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标  题: 廿年寒窗无人问
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年06月22日18:16:14 星期天), 站内信件

廿年寒窗无人问
    ——曾被忽视的“前线轨道”理论

    日本化学家福井谦一在50年代初提出“前线电子”和“前线轨道”的概念，到

60年代中期发现前线轨道的对称性可以解释和预测化学反应结果，创立前线轨道理

论，这是第二次世界大战以后化学理论方面最重大成就之一。但是，由于日本国内

长期忽视，西方化学界很晚才引起注意，因此，直到1981年才荣获诺贝尔奖金。时

间正是他寄出前线轨道理论方面第一篇论文之后的30年。

    福井获奖受到高度赞赏

    1981年10月19日晚10点，从斯德哥尔摩传出令人惊喜的好消息，瑞典皇家学院

宣布，日本京都大学的福井谦一教授以“前线轨道理论”“发展了有关化学反应过

程的理论” ，与美国康奈尔大学的霍夫曼（R．Hoffmann）教授分享1981年度诺贝

尔化学奖。福井谦一获得诺贝尔奖金，引起日本科学界一片欢腾，特别是福井所在

的京都大学工学部，更是热闹非常。为了解福井情况，直接来访的记者络绎不绝，

讯问获奖者消息的电话连续不断。到20日早晨，人们争相向福井教授热烈祝贺，使

这种气氛达到高潮。当天晚上7点30分，京都NHK电台播出这条特大新闻；在紧接着

出版的各种有关报刊和杂志中，发表了大量祝贺和评论文章，高度赞赏福井先生的

学术成就、科学工作和获奖意义。

    福井谦一于1918年10月4日生在日本奈良县大和郡山市，自幼勤奋好学，用5年

时间读完6年制小学，用4年念完5年制中学，  经大阪高等学校考入京都帝国大学

（现为京都大学）工学部化学科学习。1941年3月毕业，从事与军工有关的航空燃

料方面的研究；1943年8月任该大学工学部燃料化学教研室讲师；1945年3月升为副

教授；1951年1月任教授，主讲燃料化学教研室第四讲座（现石油化学高温讲座）
，
还主持过第二讲座；1971年到1973年曾任京都大学工学部主任。福井谦一教授思想

