摘要：理论化学家马丁·卡普拉斯（1930年3月15日-2024年12月28日）在诺贝尔奖讲座上。他因“为复杂化学系统创立了多尺度模型的研究”而获得2013年诺贝尔化学奖。

理论化学家马丁·卡普拉斯（1930年3月15日-2024年12月28日）在诺贝尔奖讲座上。他因“为复杂化学系统创立了多尺度模型的研究”而获得2013年诺贝尔化学奖。

导读：

不要顺着路的前方走，要往没路的地方走，并留下足迹。

——拉尔夫·沃尔多·爱默生

2024年12月28日，2013年诺贝尔化学奖得主马丁·卡普拉斯（Martin Karplus）在美国的家中去世，享年94岁。

11年前，当卡普拉斯在斯德哥尔摩报告自己的工作时，他在讲座开头引用了爱默生的这句诗。

卡普拉斯的科研生涯，正是在无人经过的地方，开拓了一条新的道路。卡普拉斯的工作为计算化学奠定了基础，众多计算化学软件即源于他的工作。他让理论化学在化学中占据一席之地，之后计算模拟与实验并驾齐驱，让复杂的生物大分子的运动跃然于计算机屏幕之上。

值得注意的是，卡普拉斯在其职业生涯的初期和中期，几乎每隔五年就跳槽一次，或学术休假去其他机构。这种规律性的研究环境和合作伙伴的变化，可能是他保持创造力的独特来源。

瞿立建 | 撰文

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科学启蒙始于观鸟

马丁·卡普拉斯于1930年3月15日生于奥地利首都维也纳一个犹太人家庭。奥地利被纳粹德国吞并几天后，卡普拉斯一家逃离了奥地利，于1938年10月辗转来到美国，定居在波士顿。

洛厄尔学会（Lowell Institute）成立于1836年，至今仍在运行。

波士顿活跃着一个洛厄尔学会，定期举办公众讲座。1944年1月，卡普拉斯参加了哈佛大学鸟类学家Ludlow Griscom做的观鸟系列讲座，就此迷上了观鸟。

卡普拉斯引起了Griscom的注意，获邀参加Griscom领导的野外调查。卡普拉斯曾识别出一新种海鸥。

卡普拉斯尤其对海雀感兴趣，他说服父母开车带他去加拿大加斯佩半岛观察海雀。

1944年秋，卡普拉斯入读高中。1944年冬季的一天，学校因暴风雪停课，卡普拉斯乘火车到达波士顿郊区，然后步行到了海边，用双筒望远镜眺望大海。观察了几个小时，看到了自己心仪的海雀，然后心满意足地返回。在路上，被几名警察拦下。警察一问得知，这个少年是来自奥地利的移民，冒着暴风雪来到海边，用德国制造的望远镜眺望大海，只为看鸟。警察不信，怀疑抓到了德国间谍，观察美国海军舰艇动向。警察向观鸟协会反复求证，最终确认这个孩子不是危险人物，然后开车将他送到了火车站。

1947年，卡普拉斯参加西屋科学竞赛。卡普拉斯基于他对海雀的观察，完成了参赛论文，最终闯入决赛，并获得男生第一名的成绩。马丁还与40名决赛选手一起受到了美国总统的接见，总统鼓励这些高中生们未来引领美国。

美国总统与西屋科学竞赛决赛选手们。西屋科学竞赛（Westinghouse Science Talent Search）是美国高中生最重要的科学竞赛，由西屋公司创立，后来因赞助商变更而相继更名为英特尔科学竞赛、再生元科学竞赛。此竞赛中走出多位诺贝尔奖得主。

1947年，卡普拉斯高中毕业，入读哈佛大学。他继续参与观鸟活动，并参加正规的科研活动。

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哈佛大学本科自由学习

卡普拉斯受鸟类研究经历的影响，打算将来从事生物学研究。卡普拉斯认为，要理解生命，必须要有扎实的化学、物理和数学背景，因此他同时修了化学和物理两个专业的课程。

在哈佛大学有充分的选课自由。

一些通常看来重要的专业课也可以不修，比如，卡普拉斯没有修化学专业的分析化学课程，只是因为自己不感兴趣。卡普拉斯没有修那些比较浅显的入门课程，比如《基础有机化学》，卡普拉斯认为这门课需要做很多乏味的实验和记忆各种名词术语，这纯属浪费时间，而是自学之后直接修《高等有机化学》，该课程讲授有机反应的物理机理，比较符合自己的口味。

