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江元生:中國科學院院士,物理化學家,教育家

來源:吉林大學化學學院      2022-05-25
導讀:江元生(1931.8—2014.01),江西宜春人,中國科學院院士,物理化學家,教育家。

圖1:江元生院士

童年時入讀南京鼓樓小學。1942年進入袁山中學(現(xiàn)宜春第一中學)讀書。1948年考入中山大學數(shù)學系,一年后轉(zhuǎn)入化學系就讀。1950年再次參加高考,考入武漢大學化學系。1953年從武漢大學化學系畢業(yè),來到東北人民大學(吉林大學前身)化學系攻讀研究生。1956年研究生畢業(yè)后留校任教,先后擔任吉林大學化學系、理論化學研究所助教、講師、副教授、教授、博士生導師。1983年至1984年在美國康奈爾大學化學系做訪問學者。1991年當選為中國科學院學部委員(院士)。1992年調(diào)入南京大學化學系工作,擔任教授、博士生導師,領(lǐng)導創(chuàng)建了南京大學理論與計算化學研究所。2005年當選為國際數(shù)學化學科學院院士。在高分子凝膠、配位場理論方法、分子軌道圖形理論、價鍵理論等方面的研究做出了突出的貢獻。曾獲兩項全國科學大會獎,1982年和1987年與唐敖慶教授等人兩次榮獲國家自然科學獎一等獎,2000年獲教育部科技進步獎教材獎一等獎,2005年榮獲何梁何利基金科學與技術(shù)進步獎。發(fā)表學術(shù)論文100余篇,出版學術(shù)專著4部。2014年1月10日在南京逝世,享年83歲。

一、年少多舛 艱苦求學入名校

1931年8月18日,江元生出生在江西省宜春縣。父親江維華,年輕時參加國民革命并東渡日本留學。在日期間,參與中華革命黨的創(chuàng)建工作,曾任粵軍總司令許崇智的秘書長,為推翻清朝統(tǒng)治,實現(xiàn)民主共和立下了汗馬功勞。江元生兩歲時,父親因積勞成疾,不幸英年早逝。母親姚繼英生育一女三男,江元生在家中最小。父親去世時,幾個孩子都未成年,家中失去了依靠。在父親生前好友的照顧下,一家人輾轉(zhuǎn)遷至南京。江元生6歲時入讀南京鼓樓小學。

圖2:江元生曾就讀的袁山中學(現(xiàn)宜春第一中學)

1937年,抗日戰(zhàn)爭爆發(fā),戰(zhàn)火很快蔓延到南京。為避戰(zhàn)亂,一家人再度遷回江西宜春,家境每況愈下。母親不得不帶著全家,回到宜春金瑞老家,靠典衣賣田維持生計。1942年春,江元生進入袁山中學讀書。江元生勤奮聰慧,成績優(yōu)良,深得老師的賞識并給予他一些生活上的支持。但戰(zhàn)亂使民生凋敝,江家的生活舉步維艱。更為不幸的是,不到一年,江元生的母親、外婆等至親相繼去世。他的長姐當時已遠赴四川求學自謀生路,失去親人的江家三兄弟成為孤兒,生活變得更加艱難。他們平時住在學校里,假期就寄宿在親友家,度過了極其艱難的中學生活。

1948年秋,江元生以優(yōu)異的成績從袁山中學畢業(yè),他和同學來到上海參加高考。幾場考試下來,在焦慮的期待中,他收到了中山大學數(shù)學系的錄取通知書。入學后,經(jīng)過一年的學習,江元生認識到要成為一個一流的數(shù)學家,必須具備特別的天分。如果在數(shù)學這條路上一直走下去,畢業(yè)后充其量只能成為一名優(yōu)秀的中學數(shù)學教員。而化學是一門實驗學科,它既需要一定的數(shù)學基礎(chǔ),同時還需兼具良好的想象能力,江元生對自己在這兩方面的能力都比較自信。他認為年輕人要展現(xiàn)自己的特長,必須選擇適合自己的專業(yè)領(lǐng)域,才能把自己的潛能發(fā)揮到極致,對國家作出最大的貢獻,從而充分實現(xiàn)自己的人生價值。江元生經(jīng)過慎重考慮,決定轉(zhuǎn)入化學系就讀。1950年,當時被列為全國五大名校之一的武漢大學來廣州招生,江元生又考入武漢大學化學系。這是他年輕時作出的有關(guān)自己前途命運最重要的決定。

