杰羅姆·卡爾勒（1918-2013）

謝雨桐/編譯

杰羅姆·卡爾勒在美國海軍研究實驗室

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

杰羅姆1918年6月18日在紐約州布魯克林市出生，在康尼島長大，他對這里有很深的感情。他的教育是在紐約的公立教育系統(tǒng)中完成的，之后進入紐約市立大學。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。

杰羅姆在1938年拿到了哈佛大學的碩士學位。他花了兩年時間在紐約州奧爾巴尼市的州立醫(yī)學實驗室工作，在這里他開發(fā)了一種檢測供水系統(tǒng)中氟含量的方法。之后去密西根大學攻讀化學博士。在一堂化學實驗課中，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。他們在上學的時候就結(jié)為了夫妻。杰羅姆和伊莎貝拉都在勞倫斯·布羅克韋（Lawrence Brockway）的指導下完成了博士學位并成為電子衍射領(lǐng)域的專家。這方面的工作后來對杰羅姆在X射線結(jié)構(gòu)方面做出的貢獻非常重要。

在第二次世界大戰(zhàn)期間完成博士學位后，卡爾勒夫婦加入了芝加哥大學的曼哈頓項目，研究钚化學的不同領(lǐng)域。戰(zhàn)爭過后不久，他們加入華盛頓特區(qū)的美國海軍研究實驗室（NRL）。他們在NRL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中有一個新型電子衍射譜儀設(shè)計，它極大地超越了同時代的機器。

20世紀50年代早期，結(jié)晶學相位問題從數(shù)學角度上被認為是不可能解決的，但是杰羅姆和豪普特曼發(fā)現(xiàn)他們可以解決這個問題。一個典型的結(jié)晶學實驗會記錄晶體衍射的X光的方向和亮度。測量的亮度是結(jié)構(gòu)因子的平方，是電子密度的傅里葉變換。人們可能會預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應。但相位問題是因為結(jié)構(gòu)因子的復雜性而產(chǎn)生的。當這個復雜的結(jié)構(gòu)因子被平方時，相位信息就丟失了。沒有了相位，就不能構(gòu)造反向傅里葉變換來得到電子密度和分子結(jié)構(gòu)。

杰羅姆和豪普特曼意識到這個問題的難度實際上被高估了：觀測的數(shù)據(jù)數(shù)量遠遠超過了決定晶體晶胞中所有原子位置的參數(shù)數(shù)量。如果這個問題的難度真的被過高估計了，那么就一定能找到一個解決方案。最后，這個解決方案是通過結(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出來的。這個條件恰恰是杰羅姆在他早期的電子衍射數(shù)據(jù)研究者中應用的：各處電子密度均為正的數(shù)學約束。

杰羅姆和豪普特曼撰寫了解決相位問題的數(shù)學條件，他們在1953年共同發(fā)表了一篇專題著作，這篇著作有一個很讓人驚訝的名字——《相位問題解決方法I:中心對稱晶體》。其中不僅涉及到了數(shù)學，而且展示了它是如何真正解決晶體結(jié)構(gòu)問題的。伊莎貝拉在她的X光測量中應用了數(shù)學不等式，解決了別人無法解決的結(jié)構(gòu)問題。這樣相位問題不管從理論上還是在實驗中都被攻克了。杰羅姆強烈地感覺到伊莎貝拉的實驗工作應該能夠和他分享諾獎并被大家廣泛認同。然而，她不是第一個受到諾貝爾獎委員會歧視的女性。

現(xiàn)在要想意識到解決相位問題對晶體學界產(chǎn)生的影響并不難。杰羅姆在他的諾貝爾獎官方自傳中總結(jié)道：“很多科學家根本不相信我們說的話?！焙蛻岩傻臍夥障喾?，美國海軍研究實驗室的官員始終沒有動搖過他們對卡爾勒夫婦的堅定支持。杰羅姆強調(diào)美國海軍研究實驗室的支持對他們研究的最終成功起了決定性作用。

杰羅姆是以一個很戲劇性的方式得知自己得到諾貝爾獎的。那天是1985年10月16日，當時他正在從倫敦開往華盛頓特區(qū)的飛機上。機長詹姆斯·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上的有一位新晉的諾貝爾獎獲得者，他自己甚至都不知道呢?！敝髾C長邀請杰羅姆在頭等艙就座。

在美國海軍研究實驗室，杰羅姆1986年建立了物質(zhì)結(jié)構(gòu)實驗室。幾十個同事在那里和他工作了許多年，主要研究分子結(jié)構(gòu)，很多人對他充滿感激。他向同事們展示了一種極大的善意，像愛自己的家人一樣愛他們。

杰羅姆總是一個持久的工作狂。來實驗室時，他常常會在辦公室門口停下來，重新溫習一下前天晚上帶回家做的工作。一天結(jié)束時，他會再次停下討論一天中工作進展。在他的職業(yè)生涯后期，他和同事們一同進入了量子晶體學領(lǐng)域，用X射線來代表電子的量子態(tài)。2011年，在杰羅姆退休后仍和同事們一起發(fā)表論文，用量子力學來預測高能高密度分子的爆炸性。

杰羅姆不止是一個優(yōu)秀的科學家，他還是一個很偉大的男人。諾貝爾獎沒有改變這些。在大家看來，他最明顯的特點就是謙卑。在重要的科學貢獻之外，他過著一種很簡單、很樸實的生活。他總讓那些和他聊天的人覺得舒服、平等，感受到尊重。杰羅姆的人性是值得被思考和效仿的。