胡文祥院士：开创有机微波化学学科新领域 开拓航天军事医学发展新方位

本篇文章8151字，读完约20分钟

近日,俄罗斯自然科学院(Russian Academy of Natural ﻪSciences)发来贺信,祝贺北京神剑天军医学科学院名誉院长胡文祥教授当选俄罗斯自然科学院外籍院士。

作为我国知名航天军事医学、有机药物化学与微波化学专家,胡文祥院士是中国人民解放军原总装备部军事医学研究所所长、北京市特聘教授,是一位闻名全球的科学家,被人们称为“胡因斯坦”和“胡牛顿”,更是一位被誉为“科技英雄”“攻关英雄”和“托起宇宙飞船的人”! ﻪ他开展引领科技发展的基础性、前瞻性、先导性、探索性、颠覆性等重大研究项目,取得了一系列骄人业绩,在中华科技史上占有一席之地!中央电视台、新华通讯社、《人民日报》和《解放军报》等多家中央重要新闻媒体,多次报道他和他率领的国防科研团队的先进事迹。

科研成果比肩诺奖的科学家

他18岁解决了一道世界科学难题,推导出宇宙中最多只有138个元素;他创立了知名的胡氏9大公式:胡氏约等式、胡氏不等式、胡氏方程式、胡氏自由能方程、胡氏近平衡态动力学方程、胡氏生物最长寿命公式、胡氏周期元素数量计算公式、胡氏心理力学第四定律公式及胡氏公式,后者被编入中国科学院院士赵玉芬教授等编著的清华大学研究生教科书《元素有机化学》中;他创建了“有机微波化学”和“比较化学”等一系列交叉边缘新学科;荣获国家和军队一系列成果奖励,所获国务院、中央军委和北京市政府奖励现价值数额已超过两个诺贝尔奖的奖金,在全军、全国凤毛麟角!

航天事业的伟大创举

早在二十多年前的20世纪90年代中期,为解决载人航天工程保障急需,胡文祥博士被调往中国人民解放军原总装备部军事医学研究所任所长。茫茫太空,浩瀚宇宙,给人类带来了无限遐想。从嫦娥奔月到万户飞天,中国人自古就有飞天的梦想。要发展载人航天,就得保障航天员的健康,确保航天员在太空环境中安全健康,保持良好工作状态。为了解决航天员的太空睡眠问题,胡文祥成功研发了航天牌眠尔康,用微波催化合成的内源性分子松果体素(褪黑素)等巧妙组方来调节生物钟,解决太空睡眠和调节地球不同时区时差不适问题,成为了当时国家相关部门批准的全国唯一一个航天牌保健食品,在此前后,相继研发成功航天牌钙维康胶囊、航天牌钙维康钙奶片、航天牌军力康片、航天牌怡心片、航天牌顺清片、天军牌优甘片(压片糖果)、飞天牌钙锌咀嚼片、飞天牌多种矿物质颗粒、飞天牌多种维生素矿物质胶囊、飞天牌眠尔康褪黑素胶囊和飞天牌钙维生素D胶囊等,先后得到了国家局和省局批准,产生了显著的军事社会经济效益。

胡文祥航天科研团队的科研成果“褪黑素的合成及其在生物钟调控中的应用”,荣获2018年度中国发明协会发明创业成果一等奖。另一科研成果“飞天系列健康保障品的研制及其应用研究”于2019年荣获中国产学研合作创新成果一等奖。2017年10月2日诺贝尔生理学或医学奖颁给了三位美国科学家:杰弗里·霍尔、迈克尔·罗斯巴殊和迈克尔·杨,以表彰他们发现了控制睡眠的分子机制。这毫无疑义地表明:胡文祥率领的实验室研究成果接近诺贝尔奖水准!虽然没有如愿获得诺贝尔奖章,但是他们为我国伟大的航天事业做出了突出的贡献。

计算化学的巧妙联算

早在20世纪80年代中期,胡文祥在中国科学院上海有机化学研究所攻读博士学位,师从知名有机化学家袁承业院士,李树森教授专门负责指导胡文祥计算化学研究工作,开始了分子力学与量子化学联算研究。毕业后进入军事医学科学院工作,胡文祥博士组建了以鲁中正工程师等精兵强将为基干的军事医药学科研团队,在恽榴红教授等的大力支持下,进行较大分子的分子力学与量子化学联算课题的攻关。他开创了全新的计算过程,从经典的分子力学计算分子的低能构型构象等几何参量入手,再输入给量子化学程序计算分子的轨道能量和电荷密度等电子参数,或者使用分子力学计算整个分子骨架几何参量,用量子化学计算活性中心的电子参数,如此一来计算效率得到了极大提高。关于分子力学与量子化学联算程序的学术论文简报于1992年发表在军事医学科学院院刊上;其中的一项成果“胆碱能药物的分子力学研究”获得了1996年度军队科技进步二等奖。