二、師從名師 理論化學當翹楚

1953年,江元生從武漢大學化學系畢業(yè)后,因成績優(yōu)秀,被分配到東北人民大學(吉林大學前身)化學系攻讀研究生,師從唐敖慶教授。從此,江元生的事業(yè)與理論化學研究緊緊地聯(lián)系在一起。上世紀50年代初,理論化學還是一門誕生不久的新興學科,在中國,研究者甚少。導師唐敖慶教授于40年代末在美國哥倫比亞大學獲得博士學位,是中國理論化學的創(chuàng)始人和奠基者之一,江元生有幸成為唐敖慶教授首次招收的5名研究生中的一員,為他從事理論化學研究打下了良好的開端。唐敖慶教授給這屆研究生系統(tǒng)講授了兩年的理論課,包括熱力學、動力學、量子力學和統(tǒng)計力學以及線性代數(shù)和群論等數(shù)學課程。唐敖慶對學生非常嚴格,他認為要成為一名優(yōu)秀的理論化學家不僅需要廣博的化學知識,還必須具備扎實的數(shù)學功底,他要求自己的研究生和數(shù)學系的本科生一起學習數(shù)學分析和函數(shù)論。江元生的數(shù)學能力突出,遇到難題,同學們都會找他幫忙,江元生也樂此不疲。當時的東北人民大學校園內(nèi)集中了一批國內(nèi)著名的學者,如數(shù)學系的王湘浩教授、物理系的余瑞璜教授、化學系的唐敖慶教授等,可謂人才濟濟,學術(shù)氛圍十分濃厚,盛極一時。這是江元生渴望已久的學術(shù)環(huán)境,他如魚得水,如饑似渴地學習。為了學好量子力學,江元生還自學了經(jīng)典力學。三年的研究生學習為江元生打下了今后從事理論化學工作的堅實基礎(chǔ),這也是他一生事業(yè)的起點。

圖3:1956年,江元生(后排右1)研究生畢業(yè)照(后排左2為指導教師唐敖慶教授)

1956年,江元生研究生畢業(yè),留校任教。在步入科研工作的最初歲月里,江元生主要在唐敖慶教授的指導下,對一些指定的課題作數(shù)學計算。在科研實踐中,他認識到理論研究是一項綜合性工作,包括查文獻、定方案、計算和總結(jié)評論等眾多的環(huán)節(jié)。要開展獨立的科研工作就必須具備比較全面的能力和素質(zhì),而不是只能做某個環(huán)節(jié)的工作。為此,他開始了大膽的實踐探索。

圖4:唐敖慶教授(左1)在指導江元生(右1)等人

圖5:唐敖慶教授(左)同江元生(中)等一起研究一種分子的光譜圖

60年代,利用高能輻射使高分子交聯(lián),生成網(wǎng)狀凝膠,改變材料性能,乃是當時化學領(lǐng)域的熱門課題。根據(jù)對國內(nèi)外科研人員在此方面的研究結(jié)果進行比較和分析,江元生經(jīng)過反復推敲,認為凝膠具有不溶、不熔的特性,屬于無窮大分子。無窮大的高分子凝膠的溶解必先降解,是一個不可逆過程,以熱力學平衡為基礎(chǔ)的計算方法顯然并不合理。于是,他采用無窮大分子模型,經(jīng)過兩年的努力,克服了研究上的重重困難,推導出嚴格的凝膠量公式,為表征高聚物的交聯(lián)程度提供了可靠的方法,比國際同行的研究結(jié)果更具普適性。這項成果得到了國內(nèi)外同行的認可,開創(chuàng)和推動了國內(nèi)這一領(lǐng)域的研究,江元生因此榮獲1978年全國科學大會獎。