《高等有机化学》授课老师建议卡普拉斯课余阅读鲍林的名著《化学键的本质》。卡普拉斯听从了老师的建议，通读了全书，尽管很多数学细节没有搞懂。这本书后来指引了他化学研究的方向。

鲍林的名著《化学键的本质》一个中文译本的封面

卡普拉斯出于对生物的兴趣，选修了很多生物课程。他同样无视课程对前置课程的要求，不修普通生物学或生物化学课程，直接修高级生物学课程，尤其是那些从分子水平上理解生命现象的课程。这些课程直通学术前沿，比如课程中讲的视觉的分子机制引起马丁的很大兴趣。

卡普拉斯还修了一些与专业不相关的课程，如《民主与政府》《异常心理学》等，选修这样的课，部分是因为课程主题，部分是因为授课老师的杰出声誉。

卡普拉斯的哥哥罗伯特正在哈佛大学攻读理论物理博士学位，马丁经常与罗伯特及其研究生同学交流、讨论。

卡普拉斯大三的时候，进入乔治·沃尔德（George Wald，1906年11月18日—1997年4月12日）教授的实验室做研究，由沃尔德的助手露丝·哈伯德（Ruth Hubbard，1924年3月3日——2016年9月1日）具体指导，研究主题是视网膜化学。

卡普拉斯在大四的时候只需修一门课程就可达到学士学位的要求了，沃尔德建议他修读一门校外课程，伍兹霍尔海洋生物学实验室提供的一门生理学课程，这门课面向博士后和初级科研人员，卡普拉斯是学习这门课程的唯一的本科生。

在伍兹霍尔上课期间，卡普拉斯每周在实验室收集实验剩余的鱿鱼和龙虾，做海鲜大餐，和新认识的朋友分享，海洋生物学实验室的学员负责提供面包、葡萄酒和沙拉。

卡普拉斯也在考虑读研究生的去处，他想去美国西海岸，体验美国不同地方的生活。他获得了两个offer，分别是加州大学伯克利分校的化学专业和加州理工学院的生物学专业，一时不知如何选择。

1950年春，他去拜访自己的哥哥罗伯特，征求哥哥的意见。罗伯特当时在普林斯顿高等研究院做博士后，导师是奥本海默。卡普拉斯被哥哥引见给了奥本海默。奥本海默在卡普拉斯的两个候选学校都曾任教过，他强烈建议选择加州理工，说加州理工是“漆黑海上的明灯”。

卡普拉斯在普林斯顿高研院园区还偶遇了爱因斯坦，并进行了简短对话。爱因斯坦问卡普拉斯有何研究兴趣。卡普拉斯说，感兴趣于从化学视角研究生物学问题。爱因斯坦说“很不错”，与卡普拉斯握手，然后离开了。卡普拉斯激动得久久不能平静。

卡普拉斯听从了奥本海默的建议，选择去加州理工攻读博士学位。

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加州理工师从鲍林

1950年，卡普拉斯入读加州理工，次年春加入鲍林教授的课题组。

莱纳斯·卡尔·鲍林（Linus Carl Pauling；1901年2月28日—1994年8月19日）是美国化学家，量子化学和结构生物学的先驱者之一。1954年获得诺贝尔化学奖。1963年获得1962年的诺贝尔和平奖。

卡普拉斯第一天到鲍林实验室就看到鲍林给自己留的字条：XXX问题应该很有趣。卡普拉斯认为这是导师交代的任务，马上查阅文献，开始着手解决问题。

第二天，卡普拉斯又看到鲍林留的字条：YYY问题应该很有趣。卡普拉斯感觉为难，昨天的问题还没有头绪，又要解决新问题。卡普拉斯向组里博士后求教，两个问题先搞哪个。博士后哈哈大笑，每人每天都会收到这样的字条，可以直接扔掉或收到抽屉里，不用管。鲍林每天会冒出很多想法，然后将想法分配给学生，但他并不期望得到回应。

