理論化學家馬丁·卡普拉斯（1930年3月15日-2024年12月28日）在諾貝爾獎講座上。他因“為複雜化學系統創立了多尺度模型的研究”而獲得2013年諾貝爾化學獎。

導讀：

不要順著路的前方走，要往沒路的地方走，並留下足跡。

——拉爾夫·沃爾多·愛默生

2024年12月28日，2013年諾貝爾化學獎得主馬丁·卡普拉斯（Martin Karplus）在美國的家中去世，享年94歲。

11年前，當卡普拉斯在斯德哥爾摩報告自己的工作時，他在講座開頭引用了愛默生的這句詩。

卡普拉斯的科研生涯，正是在無人經過的地方，開拓了一條新的道路。卡普拉斯的工作為計算化學奠定了基礎，眾多計算化學軟體即源於他的工作。他讓理論化學在化學中佔據一席之地，之後計算模擬與實驗並駕齊驅，讓複雜的生物大分子的運動躍然於計算機螢幕之上。

值得注意的是，卡普拉斯在其職業生涯的初期和中期，幾乎每隔五年就跳槽一次，或學術休假去其他機構。這種規律性的研究環境和合作夥伴的變化，可能是他保持創造力的獨特來源。

瞿立建 | 撰文

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科學啟蒙始於觀鳥

馬丁·卡普拉斯於1930年3月15日生於奧地利首都維也納一個猶太人家庭。奧地利被納粹德國吞併幾天後，卡普拉斯一家逃離了奧地利，於1938年10月輾轉來到美國，定居在波士頓。

洛厄爾學會（Lowell Institute）成立於1836年，至今仍在執行。

波士頓活躍著一個洛厄爾學會，定期舉辦公眾講座。1944年1月，卡普拉斯參加了哈佛大學鳥類學家Ludlow Griscom做的觀鳥系列講座，就此迷上了觀鳥。

卡普拉斯引起了Griscom的注意，獲邀參加Griscom領導的野外調查。卡普拉斯曾識別出一新種海鷗。

卡普拉斯尤其對海雀感興趣，他說服父母開車帶他去加拿大加斯佩半島觀察海雀。

1944年秋，卡普拉斯入讀高中。1944年冬季的一天，學校因暴風雪停課，卡普拉斯乘火車到達波士頓郊區，然後步行到了海邊，用雙筒望遠鏡眺望大海。觀察了幾個小時，看到了自己心儀的海雀，然後心滿意足地返回。在路上，被幾名警察攔下。警察一問得知，這個少年是來自奧地利的移民，冒著暴風雪來到海邊，用德國製造的望遠鏡眺望大海，只為看鳥。警察不信，懷疑抓到了德國間諜，觀察美國海軍艦艇動向。警察向觀鳥協會反覆求證，最終確認這個孩子不是危險人物，然後開車將他送到了火車站。

1947年，卡普拉斯參加西屋科學競賽。卡普拉斯基於他對海雀的觀察，完成了參賽論文，最終闖入決賽，並獲得男生第一名的成績。馬丁還與40名決賽選手一起受到了美國總統的接見，總統鼓勵這些高中生們未來引領美國。

美國總統與西屋科學競賽決賽選手們。西屋科學競賽（Westinghouse Science Talent Search）是美國高中生最重要的科學競賽，由西屋公司創立，後來因贊助商變更而相繼更名為英特爾科學競賽、再生元科學競賽。此競賽中走出多位諾貝爾獎得主。

1947年，卡普拉斯高中畢業，入讀哈佛大學。他繼續參與觀鳥活動，並參加正規的科研活動。

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哈佛大學本科自由學習

卡普拉斯受鳥類研究經歷的影響，打算將來從事生物學研究。卡普拉斯認為，要理解生命，必須要有紮實的化學、物理和數學背景，因此他同時修了化學和物理兩個專業的課程。

在哈佛大學有充分的選課自由。

一些通常看來重要的專業課也可以不修，比如，卡普拉斯沒有修化學專業的分析化學課程，只是因為自己不感興趣。卡普拉斯沒有修那些比較淺顯的入門課程，比如《基礎有機化學》，卡普拉斯認為這門課需要做很多乏味的實驗和記憶各種名詞術語，這純屬浪費時間，而是自學之後直接修《高等有機化學》，該課程講授有機反應的物理機理，比較符合自己的口味。