美国哈佛、斯坦福和南加州大学的三位计算化学家马丁·卡普拉斯、迈克尔·莱维特和亚利耶·瓦谢尔是2013年度诺贝尔化学奖的获得者,他们发展多尺度模型,运用经典与量子联合计算方法模拟复杂化学分子反应等系列问题。1988年胡文祥初寻博士后岗位,就曾致信哈佛大学的马丁·卡普拉斯教授,报告了分子力学与量子化学联算思想方法……这再次充分表明了,胡文祥率领的国防科研团队的研究成果离诺贝尔奖的距离真的很近! ﻪ计算化学(甚至意义更广的数学化学),包括分子力学与量子化学联算、量子参数与反应性关系、药物分子二维和三维定量构效关系、分子动力学模拟和分子对接研究等,始终是胡院士领导的实验室的一大特色。他的实验室主要研究方向是:有机药物合成、天然药物化学、动物药理评价等。虽然这在一个药物研究所里是一个“标配”,但浓缩到一个实验室不多见。不仅如此,他的实验室除了计算化学的特色外,还具有微波化学、比较化学、组合化学和交叉边缘学科研究的等鲜明特色,在国内外实验室中是罕见的。

核磁共振的统一方程

传统观点认为,核磁共振屏蔽效应主要由核外电子云密度决定,其化学位移的高低场取决于核外电子云密度的大小。胡文祥在中国科学院上海有机化学研究所攻读博士学位期间发现,对许多重核核磁共振化学位移来说,许多情形与此不一致,甚至是相反。经过深入探讨,他总结了有机磷化合物31P核磁共振化学位移变化的五条经验规律,进一步发现了决定重核磁共振屏蔽效应即磷核化学位移变化的不是磷核外电子云密度,而是磷核外的电子云球对称性,可以称之为:核磁共振屏蔽效应新原理。据此建立了计算各类有机磷化合物化学位移的统一计算方程。这一方程被称为“胡氏公式”,得到了广泛应用,并被知名有机化学家、中国科学院院士赵玉芬教授等编进清华大学研究生教材《元素有机化学》一书中。由于对核磁共振波谱学研究的突出贡献,科研成果“有机磷酸酯31P ﻪNMR化学位移及谱构关系研究”于1996年获得了军队科技进步二等奖;同年还荣获中国物理学会颁发的王天眷波谱学奖,成为历次获奖者中唯一一位非波谱专业的获奖专家。

有机化学的微波拓展

胡文祥于1985年在世界上首创有机微波化学及其组合化学(微波与超声波、高压、红外和紫外等物理技术方法的组合,及物理技术催化与化学或生物催化的组合等),建立的微波催化不等式,之后大力支持北京祥鹄科技发展有限公司成功研发了30多种祥鹄微波化学系列仪器与组合仪器(请见北京祥鹄科技发展有限公司官网),满足国内外市场需求,产生了良好的经济社会效益,有力推动了相关领域的科技进步。1999年,在知名生物化学家王来曦教授的大力支持下,胡文祥博士访问麻省理工学院,报告了物理催化(包括微波催化、超声波催化、紫外或红外催化等)方法在有机药物合成方面的应用研究进展。科研成果“微波化学系列仪器研制及其应用研究”,于2015年荣获中国产学研合作创新成果一等奖。在此之前,釆用微波化学方法进行的相关开创性研究成果,已分别荣获国家科技进步二等奖和军队科技进步一等奖及省部级技术发明一等奖共5项。应用微波化学方法,进行航天军事医药学等领域的研究工作,不断取得丰硕成果。2017年,在汉斯出版社的大力支持下,创办了中文国际网上学术期刊《比较化学》《交叉科学快报》《微波化学》;2019年出版著作《微波化学研究进展——胡文祥教授实验室微波化学领域相关研究成果目录及部分论文集》。