卡普拉斯克服这一障碍之后，与鲍林合作就变得顺畅了。

卡普拉斯选择的课题是氟化氢根HF2−的量子力学计算。马丁问鲍林，HF2−的氢键结构应是什么样的。鲍林靠在椅子上，望着天花板，给出一个猜测的结果，然后解释了原因。卡普拉斯离开鲍林办公室，回去后自己想了想，才发现鲍林给出的理由根本就不成立。马丁又回去找鲍林，鲍林马上又给出一种解释。卡普拉斯回去之后，再次发现鲍林又给出一个不成立的解释。卡普拉斯第三次找鲍林，鲍林马上又给出一个解释。卡普拉斯这次回去做了计算，发现鲍林这次说对了。

这令卡普拉斯非常惊讶，鲍林能基于直觉给出正确答案，但要正确解释答案需要多次思考。

1953年10月的一天，鲍林对卡普拉斯说，自己将在3周后出差六个月，希望马丁在3周内完成论文写作和答辩。马丁夜以继日地写，3周内完成了论文，通过了答辩，获得了博士学位。

卡普拉斯（左）与鲍林（右），拍摄于1960年代。

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五年一跳槽

卡普拉斯获得博士学位之后，赴英国牛津大学做博士后。卡普拉斯的博士后经费来自美国国家科学基金会，根据规定，只需要工作时间够18周即可。卡普拉斯真地按字面意思执行，两年时间只在牛津工作了18周，之外的时间主要用于旅行，几乎走遍了欧洲大陆。

愉快的博士后阶段结束之后，卡普拉斯入职伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校 (University of Illinois Urbana-Champaign, UIUC) 。

卡普拉斯在UIUC主要做核磁共振和电子自旋共振的理论研究，很快做出了自己第一个有影响力的工作，即核磁共振谱学中以他名字命名的卡普拉斯方程。

1960年，哥伦比亚大学沃森科学实验室邀请卡普拉斯加盟。该实验室是由 IBM 资助的研究机构，但这里考评不问对IBM的贡献，只问对科学的贡献。但是，卡普拉斯觉得不稳定，IBM要是撤资，自己岂不是失业了，因此提出条件，要聘为化学系终身职位才可以。哥伦比亚大学同意了。

沃森科学实验室配备有IBM的计算机，卡普拉斯用来进行化学反应过程的量子力学计算。在使用计算资源的方便性上来讲，远胜于大学。

不过好景不长，沃森科学实验室的气氛逐渐发生变化，来自IBM的压力越来越大，要求为金主做更多有利可图的项目。事实证明，卡普拉斯的担心并非多余。1963年，卡普拉斯离开了沃森科学实验室，全职在化学系工作。1970年，沃森实验室被IBM关闭。

卡普拉斯经常以这段经历为例，告诫自己的学生，如果心向学术，要抗住产业界实验室的高薪和优美工作环境的诱惑，去大学工作。

1965年，卡普拉斯在哥伦比亚大学工作满5年了，成果丰硕，做出了化学反应量子计算的奠基性工作。卡普拉斯想，是时候离开了，在新环境中投入一个新的研究领域，这样有助于保持年轻的心态，保持新想法不会枯竭。

卡普拉斯要离开哥伦比亚大学的消息传出之后，众多大学伸来橄榄枝。卡普拉斯最终将选项压缩到两个：加州大学伯克利分校和哈佛大学。他决定1965—66学年休学术年假，在这两所大学各访问一学期。卡普拉斯在这两所学校的访学都很愉快，但最终选择了哈佛大学。一个原因是，卡普拉斯本科毕业于哈佛，另一个原因是，卡普拉斯觉得伯克利的环境和气候太好了，教授们花太多时间享受生活，影响了对科研的投入。