《高等有機化學》授課老師建議卡普拉斯課餘閱讀鮑林的名著《化學鍵的本質》。卡普拉斯聽從了老師的建議，通讀了全書，儘管很多數學細節沒有搞懂。這本書後來指引了他化學研究的方向。

鮑林的名著《化學鍵的本質》一箇中文譯本的封面

卡普拉斯出於對生物的興趣，選修了很多生物課程。他同樣無視課程對前置課程的要求，不修普通生物學或生物化學課程，直接修高階生物學課程，尤其是那些從分子水平上理解生命現象的課程。這些課程直通學術前沿，比如課程中講的視覺的分子機制引起馬丁的很大興趣。

卡普拉斯還修了一些與專業不相關的課程，如《民主與政府》《異常心理學》等，選修這樣的課，部分是因為課程主題，部分是因為授課老師的傑出聲譽。

卡普拉斯的哥哥羅伯特正在哈佛大學攻讀理論物理博士學位，馬丁經常與羅伯特及其研究生同學交流、討論。

卡普拉斯大三的時候，進入喬治·沃爾德（George Wald，1906年11月18日—1997年4月12日）教授的實驗室做研究，由沃爾德的助手露絲·哈伯德（Ruth Hubbard，1924年3月3日——2016年9月1日）具體指導，研究主題是視網膜化學。

卡普拉斯在大四的時候只需修一門課程就可達到學士學位的要求了，沃爾德建議他修讀一門校外課程，伍茲霍爾海洋生物學實驗室提供的一門生理學課程，這門課面向博士後和初級科研人員，卡普拉斯是學習這門課程的唯一的本科生。

在伍茲霍爾上課期間，卡普拉斯每週在實驗室收集實驗剩餘的魷魚和龍蝦，做海鮮大餐，和新認識的朋友分享，海洋生物學實驗室的學員負責提供麵包、葡萄酒和沙拉。

卡普拉斯也在考慮讀研究生的去處，他想去美國西海岸，體驗美國不同地方的生活。他獲得了兩個offer，分別是加州大學伯克利分校的化學專業和加州理工學院的生物學專業，一時不知如何選擇。

1950年春，他去拜訪自己的哥哥羅伯特，徵求哥哥的意見。羅伯特當時在普林斯頓高等研究院做博士後，導師是奧本海默。卡普拉斯被哥哥引見給了奧本海默。奧本海默在卡普拉斯的兩個候選學校都曾任教過，他強烈建議選擇加州理工，說加州理工是“漆黑海上的明燈”。

卡普拉斯在普林斯頓高研院園區還偶遇了愛因斯坦，並進行了簡短對話。愛因斯坦問卡普拉斯有何研究興趣。卡普拉斯說，感興趣於從化學視角研究生物學問題。愛因斯坦說“很不錯”，與卡普拉斯握手，然後離開了。卡普拉斯激動得久久不能平靜。

卡普拉斯聽從了奧本海默的建議，選擇去加州理工攻讀博士學位。

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加州理工師從鮑林

1950年，卡普拉斯入讀加州理工，次年春加入鮑林教授的課題組。

萊納斯·卡爾·鮑林（Linus Carl Pauling；1901年2月28日—1994年8月19日）是美國化學家，量子化學和結構生物學的先驅者之一。1954年獲得諾貝爾化學獎。1963年獲得1962年的諾貝爾和平獎。

卡普拉斯第一天到鮑林實驗室就看到鮑林給自己留的字條：XXX問題應該很有趣。卡普拉斯認為這是導師交代的任務，馬上查閱文獻，開始著手解決問題。

第二天，卡普拉斯又看到鮑林留的字條：YYY問題應該很有趣。卡普拉斯感覺為難，昨天的問題還沒有頭緒，又要解決新問題。卡普拉斯向組裡博士後求教，兩個問題先搞哪個。博士後哈哈大笑，每人每天都會收到這樣的字條，可以直接扔掉或收到抽屜裡，不用管。鮑林每天會冒出很多想法，然後將想法分配給學生，但他並不期望得到回應。

