說(shuō)的話(huà)。”和懷疑的氣氛相反，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的官員始終沒(méi)有動(dòng)搖過(guò)他們對(duì)卡爾勒夫婦的堅(jiān)定支持。杰羅姆強(qiáng)調(diào)美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的支持對(duì)他們研究的最終成功起了決定性作用。

杰羅姆是以一個(gè)很戲劇性的方式得知自己得到諾貝爾獎(jiǎng)的。那天是1985年10月16日，當(dāng)時(shí)他正在從倫敦開(kāi)往華盛頓特區(qū)的飛機(jī)上。機(jī)長(zhǎng)詹姆斯·格林（James Green）廣播了這則消息：“我們很榮幸，今天與我們同在這架飛機(jī)上的有一位新晉的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，他自己甚至都不知道呢?！敝髾C(jī)長(zhǎng)邀請(qǐng)杰羅姆在頭等艙就座。

在美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室，杰羅姆1986年建立了物質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室。幾十個(gè)同事在那里和他工作了許多年，主要研究分子結(jié)構(gòu)，很多人對(duì)他充滿(mǎn)感激。他向同事們展示了一種極大的善意，像愛(ài)自己的家人一樣愛(ài)他們。

杰羅姆總是一個(gè)持久的工作狂。來(lái)實(shí)驗(yàn)室時(shí)，他常常會(huì)在辦公室門(mén)口停下來(lái)，重新溫習(xí)一下前天晚上帶回家做的工作。一天結(jié)束時(shí)，他會(huì)再次停下討論一天中工作進(jìn)展。在他的職業(yè)生涯后期，他和同事們一同進(jìn)入了量子晶體學(xué)領(lǐng)域，用X射線(xiàn)來(lái)代表電子的量子態(tài)。2011年，在杰羅姆退休后仍和同事們一起發(fā)表論文，用量子力學(xué)來(lái)預(yù)測(cè)高能高密度分子的爆炸性。

杰羅姆不止是一個(gè)優(yōu)秀的科學(xué)家，他還是一個(gè)很偉大的男人。諾貝爾獎(jiǎng)沒(méi)有改變這些。在大家看來(lái)，他最明顯的特點(diǎn)就是謙卑。在重要的科學(xué)貢獻(xiàn)之外，他過(guò)著一種很簡(jiǎn)單、很樸實(shí)的生活。他總讓那些和他聊天的人覺(jué)得舒服、平等，感受到尊重。杰羅姆的人性是值得被思考和效仿的。