科学实验有哪些方法(科学实验中研究的方法有哪些)

 

澎湃新闻记者 张静

·我很自然地选了物理化学学科，物理化学绝大部分的理论基础是物理。原子分子、化学反应，这些实际上都可以讲成是物理的，化学反应遵循的最重要的基本原理就是量子力学。

杨学明

寻找反应共振态一直是化学反应动力学研究一个备受关注的重要课题，它提供了实验直接观察化学反应在飞秒级过渡态附近行为的契机。

8月21日，中国科学院院士，南方科技大学副校长、讲席教授，中国科学院大连化学物理研究所研究员杨学明因其研发新一代高分辨率和高灵敏度量子态分辨的交叉分子束科学仪器，揭示了化学反应中的量子共振现象和几何相位效应的成就，获得未来科学大奖物质科学奖，单项奖金675万元人民币。

出生在浙江省德清县一个小村庄，热爱化学的杨学明高考后进入物理专业。化学没念够，怀着对化学的向往考研，从此叩开物理化学的大门。物理化学绝大部分的理论基础是物理。原子分子、化学反应，这些实际上都可以讲成是物理的，化学反应遵循的最重要的基本原理就是量子力学。

在美国做博士后时期，杨学明换跑道进入科学仪器领域，找到了坚持至今的科研方向：发展新的科学仪器，从事化学动力学领域最尖端的实验科学研究。在实验科学领域，科学仪器做不好，很难超越别人，永远只能跟着别人走。想做好的实验科学研究，唯一的办法就是要先把科学仪器做好，掌握核心技术。

已到耳顺之年的杨学明仍在履行自己的科学使命。目前他正推动我国新一代高重频自由电子激光装置的发展，推进深圳规划中的X射线自由电子激光和大连极紫外自由电子激光项目的建设，为科研工作者提供世界上最先进的极紫外和软X射线光源。

做实验科学的科学家，是永无止境地在找新的工具、新的方法。杨学明对澎湃新闻（www.thepaper.cn）表示，X射线自由电子激光是基于国际最先进的超导加速器技术研发的装置，对于未来产业发展和基础科学应用有重要作用。能够推动这样的装置在深圳落地，有助于推进大湾区的基础科学和应用科学发展。

杨学明也对澎湃新闻（www.thepaper.cn）表示，当我们走在科研前沿，需要自己趟一条路出来，坚持是重要的。你觉得这个方向很重要，你找到了好的问题，要千方百计地想办法解决这些问题。他建议年轻人要有耐力，有新的想法，敢闯敢试，才能真正找到一条科学自信发展的道路。

飞秒级的化学反应过渡态如何观测？

自20世纪30年代化学反应过渡态理论提出以来，化学动力学研究取得了多个里程碑式的进展，并多次获得诺贝尔化学奖。

杨学明开发了新一代高分辨率和高灵敏度的交叉分子束科学仪器，在基元化学反应动力学研究领域，尤其是化学反应共振态、化学反应中的几何相位效应及量子干涉等方面的研究取得重大突破。

他发展了量子态分辨的后向散射谱学技术，通过高分辨的散射实验与精确理论研究相结合，揭示了多类化学反应共振现象，大力推动了在量子水平上化学反应过渡态的研究。

此外，他还发展了高分辨的交叉分子束反应成像技术，首次在实验上发现了化学反应中的几何相位效应以及自旋-轨道共振分波之间的量子干涉现象。

杨学明获奖理由

过渡态理论即活化络合物理论，该理论认为，反应物分子并不只是通过简单碰撞直接形成产物，而是必须经过一个形成高能量活化络合物的过渡状态，并且达到这个过渡状态需要一定的活化能，再转化成生成物。过渡态是反应物体系转变成产物体系过程中经过的能量最高状态，旧键未完全断裂，新键未完全形成，过渡态是不稳定的。

每个化学反应过程都是很特别的，控制化学反应最重要的过程就是过渡态。杨学明表示，过渡态特性是化学反应动力学研究非常重要的课题。化学反应动力学研究的一个根本任务是认识反应过渡态如何控制化学反应的速率和产物分布，因此，长期以来直接观察反应过渡态被认为是化学科学研究中的一个圣杯。

但对于多数化学反应来说，反应过渡态寿命非常短，一般在飞秒量级，而1飞秒等于1000万亿分之一秒，因此实验上直接观测这些短寿命化学反应过渡态是极其困难的。

反应共振态是化学反应体系在过渡态区域形成的具有一定寿命的准束缚量子态，类似于分子中的光谱所对应的振动转动态。它提供了一个实验直接观察化学反应在过渡态附近行为的契机，进而可以利用共振态对化学反应的一些细节开展详细研究。

寻找反应共振态一直是反应动力学研究的一个备受关注的重要课题。我们的工作事实上是发展新的实验方法来观测这些量子态的特性，然后跟动力学理论相结合，诠释这些量子态各种各样的特性，如能量、寿命和波函数等，使我们对化学反应过程真正能够从量子层面上了解得非常透彻。