活跃，治学严谨，在长期从事化学、化工教学和研究中取得优异成绩，撰写出大量

论文和著作，特别是集研究成果之大成的《化学反应同电子的轨道》和《定向和立

体选择理论》等名著，在化学界影响很大。1962年，由于对共价化合物电子状态与

化学反应关系的研究获日本学士院嘉奖。 1981年5月，被选为美国国家科学院的外

籍院士。1982年，福井从京都大学退休后，仍然兴致勃勃地继续进行化学反应路线

理论的研究工作。

    福井是第四位荣获诺贝尔奖金的日本科学家（日本有三位诺贝尔物理学奖获得

者：1949年汤川秀树、1965年朝永振一郎、1973年江琦零於奈），也是第一个分享

诺贝尔化学奖的东方人。福井谦一获得诺贝尔化学奖，在日本科学界引起很大反响
。
日本分子科学研究所的长仓三郎认为，这是“1981年作为日本战后35年自然科学发

展的转折点”的“重要标志”，使“日本自然科学界，特别是化学界看到了明确的

方向和希望”。福井谦一的合作者、日本京都大学工学部教授米泽贞次郎说，福井

的获奖成果前线轨道理论“已经作为理解化学反应本质的一大贡献而得到高度

评价”。很多日本学者把福井获奖看成是推进日本科学新进展的良好机会。世界各

国化学界同行也高度赞赏福井谦一创立的前线轨道理论，英国牛津大学物理化学主

讲里查德（G．Richards）博士认为，福吉和霍夫曼的工作“是加给有机化学广阔

领域的一种巨大激励，他们研究结果的顶点是形成了武德沃德霍夫曼规则，这恐怕

代表第二次世界大战以后有机化学发展方面最重要的一步”。可以认为，他们的理

论是认识化学反应过程发展道路上的一个重要里程碑，对继续进行深入的研究的人

们具有极大的鼓舞作用。



    敢于突破提出前线轨道理论

    福井谦一本来是京都大学工程系的大学生和研究生，他所从事的学习、教学工

作属于应用化学，是一位杰出的实验化学家。他科学兴趣广泛，在燃料化学、催化

工艺学、催化理论、化学反应过程理论以及与分子科学相关的很多边缘学科，都进

行过研究并取得成果。然而，他与众不同的是，特别注重应用化这理论问题的研究
，
在量子力学方面造诣很深。这固然与他所在教研室一贯重视基础理论的传统有关，

但更主要的还在于他理论联系实际，把基础研究与应用研究有机地结合起来，找到

突破的方向，形成独特的风格：这就是站在理论的高度，“使经验色彩浓厚的化学

尽可能非经验化”。福井确信，如果没有这种非经验化，化学本身以及它在工业上

的应用，都不可能得到进一步发展。

    长期以来，流行于有机化学的传统意子理论，用“整个分子中全部电子分布的

变化来说明化学现象”，并不注重区别看待各个不同轨道和电子“在化学反应中所

扮演的不同角色”。福井谦一则在全面分析各轨道和电子在化学反应中变化的情况

时，抓住主要矛盾，充分看出分子中结合得最松散的电子（即能量最高的电子）在

反应过程中的特殊作用，并以此为突破口，创造性地提出了前线电子和前线轨道理

论。

    1951年10月29日，（几乎是福井荣获诺贝尔奖金的30年之前），美国物理学会

的《化学物理》杂志收到福井谦一等三位日本化学家的一篇简短论文，题目是“芳

香烃化学反应活性的分子轨道理论” ，发表在该杂志1952年第4期上，作者在这篇

只有4页的论文中说： “我们发现，电子密度最大的位置最容易受到条电或氧化性

试市剂的进攻”，首次用“特定轨道电子密度同反应活性的关系说明芳香烃每个位

置上反应能力的差别” 。1953年5月31日，该杂志的编辑又收到福井谦一等四位日

本化学家合写的论文“芳香烃、杂环芳烃和其它偶联分子定向的分子轨道理论”，

发表在1954年第8期上。在以后的著述中，福井继续发展和完善了他的前线轨道理

论。到60年代中期，他与霍夫曼几乎同时而又各自独立地发现，前线轨道的对称性

可以解释以前难以理解的化学反应过程。

    福井谦一的前线轨道理论，应用量子力学计算电子密度和描绘能级图的方式，

把简单分子轨道理论向前推进一大步，在不使用大型电子计算机做复杂的精确计算

时，也能较好地推测和解释一些化学反应的条件、产物和反应机理。前线轨道称为

前线轨道；最高占据轨道中的电子在化学反应中具有特殊重要地位，称做前线电子
；
反应条件取决于前线轨道的对称性。前线轨道理论计算简单，图象直观，便于理解
、
掌握和应用，现已广泛流行于有机合成，生命科学和药物制备等各个领域。而“最