宇宙原理的推广开拓

在宇宙学方面,胡文祥建立和推广了九大宇宙学原理:微宇自旋普存原理、宇宙成团普存原理、宇宙易感普存原理、天体液滴原理、宇宙相对性原理、宇宙不完备性原理、宇宙重演律、宇宙差异律和广义马赫原理。尤其是2016年大年初五,美国宣布引力波的发现激发胡文祥大胆地预言了人类尚不知道的五大力场波:弱力波、强力波、斥力波和超弦波及第五种力场波的存在,就像爱因斯坦预言的引力波那样,百年内有可能被人类探测到并引发相关领域的革命性变化。五大力场波相关研究重大进展,有可能多次荣登诺贝尔奖领奖台。

基础研究屡创辉煌的科学家

元素周期表 导出极限

1979年,年龄只有18岁的胡文祥解决了一个世界级的难题,他推算出宇宙中最多只有138个元素。他自己都没有意识到这个贡献在科技界具有多么大的价值。回望科技发展历史,我们会发现不少自古英雄出少年的例子,如胡文祥一样,那些有着伟大成就的科学家从小就显露出与众不同的天赋。胡文祥在武汉工程大学上学时,他学习了武汉大学编撰的《无机化学》,这本理科教科书写到,元素周期表如果把第八周期填满,就是168个元素,如果把第九周期填满,就是218个元素。元素周期表能一直这样填下去吗,世界上究竟有多少个元素? ﻪ没有人知道。

胡文祥扎进了大学的图书馆里,他读到了英国化学家赫斯洛普编著的《高等无机化学》,深受启发。在原子序数为26、54、78附近的元素的宇宙丰度有极大值。结合114稳定岛学说,胡文祥构建了一差分,这个差分外推到138就截止。令人惊奇的是,胡文祥从上述“三个半数据”(26,54,78及114,114稳定岛假说尚未得到证实,只能算“半个数据”)推理得出结论:宇宙中最多只存在138个元素。当时是1979年,胡文祥只是一个大二的学生,他将这一发现写成论文,于次年投稿,没有被采用。胡文祥对论文进行了补充,使用诺贝尔奖获得者狄拉克的公式对这一发现进行了印证,直到1995年论文才正式公开发表。天才少年注定要在人类科学史上浓墨重彩地大写一笔。

Figure 1. Hu’s difference method

图 1. 胡氏差分法

胡氏约等式 揭示奥秘

社会生物学等领域许多参量大约相等(H数), 胡文祥约等式(胡氏约等式)可以表述为:

现代交往朋友人数≈猿人洞里的人数≈原始部落的人数≈母系氏族人数≈早期村落的人数≈动物单群里的个数≈现代学术交流会议最佳人数≈现代军事单位连队的人数≈现代村组(过去的生产队)的平均人数≈社会基层组织平均人数≈人类理想平均寿命≈精细结构常数的倒数≈宇宙中原子序数的上限≈哈勃时间≈宇宙年龄(亿年) ﻪ≈黎曼猜想特征值≈138

上述胡氏约等式中138称为胡文祥数 ﻪ(胡氏数,或称为H值),胡氏数是胡文祥推导出的宇宙中原子序数的上限,接近精细结构常数1/137的倒数。精细结构常数是物理学中一个非常重要的无量纲数,表示电子在第一玻尔轨道上的运动速度和真空中光速的比值,是微观世界的一个常数,却在数学世界、无机世界、有机世界、生物和人类社会中扮演了重要角色。英国杰出数学家阿提亚指出:黎曼猜想可与精细结构常数(1/137)建立联系。

上述胡氏约等式中16个约等号(还可以更多)蕴含了丰富的内容,充分表明:H值138是宇宙中的一个特征数值,是通向微观、介观、宏观和宇观世界的伟大桥梁! ﻪ数学世界、原子世界、无机世界、有机世界和生物社会界及人类社会界乃至整个宇宙等都遵守共同的宇宙基本规律。这些研究成果再次印证了伟大的物理学家伽利略曾说过的一句至理名言:数学是上帝用来书写宇宙的文字。

此外,胡文祥在基础研究许多领域辛勤耕耘,获得了丰硕成果。早在攻读博士学位期间,在导师袁承业院士的指导下,设计合成了一系列分离稀土的有机磷酸酯萃取剂,分离了有机磷化合物取代基极性与空间效应,克服了物理有机化学领域的这一难题;建立了稀土萃取分离的线性自由能方程,为物理有机化学和稀土的湿法冶金提供了重要基础,在今天的中美贸易战中显示了强大的生命力。