卡普拉斯克服這一障礙之後，與鮑林合作就變得順暢了。

卡普拉斯選擇的課題是氟化氫根HF2−的量子力學計算。馬丁問鮑林，HF2−的氫鍵結構應是什麼樣的。鮑林靠在椅子上，望著天花板，給出一個猜測的結果，然後解釋了原因。卡普拉斯離開鮑林辦公室，回去後自己想了想，才發現鮑林給出的理由根本就不成立。馬丁又回去找鮑林，鮑林馬上又給出一種解釋。卡普拉斯回去之後，再次發現鮑林又給出一個不成立的解釋。卡普拉斯第三次找鮑林，鮑林馬上又給出一個解釋。卡普拉斯這次回去做了計算，發現鮑林這次說對了。

這令卡普拉斯非常驚訝，鮑林能基於直覺給出正確答案，但要正確解釋答案需要多次思考。

1953年10月的一天，鮑林對卡普拉斯說，自己將在3周後出差六個月，希望馬丁在3周內完成論文寫作和答辯。馬丁夜以繼日地寫，3周內完成了論文，通過了答辯，獲得了博士學位。

卡普拉斯（左）與鮑林（右），拍攝於1960年代。

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五年一跳槽

卡普拉斯獲得博士學位之後，赴英國牛津大學做博士後。卡普拉斯的博士後經費來自美國國家科學基金會，根據規定，只需要工作時間夠18周即可。卡普拉斯真地按字面意思執行，兩年時間只在牛津工作了18周，之外的時間主要用於旅行，幾乎走遍了歐洲大陸。

愉快的博士後階段結束之後，卡普拉斯入職伊利諾伊大學厄巴納—香檳分校 (University of Illinois Urbana-Champaign, UIUC) 。

卡普拉斯在UIUC主要做核磁共振和電子自旋共振的理論研究，很快做出了自己第一個有影響力的工作，即核磁共振譜學中以他名字命名的卡普拉斯方程。

1960年，哥倫比亞大學沃森科學實驗室邀請卡普拉斯加盟。該實驗室是由 IBM 資助的研究機構，但這裡考評不問對IBM的貢獻，只問對科學的貢獻。但是，卡普拉斯覺得不穩定，IBM要是撤資，自己豈不是失業了，因此提出條件，要聘為化學系終身職位才可以。哥倫比亞大學同意了。

沃森科學實驗室配備有IBM的計算機，卡普拉斯用來進行化學反應過程的量子力學計算。在使用計算資源的方便性上來講，遠勝於大學。

不過好景不長，沃森科學實驗室的氣氛逐漸發生變化，來自IBM的壓力越來越大，要求為金主做更多有利可圖的專案。事實證明，卡普拉斯的擔心並非多餘。1963年，卡普拉斯離開了沃森科學實驗室，全職在化學系工作。1970年，沃森實驗室被IBM關閉。

卡普拉斯經常以這段經歷為例，告誡自己的學生，如果心向學術，要抗住產業界實驗室的高薪和優美工作環境的誘惑，去大學工作。

1965年，卡普拉斯在哥倫比亞大學工作滿5年了，成果豐碩，做出了化學反應量子計算的奠基性工作。卡普拉斯想，是時候離開了，在新環境中投入一個新的研究領域，這樣有助於保持年輕的心態，保持新想法不會枯竭。

卡普拉斯要離開哥倫比亞大學的訊息傳出之後，眾多大學伸來橄欖枝。卡普拉斯最終將選項壓縮到兩個：加州大學伯克利分校和哈佛大學。他決定1965—66學年休學術年假，在這兩所大學各訪問一學期。卡普拉斯在這兩所學校的訪學都很愉快，但最終選擇了哈佛大學。一個原因是，卡普拉斯本科畢業於哈佛，另一個原因是，卡普拉斯覺得伯克利的環境和氣候太好了，教授們花太多時間享受生活，影響了對科研的投入。