圖6:江元生在作報告

首次獨立擔當科研工作獲得了成功,江元生信心倍增。他以此來鼓勵自己,在科研的道路上不斷攀登,取得了一個又一個令人矚目的成果。以下幾項研究可見一斑。

1. 配位場理論方法

1963-1965年,教育部在吉林大學舉辦“物質(zhì)結(jié)構(gòu)討論班”。討論班上,江元生擔任副班長。討論班的學習進入第二年,開始撰寫《配位場理論方法》一書。江元生在解決初稿中出現(xiàn)的疑難問題時,發(fā)現(xiàn)了問題的癥結(jié)所在,即出現(xiàn)兩次的耦合系數(shù)有選擇的任意性,只有適當選擇時,才能使兩套耦合系數(shù)同時有可交換的性質(zhì)。有了正確的耦合系數(shù),他經(jīng)過詳細推導,對配位場理論計算中必須借助的點群V系數(shù)和W系數(shù)問題作了徹底處理,解決了直積分解中不可約表示重復出現(xiàn)的V系數(shù)和W系數(shù),以及C類(共軛)表示出現(xiàn)的V系數(shù)和W系數(shù)問題,使之系統(tǒng)化;他還提出了一種以點群為基礎(chǔ)的旋軌作用能的計算方案。這兩項成果與其他成果一起,為撰寫《配位場理論方法》提供了豐富的原始材料,構(gòu)成了第3章和第7章以及附錄內(nèi)容的基礎(chǔ)。1982年,配位場理論研究以集體名義榮獲國家自然科學獎一等獎。

圖7:1965年,唐敖慶與物質(zhì)結(jié)構(gòu)討論班學員合影(左起:古正,孫家鐘,劉若莊,張乾二,唐敖慶,戴樹珊,鄧從豪,江元生,鄢國森)

圖8:唐敖慶、江元生等人獲得1982年國家自然科學獎一等獎證書

2. 分子軌道圖形理論

憑借在量子化學領(lǐng)域內(nèi)長期實踐鍛煉出的洞察力,江元生深刻地感覺到在簡單分子軌道理論的計算過程中,似乎存在著某種必然的“看圖識字”規(guī)則。也就是說解決同一問題,通常應按部就班,經(jīng)過復雜的中間運算步驟獲得結(jié)論;但有時也可能找到另一種更簡捷的方法,無需經(jīng)過中間運算,一步得到結(jié)論。江元生追求后一種方法,認為它是更貼近對事物本質(zhì)的描述和表征的手段,從中能獲得“科學美”的享受。1974年,江元生實現(xiàn)了用圖形推理規(guī)則,將簡單分子軌道的基礎(chǔ)內(nèi)容概括為三條定理的形式。這三條定理意義直觀,應用簡便,論文的發(fā)表對當時的國內(nèi)科教界影響很大,也引起了國外學術(shù)界的關(guān)注和評論。值得一提的是,江元生的一位博士生在日本跟隨諾貝爾化學獎獲得者福井謙一教授從事博士后研究時,曾運用這“三條定理”推導出一組碳氫化合物分子振動頻率變化的圖形規(guī)則,令福井謙一教授印象深刻。為此,他專門寫信給江元生說“我的研究小組在20世紀60年代時,也曾注意到這種圖形規(guī)則,但未能堅持下去,沒想到,這一成果被您發(fā)現(xiàn)了,真令我佩服。”隨后,福井謙一正式邀請江元生赴日本講學并參觀他新成立的“基本化學研究所”。

圖9:1970年代,唐敖慶與教師們合影(前排右3為江元生)

由于成果突出,1978年,江元生連升兩級,由講師晉升為教授。1981年,他被評為物理化學專業(yè)博士生導師。1984年,江元生獲“國家有突出貢獻中青年專家稱號”。1987年,因分子軌道圖形理論的系列成果,江元生及合作者再一次獲得了國家自然科學獎一等獎。