早年胡文祥还建立了二大统一论包括精神神经递质统一论和物理化学重要公式的统一基础;二大药学原理包括广义电子等排原理、量子药理学或量子酶学原理。发现了三大药学规律,包括抗胆碱能药物抗N样作用规律、天然药物全息生物学规律、药效基(团)组合规律;三大规则包括四原子规则、有机化学反应选择性规则、有机离子反应催化剂选择规则;三大效应包括F轨道配位场效应、DNA中电子的隧道效应、非经典跨环轨道超共轭效应。提出了四大 ﻪ“广义”概念包括广义哲学、广义组合化学、广义酶和广义DNA;四大组合方法学包括组合理论计算、组合分子设计、组合催化合成、组合筛选方法等,有力推动相关学科领域向深度和广度发展。

学科建设贡献良多的科学家

交叉科学 倡导与创新

2020年7月29日教育部召开的全国研究生教育会议,决定新增交叉学科作为新的学科门类,交叉学科将成为我国第14个学科门类,这距离上一次学科重大调整已过去8年。经中央编办复字〔2020〕46号文件批准,国家自然科学基金委员会于2020年11月成立交叉科学部,负责统筹国家自然科学基金交叉科学领域整体资助工作;组织拟定跨科学部领域的发展战略和资助政策;提出交叉科学优先资助方向,组织编写项目指南;负责受理、评审和管理跨学部交叉科学领域项目;负责相关领域重大国际合作研究的组织和管理;负责相关领域专家评审系统的组织与建设;承担交叉科学相关问题的咨询。

交叉科学是自然科学、社会科学、人文科学、数学科学和哲学等大门类科学之间发生的外部交叉以及本门类科学内部众多分支学科之间发生的内部交叉所形成的综合性、系统性的知识体系,因而有利于有效地解决人类社会面临的重大科学问题和社会问题,尤其是全球性的复杂问题。在我国科学发展中,学科交叉与交叉科学显得相对滞后。在较长时期里,自然科学、社会科学、人文科学等之间存在着不可逾越的鸿沟,而科学发展、社会进步、经济发展等却都需要各门类科学、各门学科之间交叉、渗透和融合。国务院两部委带头吹响了全面进军交叉科学领域的号角。

早在20世纪80年代起,胡文祥就一直大力倡导交叉边缘新学科,1987年,他以"比较学与比较化学"为题发表的演讲,获得了上海生命科学青年学术报告会一等奖。1990年,胡文祥在世界上第一次提出了广义组合化学概念,他题为“广义组合化学”的报告再次引起了业内强烈反响,并在多方面进行深入研究和广泛应用的基础上,建立了微波组合化学、超声组合化学、催化方法组合学等新方法以及包括五大组合方法在内的广义组合化学理论。科学出版社和化学工业出版社相继出版了胡文祥的专著《协同组合化学》和《比较化学》等,颇受读者欢迎。使用组合方法,胡文祥航天科研团队已成功合成了上千种新物质,研究出一批功能材料和高生物活性分子及有关装备和产品,获得多项成果奖。

胡文祥博士概括了如下一些典型的交叉科学门类,对其中的比较化学、微波化学、协同组合化学及经济力学、心理力学等交叉科学展开了身体力行的相关研究工作,取得了一系列成果。

1) ﻪ比较论系列:除了比较文学、比较解剖学等外,比较化学、比较哲学、比较政治学、比较社会学、比较生物学、比较人类学、比较考古学、比较历史学、比较地理学、比较天文学、比较宇宙学、比较人工智能学、比较网络学……

2) 组合论系列:除了组合数学外,组合化学、协同组合化学、广义组合化学、组合社会学、组合生物学、组合仪器学、组合宇宙学……

3) 统一论系列:除物理学统一论、几何学统一论(欧几里德几何学)外,还主张化学统一论、生物学统一论、神经科学统一论……

4) ﻪ地(天、金)缘论系列:除地缘政治学外,地缘人类学、地缘生物学、地缘语言学、地缘经济学、地缘社会学、地缘法律学(比较法学)、地缘军事学、天缘生物学、天缘经济学、金缘政治学……

5) ﻪ力学系列:除传统的经典力学即牛顿力学、分析力学即拉格朗日力学、电动力学、统计力学、量子力学、材料力学、地质力学等外,政治力学、经济力学、社会力学、心理力学、军事力学、文化力学……

