萊比錫學派創立者奧斯特瓦爾德的學科治理實踐探析

楊桂梅,劉玉楊

(河北大學 博物館,河北 保定 071002)

弗里德里?！.奧斯特瓦爾德(Friedrich W.Ostwald,1853-1932)是德國著名物理化學家,近代物理化學學科的奠基者,有“物理化學之父”的稱譽?！叭R比錫學派”是19世紀末奧斯特瓦爾德在萊比錫大學任教期間打造的一個著名的物理化學學派。在奧斯特瓦爾德的領導下,萊比錫學派成員依托萊比錫大學物理化學實驗室,開展了一系列極具創新色彩的研究,不僅突破了傳統的化學研究范式,奠定了萊比錫大學在世界物理化學研究中的核心地位,還培養了一大批卓越的物理化學人才。作為一位學科領導者,奧斯特瓦爾德的學科治理實踐有著鮮明的特色。他的諸項舉措是推動學科快速崛起的典型范例,對我國學科帶頭人進行學科治理有著較強的啟示意義。

一、開辟物理化學的學科領域

物理化學是化學學科發展相對成熟之后引入物理學相關理論進一步探索化學反應而形成的新學科。在19世紀中葉以前,化學家往往又是物理學家。經過半個世紀的發展,原子學說愈發得到學界認同。1864年,元素周期表的出現把各種化學元素納入系統框架,化學研究進入了系統化時代。當大部分化學家沉浸在分析、合成化學要素時,一些化學家的興趣“開始從元素化合物的實體成分轉移到它們彼此間的反應過程與方式、反應速度與動態平衡、熱的影響以及溶液、結晶、電解等問題”的理論建構方面,嘗試使用物理學的方法窺探化學物質的穩定性和變化。[1]19世紀下半葉,一些擁有數學和物理學基礎的化學家開始嘗試用物理實驗或數學推演的方式解決化學研究中遇到的問題。奧斯特瓦爾德就是最早將數學應用于化學研究的學者之一。早在1879年,奧斯特瓦爾德就提出像硫化鋅和氧化鈣這樣的化合物被不同的酸溶解的速率可以用來作為酸的相對親和力的量度。奧斯特瓦爾德沿著這個方向進行了一系列名為“化學動力學”的研究。他進行了蔗糖在各種酸存在時的轉化率實驗,估計出酸的親和力值。

奧斯特瓦爾德的偉大之處在于,盡管許多物理化學理論不是他提出,但他卻是這些理論的整合者和弘揚者。1884年,在讀完斯萬特·A.阿累尼烏斯(Svante A.Arrhenius)的論文后,奧斯特瓦爾德欣喜若狂,“電解質化學理論”的偉大概念從烏帕拉的阿累尼烏斯的頭腦中閃現到里加的奧斯特瓦爾德的頭腦中。1886年,奧斯特瓦爾德接觸到雅各布斯·H.范霍夫(Jacobus H.Van’t Hoff)的《化學動力學研究》一文。他又牢牢抓住范霍夫提出的電離概念,并將其應用到親和力、化學平衡、質量作用等問題的研究中。奧斯特瓦爾德將阿累尼烏斯的滲透壓和范霍夫的溶液滲透理論相結合,構建了電離理論的起點。[2]不久,奧斯特瓦爾德發現了稀釋定律。這三種理論組合構成了物理化學研究理論的基礎,也意味著奧斯特瓦爾德開創了一個全新的研究領域和范式。

科學在某一領域的探索往往在經歷一段時間的快速成長之后進入發展的瓶頸期,它需要在這一領域的突破性成就或其他領域研究進展的輔助才能獲得進一步的發展。因此,學科的科學研究在這時要么在該領域深入挖掘獲得突破性成果引領學派繼續發展,要么開始向周圍領域擴展實現理論轉型。19世紀80年代末,萊比錫學派的研究特色已經逐漸建立起來,但奧斯特瓦爾德意識到,他的“能量轉換”沒有觸及物理和化學變化速度的問題。他的研究開始轉入一個新的領域--催化作用。他重新撿起1883年就曾研究過的速率問題。接下來的幾年時間里,在奧斯特瓦爾德的主導下萊比錫學派的研究轉向了催化現象。催化研究開啟了萊比錫學派新的發展歷程,1890年,奧斯特瓦爾德首先提出了普遍接受的催化定義。隨著催化研究的廣泛開展,萊比錫大學的物理化學研究產出了諸多的研究成果,奧斯特瓦爾德也因催化作用研究獲得1909年的諾貝爾化學獎。