圖10:唐敖慶、江元生等人獲得1987年國家自然科學獎一等獎證書

3. 價鍵理論的復蘇

量子化學產(chǎn)生于人們對化學鍵本質(zhì)的追求,即什么作用力使原子結(jié)合為分子。1927年,Heitler和London用量子力學方法成功地計算了氫分子的平衡鍵長和解離能,奠定了化學鍵理論的量子基礎(chǔ),開創(chuàng)了人類認識原子、分子世界運動規(guī)律的新紀元。價鍵(VB)理論、分子軌道(MO)理論和晶體(配位)場理論成為初期階段這一領(lǐng)域的三種重要理論方法。價鍵理論以鍵連原子軌道對自旋反平行作為化學鍵變分函數(shù),恰當?shù)乇碚髁穗p中心化學鍵中電子的相互作用:庫侖相關(guān)與自旋相關(guān)效應,賦予電子定域及近似可遷屬性,其圖象接近化學實際;但原子軌道的非正交性與其多電子波函數(shù)的復雜性造成的數(shù)學困難,嚴重阻礙了價鍵理論的后續(xù)發(fā)展,導致其長期停滯于定性應用。基于對分子軌道理論與價鍵理論的同等重視和興趣,1990年后,江元生致力于中等及大尺寸共軛分子的經(jīng)典價鍵理論方法和計算的研究。由于價鍵理論固有的計算困難,國內(nèi)外有關(guān)文獻極少涉及中等共軛分子(含20-30個碳原子)的精確計算,限制了這一理論的推廣應用,也使大量價鍵理論結(jié)果的可靠性無法得到評估。江元生等人通過近十年的探索,建立起了自己的新算法。他們在經(jīng)典價鍵理論框架內(nèi),利用矩陣三對角化和波函數(shù)編碼技巧,處理了一系列中等共軛分子(30π電子,當時價鍵理論計算的上限)體系,進而利用密度矩陣重整化群(DMRG)方法實現(xiàn)了準一維共軛大分子體系的高精度計算。他們討論了這些共軛分子的鍵長、反應活性、磁性耦合常數(shù)和芳香性等,給出了與實驗相符的理論解釋,國際同行將他們的計算結(jié)果作為標準數(shù)據(jù),用以檢驗和評估各種近似理論工作中的計算參數(shù)和結(jié)果。江元生所領(lǐng)導的價鍵理論工作成果,被視為價鍵理論的復蘇。該項成果使江元生獲得了2005年何梁何利基金科學與技術(shù)進步獎。

圖11:江元生獲2005年何梁何利科學與技術(shù)進步獎證書

三、二次創(chuàng)業(yè) 建立南大理化所

對一般人來說,60歲應該是退休在家、安享天倫的年紀。但是江元生在年逾花甲之時,為了事業(yè),對自己的人生作出了一次新的選擇。1992年,江元生和夫人梁映秋離開吉林大學,一起調(diào)入南京大學,開始了他的第二次創(chuàng)業(yè)。

圖12:在南京大學工作時的江元生

初到南京大學,江元生面對的是實驗設(shè)備簡陋、經(jīng)費緊張、辦公用房奇缺的現(xiàn)狀,真正是白手起家,一切都要重新開始。除了繁重的科研工作之外,江元生著手為本科生講授結(jié)構(gòu)化學并親自編寫教材。針對化學的學科特點,他堅持采用概念和推理并重的寫作原則。1997年后,他編寫的《結(jié)構(gòu)化學》中英文兩種版本相繼出版了。1999年,該書獲教育部科技進步獎教材獎一等獎。

圖13:江元生專著——結(jié)構(gòu)化學

2001年,在江元生的積極倡議下,南京大學新成立了理論與計算化學研究所,作為學校扶持的學科特區(qū),在經(jīng)費、用房等方面,得到了學校的大力支持,它為年輕學者的成長提供了一個很好的平臺。江元生擔任研究所學術(shù)委員會主任。在他主持下,研究所在短短幾年時間內(nèi),教學與科研均取得了豐碩成果,發(fā)展成為國內(nèi)一流的理論化學研究所。多次舉辦國內(nèi)和國際學術(shù)會議,林圣賢、楊偉濤、吳云東等十多位國際著名理論化學家應邀前來講學訪問。在此期間,江元生當選為國際數(shù)學化學科學院院士和英國皇家化學會會士。

圖14:2001年,南京大學理論與計算化學研究所成立(前排左7為江元生)

歷經(jīng)20多年的發(fā)展,南京大學理論與計算化學研究所已經(jīng)從最初的10余人發(fā)展至目前的100余人。研究方向涵蓋了理論與計算化學的三個重要分支:(1)量子化學;(2)反應動力學;(3)統(tǒng)計理論與分子模擬。研究所致力于發(fā)展處理各類復雜體系的高效理論化學計算方法和具有自主知識產(chǎn)權(quán)的計算軟件,并利用各類理論方法研究化學、生物、材料等體系的微觀機制。已經(jīng)在大分子和凝聚相體系的量子化學方法、復雜體系量子動力學、光電材料的結(jié)構(gòu)與性能預測、化學反應機理和計算驅(qū)動的有機合成等方面取得了系列具有原始創(chuàng)新性的研究成果。

