范海福院士：“偶然”造就科學人生

　　范海福，1933年出生。1956年北京大學化學系畢業。晶體學家，中國科學院物理所研究員。1991年當選中國科學院院士；2000年當選第三世界科學院院士。第十四、十五屆（1987~1993）國際晶體學會、晶體學計算委員會委員。

　　對晶體結構分析中的贗對稱性問題提出了系統的處理方法、建立高分辨電子顯微學中的圖像處理新方法（與李方華合作）、將直接法用于蛋白質晶體結構分析、創建多維空間直接法以測定含周期性缺陷的晶體結構。

　　發表學術論文一百余篇，在國際學術會議上作特邀報告四十余次。與英國皇家學會會員M.M. Woolfson合作專著一部：Physical and Non-physical Methods of Solving Crystal Structures，Cambridge University Press，1995。獲1987年國家自然科學獎二等獎，1991年中國物理學會葉企孫獎，1992年國家科技進步獎二等獎，1996年第三世界科學院物理獎，1998年何梁何利科技進步獎，2006年陳嘉庚數理科學獎。

　　采訪范海福院士，是在他家簡樸甚至有些簡單的客廳里。從陽光明媚的下午直到天色暗淡的傍晚，聽著略帶廣東口音的老人娓娓道來。

　　和同時代科學家一樣，范海福的科研道路打上了時代烙印，但又顯得有些異數——沒有被動承擔某個研究項目，還抵御了某些“大氣候”的影響。他早在1963年撰寫并正式發表于1965年的論文就率先進入了當時國內外晶體結構分析方法研究的一個新領域。該領域從上世紀80年代初至90年代末，成了國際晶體學直接法研究的一個熱點。無疑，我國的相關研究也因此一直占有重要的地位。

　　上世紀40年代后期，抗戰結束后廣州恢復了過去的平靜，街道重新熱鬧起來。一個十四五歲的少年，常常在節假日穿梭于大街小巷，從舊貨攤、書店到所有向公眾開放的圖書館。這個少年就是范海福。

　　初中二年級時，范海福隨母親從澳門回到廣州，進入中山大學附中（現為廣東實驗中學）。范海福開始只對文學、音樂、美術有興趣，不曾想一本書讓他走上了科研的道路。

　　范海福的母親是中學老師，喜歡買書，每次也給范海福選一些書，有一次買了本《少年化學實驗手冊》。這是一位早年化學家寫的小書，它針對中國當時國情，教少年人在家做實驗。可想而知當時中國學校的實驗設備都非常有限。這本實驗書寫得很詳細，范海福看后很感興趣，就玩上了，動手在家做實驗，從那時起他對化學就有些興趣了。

　　在此之后，范海福又看了一系列教少年在家做實驗的書，除了化學實驗還有無線電實驗，并由此擴展到各種科普讀物。做實驗讓范海福受益匪淺，除了學會動手，還鍛煉了思考。因為書上提到的許多材料和工具，其價格不是范海福的家庭經濟條件所能承受的。他不得不設法尋找代用品并修改實驗方案。為此除了逛舊貨攤，還要進圖書館去找參考資料，以便更透徹地理解實驗的原理。

　　“我瀏覽課外讀物以及就同一個問題查幾本不同參考書的習慣就是那時候培養起來的，這是很偶然的。我母親不是學理工科的，對于解決實驗上的問題幫不上忙。只有自己去想、查資料、做實驗，有的問題很快就解決了。有的問題一時不能解決，就再想辦法，再做實驗。這些都是科研中頻繁出現的過程，那時就開始接觸并去適應了。”范海福說。

　　之后，范海福又組織了課外化學和無線電實驗小組，在自己家里和幾個同學一起做實驗——在中山大學附中，學生不用申請就可以組織興趣小組。他們的活動貫穿了整個高中階段，興趣之大，即使在高考前也不曾停止。

　　有意思的是，這個興趣小組的同學都考上了大學，都讀理工科，多數當了教授，其中還有兩位院士。范海福說：“如果機遇能夠均等地眷顧每一個人，他們當中還會有更多的院士。”

　　范海福對有興趣的科目很用心，但對考試則并不在意。他兩次參加高考。第一次沒有考上第一志愿的學校，第二次才考上北京大學。不像許多科學家從小學習就很優秀，范海福說自己的考試成績，除了少數特別有興趣的科目，其他大都是中等水平。

　　他在中學和大學都有考試“不及格”的記錄。不過，很幸運的是，他就讀的中學和大學都很寬容。

　　中山大學附中是一所公立中學，它雖然不一定是當時廣州最好的中學，但在范海福看來，學校里有很優秀的教師，能夠給學生耐心的啟發和引導；有良好的氛圍讓學生能夠自由地發展。

　　范海福有一年數學沒考及格，之后參加補考。但是他并沒有因此從老師或同學那里感受到某種壓力。了解他的老師和同學都仍然覺得他在化學、物理、音樂、美術等科目有突出的表現。