高占据轨道和最低空余轨道的英文首母缩写HOMO和LUMO也已成为有机化学家之间最

常用的基本术语”。

    前线轨道理论长期遭到冷遇

    “但是，福井的早期理论并未引起人们注意，直到60年代中期，由于霍夫曼和

武德沃德理论的建立方使这一理论受到普遍的重视”。据《科学的美国人》杂志援

引诺贝尔奖金委员会授奖公告说：“早在25年以前，福井谦一就曾提出分子的化学

反应活性在很大程度上受它们束缚得最松散的轨道电子的某些波动必的影响，但是

他的前线轨道理论在当时几乎没有引起化学家们的注意”。

    特别值得指出的是，在日本国内，福井谦一教授的创造性科学研究成果受到了

不应有的冷遇。正像西方一家报刊评论的那样，福井的前线轨道理论“在他自己的

国家却未能得到多少人的常识”。事实上，福井有关前线轨道理论的头两篇论文，

首先发表在美国的杂志上，而不是在日本的刊物中，这在一定程度上反映出前线轨

道理论在日本国内的处境。福井自己也坦率地承认，当他的观点“成为新的理论时
，
日本人采取了非常保守的态度”，说得客气一点，福井谦一教授的“国仙同行很可

能忽视了”他的这一新理论。

    人所共知，美国的科学杂志是宣告科学新进展的主要媒介。但是，福井等人

1952年1954年先后在美国《化学物理》杂志上发表的两篇重要论文，并没有引起多

大的反响。不仅在日本国内长期无人问津，而且在西方化学界也很少有人引用，有

些化学家对福井谦一和他的前线轨道理论毫不了解。英国皇家化学会的一本刊物在

介绍1981年诺贝尔奖金获得者时，在福井谦一教授照片下面所写的说明竟是：“福

井，直到大约10年前他的有影响的创造性论著翻译成英文之前，在讲英语的世界中

对他的工作认识是相当不够的”。

    “对前线轨道理论做出肯定的评价，经历了漫长而以崎岖的道路”，从第一篇

论文发表到费来明（I．Fleming，著有《前线轨道和有机化学反应》一书）等人的

最初支持，前线轨道理论度过了十分萧条的第一个10年。这与福井因前线轨道理论

荣获诺贝尔奖金后，立即赢得广泛称颂的热烈景象，形成了鲜明的对照。前线轨道

理论最后得到肯定，与1965年武德沃德和霍夫曼提出的“轨道对称性守恒”原理紧

密相关。轨道对称性守恒原理强调化学反应中特殊分子轨道的对称性的作用，而这

种特殊原理强调化学化应中特殊分子轨道的对称性的作用，而这种特殊分子轨道正

是福井所提出的前线轨道。可以认为，这也就是霍夫曼与福井谦一分享1981年诺贝

尔化学奖金的背景。霍夫曼的理论提出之后，欧美化学界对福井谦一的前线轨道理

论给以很大注意，引用福井前线轨道理论也越来越多，例如，武德沃德和霍夫曼的

重要著作《轨道对称性守恒》一书，引用福井的论著有十几篇次。这样一来，日本

国内也开始重视福井谦一在前线轨道理论方面的研究成果。

    福井谦一的前线轨道理论，起初在日本国内没有知音，这同江崎玲於奈发现

“隧道效应”的情况几乎完全一样。江崎的发明是1958年在日本利用国内条件做出

来的，但是当他刚刚完成这项研究工作时，在国内并没有得到正确的评价，反而遭

到批评，甚至是近于刻薄的批评。因此，江崎的发明在日本“开花”，而“果实”