6) 热力学系列:经济热力学、政治热力学、社会热力学、天体热力学和宇宙热力学……

7) 网络学系列:除网络战争学(网战、网络空间战)、网络药理学外,网络社会学、网络经济学、网络政治学、神经网络学、网络计算学……

8) 控制论系列:经济控制论、社会控制论、生物控制论、控度论……

9) 进化论系列:社会进化论、文化进化论……

10) 协同论系列:社会协同论、文化协同论……

11) 分子论系列:分子社会学、分子心理学、分子美食学、分子文物学或分子考古学……

12) 其它系列:社会生物学、生物社会学……

还有众多的交叉学科,包括学科之间及学科内部分支学科之间有可能形成新的交叉学科,例如,物理与化学交叉形成了许多新的学科:物理化学,物理有机化学,物理无机化学,高分子物理与化学,微波化学,超声波化学,光化学,电化学,磁化学,机械化学,高压或真空化学,微(超)重力(太空)化学,核化学,天体化学……

胡文祥院士大力呼吁广大科学家和工程技术人员,积极运用交叉科学思想和方法,大力拓展交叉科学研究与探索,不断产生新思想,发明新技术,建立新方法,制造新工具,构建新模型,合成新物质,研制新产品,创立新理论……

著作等身 桃李满天下

几十年来,胡文祥航天科研团队创造性地灵活运用交叉科学方法原理,累计发表中英文学术论文和报告共636篇。先后荣获国家科技进步二等奖2项(排名第一),军队科技进步一等奖及其他省部级科技进步一等奖或技术发明一等奖共4项(排名第一),二等奖9项、三等奖33项。获中国化学会优秀青年化学奖,中国物理学会王天眷波谱学奖,政府特殊津贴,中国科协“求是”杰出青年实用工程奖,总装载人航天工程创新二等奖,科学中国人年度人物、杰出青年科学家奖。个人论著数量和获奖数量居全军之首。获得国家或国防发明专利38项,成功主持研发了多个高科技产品,配发相关航天部队和联合国维和部队。荣立了个人三等功1次、个人二等功1次和集体二等功2次。出版相关著作共32部,包括《协同组合化学》《比较化学》《载人航天工程火箭推进剂安全科学概论》《火箭推进剂损伤应急救援工程》《航天与健康》《微波卫生防护概论》《微波化学研究进展》《分析样品制备》《心理战与反心理战》《阿片受体分子药学》《反恐技术方略》(获2014年中国石油与化学工业优秀出版物奖一等奖)《经济力学》《交叉科学研究进展》和英文著作《催化合成与取代基效应》等。指导培养博士后、博士生和硕士生88名,有的已成长为社会主义祖国建设的栋梁之材。

学术演讲 遍及全中国

胡文祥先后应邀到下列10个部队单位做学术演讲,受到热烈欢迎! ﻪ包括酒泉卫星发射中心、太原卫星发射中心、西昌卫星发射中心、第二十三试验训练基地、第三十一试验训练基地、第三十三试验训练基地、中国航天员科研训练中心、北京航天城、空军医学研究所、第三军医大学等单位;多次应邀到全国学术会议或国际会议做大会邀请报告;先后应邀到全国23所高等院校做学术报告,颇受广大师生喜爱!包括清华大学、北京大学、香港科技大学、北京工业大学、首都师范大学、北京工商大学、天津大学、武汉大学、武汉工程大学、中南民族大学、重庆大学、广西大学、广州大学、青海民族大学、西南民族大学、昆明理工大学、华东师范大学、浙江海洋大学和海南师范大学等高校;从西北边陲到南海之滨,应邀到全国各地发表公众科普演讲,听众逾百万人次,常常激动人心。

贺胡文祥教授当选外籍院士感言

——刘江海

(原国防科工委宣传部副部长)

神剑倚天写风流,

文章千秋冠全球。

祥云吉兆到京城,

好梦依稀自荆楚。

胡文祥说过:“人生的价值在于奉献,献身国防科学事业是生命中最值得追求的理想”。两弹一星精神(热爱祖国,无私奉献,自力更生,艰苦奋斗,大力协同,勇于登攀)和载人航天精神(特别能吃苦,特别能战斗,特别能攻关,特别能奉献)深植于他的脑中、心中、口中。他为军为国做科研终身奋斗、志在千里。学不可以已,科研无止境,思维无禁区,探索无疆界,以梦为马,正是胡文祥最生动的写照。

如今的胡文祥院士仍不忘初心、牢记使命、奋力拼搏、开拓进取。谨值庆祝中国共产党成立100周年和中国人民解放军建军94周年之际,胡文祥心态归零,重新出发,仍然践行着年少时确立的志向,孜孜不倦,在科技强军与科技兴国的道路上阔步前行!