　　另一次“考試”不及格，是在北大期間。

　　范海福對于自己做實驗的能力是很自信的。有一次實驗課范海福擅自改動了“實驗教程”中規定的操作。當時的“教程”是從前蘇聯搬來的。范海福發現其中有兩個實驗操作明顯不合理。后來的事實也證實，按照這兩個實驗操作去做，花上幾十分鐘也得不到結果。范海福改變了操作，不到五分鐘就做完了。事先沒有同老師商量，應該說是不對的。但是如果商量了，恐怕也就改不成了。做完實驗，他得意地提前離開了實驗室“自由活動”去了。

　　事后負責無機化學實驗課的老師批評他：不遵守課堂紀律；不尊重蘇聯老大哥的先進經驗。范海福接受了第一項批評，但拒絕了第二項。一年級期末放假期間，范海福接到一封電報：無機化學實驗課不及格，速回校參加補考。范海福沒有理會。開學后，課代表問他怎么不參加補考。范海福說：無機化學實驗課根本就沒有考過試。你還不知道我會考成什么樣，怎么就肯定我需要“補考”？事情就這樣僵持著。

　　畢業兩年后，范海福接到通知：請帶兩張照片回校領取畢業證。

　　回首往事，范海福覺得那位負責實驗課的老師是一位很敬業的老師。她給予范海福的指導和幫助是寶貴的。還應該特別感謝那位老師和校方對一個狂妄不羈的“愣小子”所表現出來的寬容。

　　范海福進入北京大學化學系是在1952年。當時的北大，名教授都在第一線講課，大學4年讓他收獲很大，也印象深刻，過了近60年，許多老師上課的情形他都能一一道來。

　　中國晶體學奠基人之一唐有祺是范海福的晶體學啟蒙老師。范海福大學畢業多年后仍得到唐有祺許多幫助。那時其他老師對范海福后來的科研生涯同樣有著重要的影響。

　　著名物理化學家傅鷹講課精辟透徹、風趣幽默。他特別強調學以致用。開學第一課，他就公開期末考試的一道必答題：“舉一個你親身經歷的例子來說明一條膠體化學的原理。”附帶要求：“這個例子不能是我在課堂上講過的，也不能是其他考生例舉過的。否則你最多只能得3分（5分是滿分）。”幾句話就讓全班學生隨時隨地注意周圍發生的各種自然現象，并試著用剛剛學到的膠體化學原理去加以闡釋。這在教學法中堪稱一絕。

　　著名物理化學家徐光憲為人平易謙和。他在講課之余，還向同學們介紹自己的科研經驗。告誡他們：科學研究的路途中，會有一些地方“花草很好看”。但是不要因此迷失方向，偏離更重要的目標。

　　著名理論物理學家周光召是當時給化學系講課的最年輕的老師，也是最受歡迎的老師之一。他講理論物理的“化學系精簡版”。沒有現成的教材，來不及寫講義，上課也沒有寫好的提綱。周光召手拿一支粉筆，邊講邊寫。一年下來，用心的同學只要記下關鍵的話語，抄下黑板上的公式，就組成一部好講義。周光召不僅講授物理內容，更注重訓練思維方法。要求學生對于類似的概念不僅要看到它們的雷同，更要弄清它們的差異。

　　大學三年級時，范海福在大連石油研究所陳紹禮的指導下作科研實習。陳紹禮是剛從美國歸來的青年學者。他的書桌旁有一個許多小抽屜的柜子，里面全是文獻卡片。范海福跟陳紹禮學會了上圖書館查文獻，通過對文獻資料的分析對比得出自己的推論，然后用實驗去檢驗。

　　1956年，范海福分配到中科院應用物理研究所（現物理研究所）。

　　“發明一種新方法，可能比測定十個新結構更重要。”這是范海福在物理所的導師吳乾章第一次和他見面時說的話。這里說的“方法”，是指晶體結構分析方法。范海福就在這句話的啟發和引導下開始了幾十年的晶體結構分析方法研究。

　　“我那行當，知道的人不多。”對于晶體學專業，范海福總是會這樣開始介紹。晶體學是一個交叉學科，涉及到數學、物理、化學、生物學等等。它的名聲雖然不夠“顯赫”，但對人類的貢獻卻非常大。是X射線晶體學，使人類懂得什么是原子半徑、鍵長、鍵角等廣泛使用的、描述物質微觀結構的量；二戰結束前后，由英美多位頂級晶體學家組成的團隊，花了3年時間，用X射線晶體學方法測定了青霉素的結構，這才有可能廣泛地使用青霉素為大眾治病；20世紀中一些重大的科學事件如DNA雙螺旋結構模型的提出、肌紅和血紅蛋白晶體結構的測定、結構生物學的創建等等都和X射線晶體學有密切的關聯。

