葉大年：科學(xué)研究的本質(zhì)在于創(chuàng)新
1998年葉大年院士（中）在武漢黃陂抗洪大堤上做防水材料試驗(yàn)
（圖片來源：中國科學(xué)院院士文庫）
如果說從1958年入學(xué)北京地質(zhì)學(xué)院算起，我從事地質(zhì)工作已經(jīng)50多年了，一輩子做科學(xué)研究工作，深切地體會到科研工作的本質(zhì)是創(chuàng)新，科學(xué)家的責(zé)任就在于為人類的知識寶庫增添新的內(nèi)容。
在大學(xué)二年級時，有一門專業(yè)基礎(chǔ)課叫晶體光學(xué)，它是講授偏光顯微鏡下鑒定礦物技能的課程，是我所學(xué)專業(yè)的看家本領(lǐng)之一。但是這門課竟然沒有講述一丁點(diǎn)理論，我深深不解，感到自己有責(zé)任搞清其中的理論問題。到了三年級，我學(xué)習(xí)了一些晶體化學(xué)的知識，就發(fā)現(xiàn)礦物的晶體結(jié)構(gòu)與它們的光學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系若明若暗，這就使我“窺視”到一個新領(lǐng)域——結(jié)構(gòu)光性礦物學(xué)，于是我就立下志向要用畢生的精力去開拓它。1962年，我大學(xué)畢業(yè)考取了中國科學(xué)院地質(zhì)研究所的研究生，師從何作霖院士。我向他說明，我的志向是開拓結(jié)構(gòu)光性礦物學(xué)的新領(lǐng)域，他欣然同意。這樣我就有兩位恩師，一位是光性礦物學(xué)專家何作霖院士，另一位是北京地質(zhì)學(xué)院的晶體結(jié)構(gòu)分析專家彭志忠教授，從他們那里學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的知識和技能，為開展自己的創(chuàng)新性研究準(zhǔn)備條件，尋找科研的切入點(diǎn)。萬事開頭難啊！這時錢偉長院士及時給我指點(diǎn)，教我如何選題。他說書本上的東西不是盡善盡美的，要注意那些不深不透之處，建議我閱讀溫克勒著的《晶體構(gòu)造與晶體物理性質(zhì)》。正是這本書幫助我找到了切入點(diǎn)。書中提到，氧離子作最緊密堆積的晶體，其折射率接近于1.7，但是沒有論述為什么。我查閱了其他的英文、俄文和日文的專著，也都只有這個說法。于是我就決定從這里打開缺口，經(jīng)過兩天兩夜的苦思冥想，終于推出一個公式把氧離子最緊密堆積結(jié)構(gòu)與折射率之間的定量關(guān)系建立起來，用這個公式計(jì)算出來的折射率與實(shí)驗(yàn)驚人的一致。有了這突破，就一發(fā)不可收，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一系列定性和定量的規(guī)律。經(jīng)過26年的不懈努力，終于在1987年出版了專著《結(jié)構(gòu)巖性礦物學(xué)》，實(shí)現(xiàn)了自己的夙愿。
“文革”期間我自己反思，認(rèn)為一個科學(xué)家應(yīng)該既搞陽春白雪的純基礎(chǔ)理論研究，同時也應(yīng)該搞下里巴人的應(yīng)用科學(xué)研究。此后40多年的科學(xué)生涯是“陽春白雪”和“下里巴人”的同臺演出。
40多年來我研究過鑄石、水泥、陶瓷、耐火材料、電廠的粉煤灰和冶金爐渣，我用自己掌握的巖石學(xué)和礦物學(xué)的知識解決上述材料的技術(shù)問題。我曾經(jīng)日以繼夜地在冶金爐旁、在窯爐邊、在工廠實(shí)驗(yàn)室里和工人師傅、技術(shù)人員同吃、同住和同勞動，解決了一個又一個的技術(shù)問題，發(fā)表過幾十篇應(yīng)用科學(xué)的學(xué)術(shù)論文。回憶這段豐富多彩的生活，感到非常快慰，既增長了解決技術(shù)問題的才干，又增加了對社會的了解。最令我興奮的是，通過這些材料的研究反而促進(jìn)了我對巖石學(xué)和礦物學(xué)的研究工作。例如，鑄石中的主要礦物是輝石，它也是巖石中的主要造巖礦物，研究鑄石中的輝石，使我對輝石族礦物有全面的認(rèn)識，導(dǎo)致我完成了一篇很重要的論文《單斜輝石的X射線粉末法研究》，解決了礦物學(xué)中的一個難題。