1966年秋，卡普拉斯入職哈佛大學。

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轉向生物學

卡普拉斯最初在哈佛繼續做之前的研究，但有些厭倦。不是說那些領域不再重要，相反，依然很活躍，只是不令卡普拉斯興奮了。

卡普拉斯需要找新的研究方向。

1968年，慶祝鮑林教授65歲生日的論文集Structural Chemistry and Molecular Biology. A Volume Dedicated to Linus Pauling by His Students, Colleagues, and Friends 出版，卡普拉斯從中讀到沃爾德和哈伯德的文章《鮑林和類胡蘿蔔素立體化學》，文章重點討論了視覺發色團、視網膜所涉及的類胡蘿蔔素。卡普拉斯不禁回憶起自己本科時曾在沃爾德實驗室在哈伯德指導下做研究的日子。

卡普拉斯重新產生了對生物學的興趣。視網膜與電子如何相互作用，這一問題自己本科時就有思考，直到現在，進展寥寥。這正是適合自己進入生物學領域的切入點。

卡普拉斯與一位博士後合作，對視網膜分子做了量子化學計算，闡明瞭光如何改變視網膜分子的形狀，進而可產生視覺訊號。

卡普拉斯將這項工作投稿至Nature。審稿人給出了很高的評價，可惜有一位審稿人給出拒稿的決定，理由是沒有實驗證據。

卡普拉斯遇到的情況正是理論計算文章一直面臨的困境：驗證實驗結果，會被說這還用你算，預言新的結果，會被說未經實驗驗證憑啥信你。

卡普拉斯親自與Nature的編輯溝通，編輯被說服了，文章得以發表（Nature 1971，229，558）。文章的結果不久被實驗證實（Nature 1971，232，187）。

此後，卡普拉斯與哈佛化學系的實驗學家合作研究視網膜。他們在同一層樓上，分居樓的兩端，經常在走廊的中間展開討論。

卡普拉斯對越來越廣泛的生物問題產生了興趣，如蛋白質摺疊、血紅蛋白如何與氧氣分子結合等。卡普拉斯透過計算生物大分子各原子的運動，來理解這些問題。卡普拉斯的想法被同行認為不可行也不必要。卡普拉斯認為自己的方向是正確的，他認同費曼在課堂上講過的話：理解生命最重要的假設是，世間萬物都是由原子構成的，生物所做的一切都可透過原子的搖擺和扭動來理解。

卡普拉斯走通了這條路，這要得益於他1969年在以色列魏茨曼科學研究所（Weizmann Institute of Science）的半年訪學。

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分子動力學模擬

以色列的研究者在做的一項工作，是發展小分子之間的相互作用能量的函式形式。卡普拉斯認為，類似方法可推廣至生物大分子系統，然後就可以計算分子和原子的軌跡，得到分子的各種性質，這就是分子動力學計算機模擬。這個想法令他興奮不已。

卡普拉斯的團隊與合作者走通了這個方向，成功實現了對小蛋白質胰蛋白酶抑制劑的計算機模擬（Nature，1977，267，585），這是第一個具有生物學意義的大分子分子動力學模擬計算算例。胰蛋白酶抑制劑之於生物大分子模擬的意義，類似於氫分子之與量子力學的意義。

這一工作的計算機程式程式碼逐漸發展了生物大分子計算軟體——CHARMM(Chemistry at HARvard Macromolecular Mechanics)。這一軟體於1983年正式推出，至今已經發展成為最主流的生物大分子計算軟體之一。

隨著化學理論和計算機算力的發展，分子動力學模擬得以以越來越高的精度研究越來越複雜的體系，提供著實驗上難以獲得的洞察。

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諾貝爾獎

諾貝爾獎的提名和遴選是嚴格保密的，但卡普拉斯還是有渠道得知，自己被提名了。1990年代起每年公佈諾貝爾獎的時候就會守在計算機旁，期待自己獲獎的訊息。幾年之後，他就灰心了，便不再關注自己是否會獲獎了。