　　更直白地說，晶體結構分析就是一種工具，它幫助人類以原子的尺度去觀測物質內部的幾何形態。范海福曾經在一次講習班中自我介紹說：“我們是幾個工匠。請注意，我沒有瞧不起自己，更沒有瞧不起工匠。從世界上最偉大的建筑設計師，到辛勤地添磚加瓦的建筑工人都是工匠。設想一下，如果所有這些工匠都沒了，我們該到哪兒住呢？有兩個地方可供選擇：洞里，或者樹上！”

　　范海福繼續解釋，搞計算機設計和制造的人與搞晶體結構分析研究的人都可以算是科技界的工匠。他們并不直接去探索自然界的運動規律，但是他們為此提供不可缺少的工具，并不斷地改進和革新這些工具。以X射線衍射分析為代表的、原子尺度下的物質結構分析已經有近百年的歷史。而且還在不斷地改進和革新中。原來花三年才測定出來的青霉素結構，現在大約三天就夠了。原來經過二三十年才完成的肌紅和血紅蛋白的結構測定，現在大概一個月就能做完。

　　2012年，中國物理學會、《物理學報》和Chinese Physics B編輯部把“最有影響論文獎”的特等獎授予范海福1965年發表于《物理學報》的文章：《符號關系式在測定含重原子晶體結構中的應用——I. 一個符號修正方案；II. 分量關系式及其應用》。那篇論文的第二部分（II）將直接法與蛋白質晶體結構分析中的“單對同晶型置換”和“單波長異常衍射”方法聯系起來，是國際上直接法首次進入蛋白質晶體學的論文。寫這篇論文的時間是1963年，那時范海福剛30歲。

　　“說實話，我當時并不清楚那篇文章到底有多大的意義。我只是試著打開一個缺口，把腳伸進衍射分析方法研究的園地。”范海福回憶說。長期以來，范海福總覺得著名科學家吳有訓老先生對那篇文章的評價明顯地高于自己當時對它的評價。

　　吳有訓從那時起一直關注范海福在方法研究上的進展。同時，范海福還得到導師吳乾章、吉林大學教授余瑞璜等老前輩的鼓勵和支持。但是接踵而來的“文革”，使這項工作受到嚴重干擾，只能以“黑題目”的形式艱難地、斷續地進行。盡管如此，范海福等人在這一時期發表的論文仍被國外出版的一本專著用三頁的篇幅詳細地引述。

　　“文革”后期，在自己的處境并不算好的情況下，吳有訓還叮囑范海福：“Phase problem很重要，一定要堅持搞下去！”

　　范海福和同事們堅持下去了，而且堅持了四十多年。“晶體結構分析中的贗對稱性問題”、“晶體超結構和非公度調制結構的直接法求解”、“蛋白質晶體SAD/SIR數據的直接法相位迭代推演”、“直接法輔助的蛋白質結構模型迭代修繕”等研究項目都是1965年文章的衍生物。其時間跨度從上世紀70年代直到現在。下一步，范海福和同事們還準備將直接法應用于單分子或單顆粒的、硬X射線激光衍射中的相位推演。

　　這是范海福在上世紀80年代末面對的一個“問題”。事情還得從晶體學中的直接法說起。

　　X射線打在晶體上，會在不同方向上產生衍射波。如果能夠把這些衍射波的振幅和相位統統記錄下來，通過一個傅里葉（Fourier）反變換，就可以算出一幅表征晶體結構的電子密度圖。但是衍射實驗通常只能記錄到衍射波的振幅而“丟失”了它們的相位。因此衍射分析的關鍵就是要設法恢復“丟去”的相位。晶體學中的直接法就是要從一組衍射波的振幅直接推引出相應的一組相位。它首先由D. Harker和J. Kasper于1947年提出。

　　上世紀50年代，一批先驅奠定了直接法的的數學基礎。范海福在上世紀60年代初提出將直接法與原有的其他衍射分析方法相結合，以提高直接法的效能并拓展直接法的應用領域。

　　同一時期，國際上的直接法研究飛速發展，并逐漸在小分子晶體結構分析領域取得主導地位。它成十倍地提高了解析小分子單晶體結構的功效，有力地推動了結構化學的發展并促成了基于小分子的藥物設計的創立。為此直接法先驅中的兩位科學家J. Karle和H. Hauptman于1985年獲得諾貝爾化學獎。喜慶之余，有些人提出了上面的那個“問題”。

　　1987年，第十四屆國際晶體學大會期間為祝賀兩位獲諾貝爾獎的科學家，舉辦了一個學術報告會。主席是直接法先驅之一、英國皇家學會會員M.M. Woolfson。共有5位報告人，范海福是其中之一。他的報告闡明諾貝爾獎之后的直接法應該走出傳統領域去開拓新的應用，并指出了四條拓展路徑。

　　報告會的主持人Woolfson非常贊賞范海福的主張，他私下對范海福說：“（在五個報告中）You are far the best！”9年后，1996年第十七屆國際晶體學大會的一個分會主席S. Fortier在她的總結報告中引用了范海福提出的拓展路徑。