杨学明发现产物量子态分辨的后向散射信号随碰撞能的变化是实验探测反应共振态的最有效方法，团队将其称为后向散射谱方法（BSS），该方法是实验探测反应共振态的利器。

与理论学家张东辉院士合作，杨学明还揭示了物理化学家们长期寻找的化学反应共振态的 ‘新机理’——化学键软化，这项研究大大扩展了我们对化学反应共振现象的认识和理解，为今后的反应共振态研究指明了一个新的方向。他曾撰文提到。

与此同时，几何相位效应是一种特殊的量子现象，在物理和化学领域有广泛和特别的应用。我们的工作是通过新的实验方法、实验仪器的发展，首次在世界上观测到了化学反应中的几何相位效应，而且能够用几何相位效应研究化学反应非常特殊的机理。

杨学明和中国科学技术大学教授王兴安等人曾自主研制了一台独特的结合阈值激光电离技术以及离子速度成像技术的交叉分子束反应动力学研究装置，使得实验上获得的氢原子产物的散射角度分辨率达到同类仪器中世界上最高水平。

利用这一装置，研究小组成功测得H+HD→H2+D反应的全量子态分辨产物速度影像，并在实验上观测到转动态分辨的H2产物前向角分布快速振荡结构。研究人员揭示了几何相位在化学反应中独特的作用以及几何相位效应的物理本质，相关成果于2018年12月在线发表于《科学》杂志。

叩开物理化学大门，换跑道进入科学仪器领域

我在学术发展过程中走了一条自己觉得非常有特色的道路，有时候确实也是一种机遇。

1962年，杨学明出生在浙江省德清县一个小村庄。中学时期受到化学老师的启蒙热爱化学，但这门热爱的学科并未在高考时眷顾他，高考的时候化学没有考得很好，物理考得特别好。1978年，16岁的他考入浙江师范学院物理系。

无论是因为停电还是想省钱，在没有人工制冷设备的情况下想要拥有凉爽的生活，都是有办法的。由于手机耳机孔的取消，蓝牙耳机比以往更加普遍。

大学快要毕业，未来到底该走往何方？杨学明自然而然又想到了化学，我感觉化学我没有念够，所以要去念化学。他想考研，量子力学是必考课题，但这门课被排在了最后一个学期，所以我就很急。

教量子力学课程的李鹤年老师建议他自学，他说如果我自学考过了，最后一个学期就不用上了，这也逼着我去自学。最后系里的考试也通过了。杨学明回忆起来，这个自学过程对他有着重要意义，至少考研究生时，我敢于去考量子力学了，考得也还可以，考上了。

1982年，杨学明顺利考上中国科学院大连化学物理研究所。20岁走出浙江，从物理转到化学研究，成为中国著名化学家张存浩和朱时清教授的学生，也叩开了物理化学的大门。

杨学明说自己是幸运的，物理拥有一套严格的理论体系，物理思想是非常严谨的，而他经过物理专业训练后转入化学专业，感悟到了不一样的化学。从交叉学科发展来讲，可以从不同角度研究，甚至进入另一个学科，有了更多新机会去发现别人或许不太关注的科学问题。

我很自然地选了物理化学学科，物理化学绝大部分的理论基础是物理。原子分子、化学反应，这些实际上都可以讲成是物理的，化学反应遵循的最重要的基本原理就是量子力学。

1985年拿到大连化学物理研究所的硕士学位后，他前往美国加州大学圣巴巴拉分校化学系攻读博士。1991-1995年，他在美国普林斯顿大学、加州大学伯克利分校从事博士后研究。

外人看来一帆风顺的科研道路，杨学明自觉也有困惑的时刻。在大连化学物理研究所、加州大学圣巴巴拉分校以及普林斯顿大学时期，他学的都是分子光谱学。当在普林斯顿大学做完博士后，他开始考虑未来的方向，光谱之路看上去不是很好走，光谱这个领域找不到特别喜欢做的事情。

他萌生了换跑道的想法。刚好加州大学伯克利分校的机会在眼前，他想试试利用先进光源，研发化学动力学的科学仪器。我发了那么多分子光谱研究的文章，感觉好像还是挺困难，没找到一个新的发展点。我想如果去做科学仪器，就算不是那么成功，也可以学会做高水平的科学仪器，也许我有别的方向可以选择，比如做一个仪器工程师，我觉得这样也很好。

从普林斯顿大学转到加州大学伯克利分校，他开始学习利用计算机辅助设计，设计先进的科学仪器，并利用先进光源的方法研究化学动力学。杨学明做好了少发论文的准备。在普林斯顿大学一年多时间发了十多篇论文，而在加州大学劳伦斯伯克莱国家实验室的两年半时间，他只做了一套复杂的分子束科学仪器，只发了几篇论文。