2013年10月9日，美國時間凌晨5點半，卡普拉斯被電話鈴聲吵醒了。誰會在這個時間打電話？一定是自己的孩子出問題了。卡普拉斯接起電話，電話中說：“這裡是斯德哥爾摩，請問您是卡普拉斯教授嗎？”卡普拉斯說，我是。對方說：“恭喜您獲得了諾貝爾化學獎。”

卡普拉斯電話剛掛，一位記者就登門了，來者是《哈佛校報》（The Harvard Gazette）記者Stephanie Mitchell。這位記者能來這麼快，因為他住地距離卡普拉斯家很近。這位記者還蹭了頓早餐，細緻報道了本年度新科諾貝爾獎得主之一獲獎當天早餐吃了什麼：培根、起司、烤麵包、黑咖啡。

當天早上，卡普拉斯接到無數媒體採訪電話，其中還有來自祖國奧地利的媒體，卡普拉斯第一次用德語回答記者的問題。到了上午，哈佛大學化學和化學生物系舉行慶祝活動。

卡普拉斯的同事艾里亞斯·詹姆斯·科裡（Elias James Corey，1928年7月12日—）對卡普拉斯說：“你真幸運，83歲的年紀獲得諾貝爾獎，比我多了20多年清淨的日子。”科裡1990年獲得諾貝爾化學獎，時年62歲。

1990年諾貝爾化學獎得主Elias James Corey

哈佛大學教務長到場祝賀，二者互不認識，還需經人介紹。教務長向卡普拉斯獻上一束玫瑰並致辭。卡普拉斯順便提出，自己的課題組的空間一直被削減，能不能保證現有空間不再少了。教務長當場表示，能保證。

熱鬧逐漸散去後，卡普拉斯開始準備自己的獲獎演講。

卡普拉斯細緻閱讀了諾貝爾委員會的新聞通稿，給出的獲獎理由是：“複雜化學系統的多尺度模擬”。卡普拉斯對此感到困惑，不應該是獎勵自己在生物大分子的分子動力學模擬方面的工作嗎？他專門問諾貝爾獎委員會主席，主席說獲獎工作不侷限於分子動力學模擬。

卡普拉斯感覺不知道如何講什麼“多尺度模擬”，最終決定將演講聚焦於就講自己最重要的工作——分子動力學模擬。卡普拉斯用愛因斯坦的先例安慰自己，演講跑題也跑不過愛因斯坦。當年愛因斯坦因光電效應工作獲得了諾貝爾獎，演講主題卻是相對論。

卡普拉斯在演講中講到，計算機分子模擬也能成為實驗學家用來作為解決問題的有力工具之一，相信這次諾貝爾獎會有助於計算機分子模擬獲得更廣泛的認可。

馬丁·卡普拉斯在諾貝爾獎頒獎典禮上

諾貝爾獎典禮歸來後，卡普拉斯獲得海量演講邀請。講過幾次之後，他開始拒絕演講邀請，尤其是自己專業之外的領域的演講主題。亞塞拜然一個經濟學會議答應付10萬美元出場費，卡普拉斯也堅決拒絕了。有些演講雖不屬於自己的專業，比如氣候變化等話題，但可能會帶來正向效果，卡普拉斯也會做演講。卡普拉斯也熱衷於向青少年發表演講，希望能激發他們的科學興趣。

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幾點補充

卡普拉斯在哈佛工作五年後，也打算繼續他的五年跳槽慣例。他跳槽到了巴黎第七大學，但法國大學的死板制度令他無法忍受，僅一年後就又回到了哈佛。法國為引進卡普拉斯，廢除了外國人不得任正教授的制度，法國很多外籍副教授得以升職，他們中一些知道內情的人專門向卡普拉斯表達了感謝。

卡普拉斯熱愛生活，熱衷攝影，尤其熱衷烹飪，曾在多家著名的三星級餐廳做職業大廚。卡普拉斯是理論化學家，戲稱自己只在廚房真正做過化學。

卡普拉斯桃李滿天下，指導過的研究生和博士後近250人，包括眾多中國學生近20人，中國學生中在國內工作的有北大高毅勤教授、深圳灣實驗室周耀旗教授、復旦大學馬劍鵬教授等。