却结在美国。江崎对此深为遗憾，他认为，如果他的国内同行能够早一些认识到这

项开创性研究工作的意义，及时地继续研究这项发明在半导体和超导技术方面的应

用，“那么1973年荣获诺贝尔物理学奖金的三个人不就都属于日本的了吗！”与此

相似，如果日本国内对福井的前线轨道理论及早认识并继续研究和向前发展，不仅

福井获奖用不着这么晚，而且此项成果的获奖者也将全部都是日本人。

    潮流倾向和障碍

    福井谦一前线轨道长期被忽视的原因是多方面的，各种因素互相关联，问题比

较复杂。起初，前线轨道理论没有找到适当的数学方程式，在解释和预测化学反应

方面所取的成功，主要借助于简单的休克尔（E．Huckel0分子轨道理论对大量化学

实验资料进行概括，并非依靠高深的数学推导和精确的数值计算，似乎是理论与经

验结合的直观定性方法。福井理论与当时西方利用大型计算机做精确计算，以求化

学纯理论化的一股潮流，特别是“那种‘只见树木不见森林’，忘了化学而单纯追

求理论精密化的倾向”（实际是把化学问题简单化了）大相径庭。看起来前线轨道

理论好像把复杂问题简单化了。然而，这恰恰体现了福井谦一教授的独创精神和前

线轨道理论真正价值。

    第二次世界大战以后，美国成了科学发现和发明的主要发源地，美国科学杂志

是宣告科学进展的主要媒介，这给人们造成“人云亦云”错觉。在科学界形成了一

股东方看西方，西方看美国的潮流。一些科学记者甚至包括科学家自己在内，他们

之所以注重某项科学成果，仅仅是因为西方，特别是“在美国得到了常识或被赞同
”
。福井提出前线轨道理论的初期，日本正处于战败后的经济恢复阶段，战争的灾难

和沉重的压力还没有完全解除，卑屈之感时隐时现，科学尚处于重新起步的发展时

期。在这种情况下，福井高水平创造性的科学发现，在日本国内没有碰到知音是不

足为怪的。福井先生说，当他的观点刚刚成为新理论时，日本人采取了非常保守的

态度，“可是一旦你和你的理论在美国或欧洲受到人们的常识和重视时，便立刻风

驰电掣般地扩展到日本”。

    前线轨道理论长期被忽视，还有两条特殊的原因：其一是日本在工艺技术方面

的发展优势掩盖了基础理论研究上的某些相对薄弱环节；其二是日本语在对外进行

学术交流时的语言障碍。

    福井谦一认为，国内同行忽视他的新理论，是因为“在日本没有多少科学家是

从理论的角度在运用它”，“日本在工艺学上的优势有时的确掩盖了在纯科学研究

方面的某些相对薄弱的情况”。日本人以善于模仿著称于世，但这并不是说日本民

族没有创造能力，问题是缺乏适当的社会环境和心理因素。战后日本经济的技术迅

速发展，固已取得很大成绩，然相比之下，科学创造和理论发现则显得黯然失色了
。
现代物理索尼研究中心的菊池诚先生直言不讳地指出：“我们日本人一旦有了明确

的目标，就会强烈地全力以赴地向前去探索、去认识，然而在确定个新目标时，也

许求知欲就没那么强烈了”。这种情况也与日本教育有一定关系。在历史上，日本

就是“尊孔之国”，它的教育思想受儒家影响很深。孔子教育思想的弊端是偏重已

有知识的传播，而不注意诱导学生通过自己的观察和思考去独立地探索、发现和创

造，常常把记忆和背诵现成书本做为衡量学生成绩好坏的标准，这在一定程度上阻

碍了学生的科学发现和创造思维的发展。对科学研究工作影响的结果，容易出现迷

信权威、偏重书本、循规蹈矩和照章办事的倾向。然而科学最需要的却是勇敢探索
，
努力发现，大胆创新。

    日语是汉字与日文符号混用的语言，这在世界上是绝无仅有的。学习和掌握日

语比较困难，特别是对于习惯使用英语等西方语言的人问题就更大了，这就大大限

制了日语论文和书籍的读者。由于语言上的障碍，影响了日本科学对外的传播，要

想使西方广泛了解日本的科学成果，就需要把论文译成英语等西方语言。

    发展科学需要适宜的政策

    分析前线轨道理论长期被忽视的原因，能够从中找到有益的教训和启示。日本

的一些有识之士，在庆祝福井获奖的高兴之余，没有忘记日本仍然存在某些不利于

科学发展的弊端，并提出建议和希望。长仓三郎指出，“创造”在科学技术中具有

“特殊的重要性”，科学创造性的发挥“需要适宜的政策”，“基础研究与应用研

究有着紧密的关系” 。京都大学的儿玉信次郎也希望，“以福井获奖为转机”，

“在应用化学研究中注意纯化学理论的研究”，以便使日本的“纯化学、应用化学

和化学工业都取得较大的发展”。

    高水平的科学发现在国内碰不到知音甚至遭到反对的现象，不只在日本有，在

其它一些科学尚处于发展阶段的国家中也程度不同地存在着。在我国，1982年10月

荣获国家发明一等奖的陈惠波，他发明“斜轧曲线和复合曲线轧辊”的论文，起初

一些杂志竟因观点不同拒绝发表。后来《金属学报》决定刊登。可是，“文章刚一

发表，国内许多行家和学者持不同意见，几乎陷于‘四面楚歌’的境地”，不仅有

“不同观点的争论”，而且有“某种门户之见”，甚至还有“责难”。

    科学发现、发明和创造，需要很多条件，物质的、精神的、社会的、心里的、

……，社会环境影响尤为突出。由于各国具体情况不同，需要把发展科学的一般规

律同本国实际情况结合起来，制定适宜的政策，以利于发挥人的聪明才智，鼓励探

索勇气和创造精神，使本国的科学事业较快而顺利地发展。在国际上，广泛进行学

术交流，取人之长，补己之短，对发展科学和繁荣经济已是迫不及待的问题了。但

是，学习外国的先进科学技术，不应盲目崇拜外国，特别要防止民族虚无主义的自

卑心理束缚科学创造精神。

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