以前在没有无线网络的情况下，看视频刷微博，都是个我也喜欢玩手机朋友的大忌，因为速度难以控制的，4G网络几分钟就可以将话费扣光。

但也正是因为这次转折和经历，杨学明找到了坚持到现在的科研方向：发展新的科学仪器，从事化学动力学领域最尖端的实验科学研究。

绝大部分人在做科学时都要面对研究方向的选择，很少有人一辈子在一个领域做相同的事情。杨学明的经验是，即便换跑道也不要放弃以往基础，而是利用以往基础开拓感兴趣的新方向。

我特别喜欢做仪器做设计，那个时候用电脑做设计是比较新兴的，我觉得这个方向特别有意思。画出设计图纸，然后做成自己想要的科学仪器，很有成就感。所以我就义无反顾地做了这件事。

科学仪器做不好永远只能跟着别人走

如果我做科学仪器，从来不做跟别人一样的。如果我要做一个科学仪器，我必须要说服自己，我的科学仪器做成之后，能对这个领域有一个非常特别的视角，这个视角能够使我在某些研究方向上做出非常有特色的研究，或是别人做不到。

杨学明研发的十多台套科学仪器都遵循这样的原则，这些仪器也是他驰骋学术战场的利器。杨学明长期从事气相与表面化学反应机理和动力学研究，自行设计研制和发展了一系列具有国际领先水平的科学仪器, 并利用这些先进科学仪器在化学反应动力学领域取得了系列性的重要研究成果。

他在美国普林斯顿大学、加州大学伯克利分校从事博士后研究时，研究了同步辐射光源在化学中的应用。那个时候我觉得对我的研究来说同步辐射的亮度不太够，所以我一直想，未来如果我们能有一个极紫外或自由电子激光装置就好了，使得极紫外的光亮度能达到我的要求。

正是因为这个想法，杨学明回国后和中国科学院上海应用物理研究所的同仁一起推动了极紫外自由电子激光技术的发展。他主持研制成功我国第一台大型自由电子激光科学研究用户装置，这是世界上唯一运行在极紫外波段的自由电子激光装置。

今年，分子反应动力学国家重点实验室、大连光源科学研究室研究员江凌和中国科学院院士杨学明团队与清华大学教授李隽研究组合作，利用自主研制的基于大连相干光源的中性团簇红外光谱实验方法，在类冰中性水团簇七聚体中发现了多个棱柱状和笼状结构，为揭开液态水至微冰的氢键网络演化机制提供了新的思路。

大连相干光源也就是杨学明领导研发建设的基于可调极紫外相干光源的综合实验研究装置，这一装置持续产出重量级成果令他兴奋。

做科学仪器的人往往并不是特别受重视，但没有新科学仪器的发展，在实验上很难做出有重要意义的工作。杨学明认为，实验科学的发展如果没有新的科学仪器，很难做到真正的国际领先。实验科学的发展要发现和探索新的现象，而用老旧的仪器很难看到新的现象。

在实验科学领域，科学仪器做不好，很难超越别人，永远只能跟着别人走。想做好的实验科学研究，唯一的办法就是要先把科学仪器做好，掌握核心技术。杨学明呼吁大幅提升对技术的重视程度，加大科学仪器研制的投入。当前我国先进科学仪器很大一部分要靠进口，一旦受限也将面临卡脖子的问题。科学仪器做不好，很难真正做到科学自立自强。

所以我们要鼓励年轻人和学者勇于发展自己的技术和先进仪器，特别是做实验科学，不要限于从一个仪器上拿到数据就够了，而是要真正从根本上发展自己最先进的仪器和方法。也只有这样，我们才能真正在国际上真正成为一个科技强国。

与此同时，研发核心技术，高水平人才必不可少。人才不是大学毕业一下子能成长起来的，而是要在很多高水平的大学实验室里成长起来。这些人才经过良好训练，逐渐成长为技术研发人才，在关键技术研发中发挥作用。我们做自由电子激光技术，也是通过学习、培养人才，真正把这个方向做起来。

光讲是没有用的，要有一批人真正愿意去做。杨学明说，除了政策支持，科学体系需要包容这样一批科学仪器研发者，他也反思什么样的体制机制能够更好推动科学仪器的发展。

当前科研人员的主要考核指标是论文。拿现成的仪器做科研当然是一个重要方面，但事实上真正的高水平的实验科学研究非常需要科学仪器的创新。他表示，做复杂科学仪器要有较大的团队和投入，要敢于冒风险。有这样一种机制和环境，未来我们在实验科学和高端仪器方向才能取得更好的成绩。

杨学明说，作为科技工作者，也要珍惜国家资源，高度重视研发科学仪器的效率和水平，只有这样才能推动这一领域更好发展。

责任编辑：吴跃伟

校对：丁晓

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