四、身正為范 道德文章勉后人

學生師從老師,學到知識和本領(lǐng),老師指導學生,傳道授業(yè)解惑。學生的成長進步凝結(jié)著老師的心血與汗水,在學生完成的科研成果署上老師的名字,本是理所當然的。但在江元生的心里,并不這樣認為。

一次,所里一位青年教師和學生在JACS上共同發(fā)表一篇重要文章,即將刊出,上面也署上了江元生的名字。他們認為,這項工作的完成得益于江元生的多次指點,署上他的名字,理所當然。江元生知道后對他們說:“在學術(shù)界,你們還都是初出茅廬的年輕人,完成一項好工作,付出很多,實屬不易,要是署上我的名字,別人一定認為是我的工作,這不但不公平,而且長此下去,對你們的成長不利。”在江元生的堅決要求下,這位青年教師只好把他的名字拿下來。所有江元生的學生都知道,他是不會輕易同意在同事和學生的論文上署名的。江元生的言傳身教深深地影響了自己周圍的青年同事。

圖15:江元生在南京大學與青年教師交流

江元生在文章成果署名上處處為年輕人著想,甘為人梯,促進青年人快速成長,但在指導學生論文時卻非常認真嚴格。他的學生回憶說:“江老師修改論文時,幾乎每篇文章至少看兩遍以上,第一遍改過了,他看后不滿意,又提不出更好的意見,會放幾天再看,再重新修改。江老師對待科研很嚴謹,如果發(fā)現(xiàn)你做得不對,他會毫不客氣地批評你,所以我們都有點怕他。”

江元生的“實事求是”不僅是對待學生這樣,對待他自己則更加苛刻。他的夫人梁映秋回憶,曾經(jīng)有一個人奉上級之命,給江元生寫傳記。這位同志經(jīng)過周密而充分的調(diào)查后,深為江院士的人品和科研精神感動,花了半年多時間,洋洋灑灑寫出20萬字的書稿。江元生讀后,感到“有點拔高”“言過其實”,不同意出版。

江元生最欽佩的人是林則徐。民族英雄林則徐的名言“海納百川,有容乃大;壁立千仞,無欲則剛”,成為他做人做事的信條。他最不愿意做的事是為了私利,去迎合世俗,相互吹捧,結(jié)幫營私。他認為,一名真正的科學家必須具備的素質(zhì)是:高尚的人格,求實的作風,不屈服于權(quán)勢和執(zhí)著的研究精神。他嚴謹治學,為人正直,時刻以自己的模范身教影響學生和同事。他培養(yǎng)學生們良好的科學素質(zhì)和學術(shù)道德,同時還滿腔熱情地給大學生、研究生講基礎(chǔ)課和編寫教材,極盡一名老師的職責。諾貝爾化學獎獲得者霍夫曼教授對江元生曾有過這么一段評語:“江博士有著極好的品格,以一種文雅和富有進取心的風格去探索自然界的奧秘,他是多么友善和杰出的人物。”這位著名外國學者對江元生的這價如實地反映了他的素質(zhì)和他在學術(shù)界的影響。

圖16:1983-1984年,江元生(中)在康奈爾大學訪學期間,在諾貝爾化學獎獲得者羅阿爾德·霍夫曼教授(左)家中作客

長期高強度的工作,嚴重損害了江元生的健康。2005年和2006年,他大病了兩場。突如其來的病魔并沒有擊垮他,憑著堅強的毅力,他戰(zhàn)勝了疾病,重新回到了工作崗位。他的學生黎書華說:“我們經(jīng)常開玩笑,一年365天,江老師除了大年初一,其他時間都要上班。”江元生的敬業(yè),幾十年如一日,教學科研就是他的生活。直至離世前,他每天都會準時出現(xiàn)在南京大學化學樓二樓的辦公室,在理論化學這塊園地里繼續(xù)辛勤耕耘著。

圖17:2008年5月,江元生擔任組織委員會主任在第十屆全國量子化學會議上作報告

“老驥伏櫪,志在千里,烈士暮年,壯心不已”,晚年的江元生,雖然追逐夢想的腳步放慢了,但他心中的信念卻比以往更加堅定:在不久的將來,中國一定會成為一個理論與計算化學的強國。這是一位為了中國科教事業(yè)奉獻一生的老科學家終生夙愿,永遠值得后輩們學習和敬仰。

圖18:弟子們慶祝江元生八十華誕


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