1966年秋，卡普拉斯入职哈佛大学。

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转向生物学

卡普拉斯最初在哈佛继续做之前的研究，但有些厌倦。不是说那些领域不再重要，相反，依然很活跃，只是不令卡普拉斯兴奋了。

卡普拉斯需要找新的研究方向。

1968年，庆祝鲍林教授65岁生日的论文集Structural Chemistry and Molecular Biology. A Volume Dedicated to Linus Pauling by His Students, Colleagues, and Friends 出版，卡普拉斯从中读到沃尔德和哈伯德的文章《鲍林和类胡萝卜素立体化学》，文章重点讨论了视觉发色团、视网膜所涉及的类胡萝卜素。卡普拉斯不禁回忆起自己本科时曾在沃尔德实验室在哈伯德指导下做研究的日子。

卡普拉斯重新产生了对生物学的兴趣。视网膜与电子如何相互作用，这一问题自己本科时就有思考，直到现在，进展寥寥。这正是适合自己进入生物学领域的切入点。

卡普拉斯与一位博士后合作，对视网膜分子做了量子化学计算，阐明了光如何改变视网膜分子的形状，进而可产生视觉信号。

卡普拉斯将这项工作投稿至Nature。审稿人给出了很高的评价，可惜有一位审稿人给出拒稿的决定，理由是没有实验证据。

卡普拉斯遇到的情况正是理论计算文章一直面临的困境：验证实验结果，会被说这还用你算，预言新的结果，会被说未经实验验证凭啥信你。

卡普拉斯亲自与Nature的编辑沟通，编辑被说服了，文章得以发表（Nature 1971，229，558）。文章的结果不久被实验证实（Nature 1971，232，187）。

此后，卡普拉斯与哈佛化学系的实验学家合作研究视网膜。他们在同一层楼上，分居楼的两端，经常在走廊的中间展开讨论。

卡普拉斯对越来越广泛的生物问题产生了兴趣，如蛋白质折叠、血红蛋白如何与氧气分子结合等。卡普拉斯通过计算生物大分子各原子的运动，来理解这些问题。卡普拉斯的想法被同行认为不可行也不必要。卡普拉斯认为自己的方向是正确的，他认同费曼在课堂上讲过的话：理解生命最重要的假设是，世间万物都是由原子构成的，生物所做的一切都可通过原子的摇摆和扭动来理解。

卡普拉斯走通了这条路，这要得益于他1969年在以色列魏茨曼科学研究所（Weizmann Institute of Science）的半年访学。

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分子动力学模拟

以色列的研究者在做的一项工作，是发展小分子之间的相互作用能量的函数形式。卡普拉斯认为，类似方法可推广至生物大分子系统，然后就可以计算分子和原子的轨迹，得到分子的各种性质，这就是分子动力学计算机模拟。这个想法令他兴奋不已。

卡普拉斯的团队与合作者走通了这个方向，成功实现了对小蛋白质胰蛋白酶抑制剂的计算机模拟（Nature，1977，267，585），这是第一个具有生物学意义的大分子分子动力学模拟计算算例。胰蛋白酶抑制剂之于生物大分子模拟的意义，类似于氢分子之与量子力学的意义。

这一工作的计算机程序代码逐渐发展了生物大分子计算软件——CHARMM(Chemistry at HARvard Macromolecular Mechanics)。这一软件于1983年正式推出，至今已经发展成为最主流的生物大分子计算软件之一。

随着化学理论和计算机算力的发展，分子动力学模拟得以以越来越高的精度研究越来越复杂的体系，提供着实验上难以获得的洞察。

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诺贝尔奖

诺贝尔奖的提名和遴选是严格保密的，但卡普拉斯还是有渠道得知，自己被提名了。1990年代起每年公布诺贝尔奖的时候就会守在计算机旁，期待自己获奖的消息。几年之后，他就灰心了，便不再关注自己是否会获奖了。

2013年10月9日，美国时间凌晨5点半，卡普拉斯被电话铃声吵醒了。谁会在这个时间打电话？一定是自己的孩子出问题了。卡普拉斯接起电话，电话中说：“这里是斯德哥尔摩，请问您是卡普拉斯教授吗？”卡普拉斯说，我是。对方说：“恭喜您获得了诺贝尔化学奖。”