X射線粉末法是礦物鑒定中常用的方法之一，也許是屬于雕蟲小技的“下里巴人”，為了解決實(shí)際問題，我決心鉆研它，用了幾年工夫，完成了一部著作《X射線粉末法及其在巖石學(xué)中的應(yīng)用》，這部書是地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室的必備參考書。“陽春白雪”往往會源自“下里巴人”之中。1980年，我指導(dǎo)研究生解決了長石礦物學(xué)中一個老大難的問題，即用X射線同時測定斜長石的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和成分。這一成果得到世界最著名的長石專家的認(rèn)同。
1975年，我被抽調(diào)去找富鐵礦，并被任命為一個變質(zhì)鐵礦小分隊(duì)的隊(duì)長。我從1960年起就沒有接觸變質(zhì)巖，這項(xiàng)任務(wù)對我來說無疑是困難的。我想既然領(lǐng)導(dǎo)信任，就必須努力去完成，“彼人也，余人也，彼能是，而我乃不能是？”韓愈的這句名言鼓舞著我去干。“干字當(dāng)頭，學(xué)就在其中，干就是學(xué)習(xí)”，在3年的富鐵礦找礦中，我雖然沒有找到富鐵礦，可是我完成了兩篇重要的論文：《河南省變質(zhì)相帶的劃分及變質(zhì)鐵礦找礦方向的預(yù)測》《河南信陽變質(zhì)帶中3T型多硅白云母和C類輝榴石及其大地構(gòu)造意義》。如果沒有富鐵礦的找礦任務(wù)，我是斷然不可能去研究河南的變質(zhì)巖的，更不可能有這樣重要的發(fā)現(xiàn)。有一段時間，我們研究所的青年人說：“葉老師運(yùn)氣真好！一篇文章成了大地構(gòu)造學(xué)家。”我要說明的是，我對大地構(gòu)造知之不多，絕非大地構(gòu)造學(xué)家，至于說到運(yùn)氣，我對造巖礦物的長期關(guān)注，就是為了等待這樣的機(jī)遇到來。
顆粒的堆積問題是材料科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和地質(zhì)學(xué)討論過的經(jīng)典問題，一二百年來，不斷有人研究。我關(guān)注顆粒堆積長達(dá)30多年，因?yàn)殍T石、水泥、陶瓷、玻璃的研究中屢屢遇到它，我就親手做實(shí)驗(yàn)，研究不同粒度、密度和形態(tài)顆粒的隨機(jī)堆積問題，即研究堆積體的密度和孔隙率。經(jīng)過上百次的實(shí)驗(yàn)得到了一些規(guī)律，其中有些是前人沒有發(fā)現(xiàn)過的，例如，顆粒的比重與堆積體的孔隙率關(guān)系，當(dāng)顆粒的比重高于或低于某個閾值時，孔隙率會降低；又例如顆粒的形態(tài)一般不影響孔隙率，但特殊形態(tài)的顆粒有巨大影響，如四面體顆粒的堆積體孔隙率最大等等，這些特殊性在水利建設(shè)上非常有用。
在微觀世界里，原子或離子的堆積是結(jié)晶學(xué)討論的問題，我產(chǎn)生了一個猜想，如果知道每個離子“占有體積”，那么它們加起來就應(yīng)該是物質(zhì)的體積。我的一位研究生不解地問我：“這不是一加一等于二嗎？有什么可研究的呢？”其實(shí)問題并不簡單，這是分子體積可加和性的問題。經(jīng)過長達(dá)10年的研究，在提出離子拓?fù)潴w積的新概念后，證明在一定條件下分子體積具有可加和性。
當(dāng)把巖石看成是氧離子“隨機(jī)堆積體”時，可以利用亞佛加得羅常數(shù)，用巖石比重和化學(xué)分析數(shù)據(jù)推算出巖石中每一個氧離子的平均占有體積。我們經(jīng)過了幾千次計(jì)算，發(fā)現(xiàn)地殼中的各種巖石的氧離子平均占有體積非常接近，可以看為一個常數(shù)，即地殼氧離子平均體積守恒律。
50多年的科學(xué)生活，我最大的體會是，科學(xué)研究的本質(zhì)在于創(chuàng)新，科學(xué)家的快樂來源于創(chuàng)新。
（節(jié)選自《新民晚報》，2011年1月22日，B7版）