卡普拉斯电话刚挂，一位记者就登门了，来者是《哈佛校报》（The Harvard Gazette）记者Stephanie Mitchell。这位记者能来这么快，因为他住地距离卡普拉斯家很近。这位记者还蹭了顿早餐，细致报道了本年度新科诺贝尔奖得主之一获奖当天早餐吃了什么：培根、起司、烤面包、黑咖啡。

当天早上，卡普拉斯接到无数媒体采访电话，其中还有来自祖国奥地利的媒体，卡普拉斯第一次用德语回答记者的问题。到了上午，哈佛大学化学和化学生物系举行庆祝活动。

卡普拉斯的同事艾里亚斯·詹姆斯·科里（Elias James Corey，1928年7月12日—）对卡普拉斯说：“你真幸运，83岁的年纪获得诺贝尔奖，比我多了20多年清净的日子。”科里1990年获得诺贝尔化学奖，时年62岁。

1990年诺贝尔化学奖得主Elias James Corey

哈佛大学教务长到场祝贺，二者互不认识，还需经人介绍。教务长向卡普拉斯献上一束玫瑰并致辞。卡普拉斯顺便提出，自己的课题组的空间一直被削减，能不能保证现有空间不再少了。教务长当场表示，能保证。

热闹逐渐散去后，卡普拉斯开始准备自己的获奖演讲。

卡普拉斯细致阅读了诺贝尔委员会的新闻通稿，给出的获奖理由是：“复杂化学系统的多尺度模拟”。卡普拉斯对此感到困惑，不应该是奖励自己在生物大分子的分子动力学模拟方面的工作吗？他专门问诺贝尔奖委员会主席，主席说获奖工作不局限于分子动力学模拟。

卡普拉斯感觉不知道如何讲什么“多尺度模拟”，最终决定将演讲聚焦于就讲自己最重要的工作——分子动力学模拟。卡普拉斯用爱因斯坦的先例安慰自己，演讲跑题也跑不过爱因斯坦。当年爱因斯坦因光电效应工作获得了诺贝尔奖，演讲主题却是相对论。

卡普拉斯在演讲中讲到，计算机分子模拟也能成为实验学家用来作为解决问题的有力工具之一，相信这次诺贝尔奖会有助于计算机分子模拟获得更广泛的认可。

马丁·卡普拉斯在诺贝尔奖颁奖典礼上

诺贝尔奖典礼归来后，卡普拉斯获得海量演讲邀请。讲过几次之后，他开始拒绝演讲邀请，尤其是自己专业之外的领域的演讲主题。阿塞拜疆一个经济学会议答应付10万美元出场费，卡普拉斯也坚决拒绝了。有些演讲虽不属于自己的专业，比如气候变化等话题，但可能会带来正向效果，卡普拉斯也会做演讲。卡普拉斯也热衷于向青少年发表演讲，希望能激发他们的科学兴趣。

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几点补充

卡普拉斯在哈佛工作五年后，也打算继续他的五年跳槽惯例。他跳槽到了巴黎第七大学，但法国大学的死板制度令他无法忍受，仅一年后就又回到了哈佛。法国为引进卡普拉斯，废除了外国人不得任正教授的制度，法国很多外籍副教授得以升职，他们中一些知道内情的人专门向卡普拉斯表达了感谢。

卡普拉斯热爱生活，热衷摄影，尤其热衷烹饪，曾在多家著名的三星级餐厅做职业大厨。卡普拉斯是理论化学家，戏称自己只在厨房真正做过化学。

卡普拉斯桃李满天下，指导过的研究生和博士后近250人，包括众多中国学生近20人，中国学生中在国内工作的有北大高毅勤教授、深圳湾实验室周耀旗教授、复旦大学马剑鹏教授等。

学术休假屡屡在卡普拉斯学术之路中发挥了重要作用，他获得诺贝尔奖的成果就得益于此制度。若我国可以引进和发扬这项制度，可能也会有意想不到的结果。

来源：晚晚的星河日记