二、組建物理化學實驗室

初到萊比錫大學任教的奧斯特瓦爾德并沒有得到校方過多優厚的待遇。他從古斯塔夫·H.魏德曼(Gustav H.Wiedemann)手里接管了位于萊比錫兄弟街34號的“第二化學實驗室”。該實驗室并非是一個純粹的物理化學研究所,而是一個功能多樣的培訓機構。實驗室分為“理化部”“分析部”和“藥學部”三個部門。除了日常的化學教學工作,它還負責培訓藥劑師和中學教師。這座建筑由兩個大小相同的側翼組成,側翼之間是中央樓梯。農業研究所和化學研究所正好平分了整棟大樓。這座老舊的建筑采光和通風都很差,爐子的加熱很難調節,產生的灰塵對較好的儀器造成了很大的損害;在鋪設地基時,沒有采取任何防護措施來減輕震動對實驗的影響,因此許多實驗都難以進行。由于空間有限,他也無法使用更加精細的設備讀取刻度。盡管設備條件有限,奧斯特瓦爾德還是開始了最初的教學和研究活動。

1887年,有兩名學生進入實驗室學習物理化學,到1888年只剩下1名學生。在奧斯特瓦爾德的苦心經營之下,這一趨勢在第三年發生了轉變。第三年進入實驗室的學生增加到了13個。在接下來的幾年中,隨著奧斯特瓦爾德的影響力日益擴大,萊比錫學派名聲初現,萊比錫大學迎來了越來越多的學生。為了容納更多學生,奧斯特瓦爾德不得不在走廊和地下室安裝了更多的長凳。1894年,奧斯特瓦爾德向學校申請新建一個實驗室。他似乎沒有遇到太多的阻力,萊比錫大學和撒克遜政府為了證明他們對這門新科學的重視以及對奧斯特瓦爾德貢獻的贊賞,當年就批準了奧斯特瓦爾德的申請。他們為奧斯特瓦爾德建造了一個新的物理化學研究所,并配備最先進的實驗設備。[3]1897年秋天,新的物理化學研究所建成。1898年1月,這座U型建筑改名為萊比錫大學物理化學研究所,并按照當時最新標準進行了裝修,一樓有一個大工作室和設備室,二樓有兩個報告廳,分別有140個座位和42個座位。閣樓上有一套地質收藏品,還有一間主任公寓,位于研究所大樓的中間,通過走廊與大樓的其他部分相連。

三、打造內聚性的學術團隊

一個成功的學科不僅依賴于領導者在師生共同體中激勵忠誠、社會內聚力和集體精神的能力,而且也依賴于培養學生盡早能夠獨立開展研究,樹立學術理想。萊比錫大學物理化學學科的成功得益于奧斯特瓦爾德所打造的具有內聚性的學術團隊。盡管許多優秀的物理化學研究者不在萊比錫大學,奧斯特瓦爾德也能很好得將他們組織起來。1884年,阿累尼烏斯完成了他的博士論文《電解質的導電性研究》。論文中他闡述了電離學說的雛形,卻被答辯委員會給予了最低的“及格”成績。委員會主席克利夫甚至認為論文是“荒唐的小學生”結論。[4]1884年,一個偶然的機會奧斯特瓦爾德接觸到了當時還尚未出名的阿累尼烏斯的博士論文,并對這一論文產生了極大的興趣。進一步的研究之后,他發現阿累尼烏斯創造了一種簡單的測量酸堿強度的方法,并為研究物質親和力提供了一種新的思路。當時正在里加工學院擔任教授的奧斯特瓦爾德給阿累尼烏斯回信,熱情的贊揚了他這一研究的價值。1884年8月,他特意前往瑞典烏普薩拉拜訪了這位比自己小6歲的年輕人。此后,盡管阿累尼烏斯并未能與奧斯特瓦爾德在同一所大學任職,但由于阿累尼烏斯和奧斯特瓦爾德對物理化學研究有著共同興趣和愿望,他與奧斯特瓦爾德一直保持著密切的聯絡。這一時期,奧斯特瓦爾德遇到的另一個重要的學派成員是范霍夫。1874年,范霍夫在烏特勒克大學完成學位論文,獲博士學位并留校任教。1886年,奧斯特瓦爾德接觸了范霍夫的論文《化學動力學研究》。仔細閱讀后,奧斯特瓦爾德意識到這位荷蘭有機化學家在化學熱力學領域的研究已經遠遠走在他之前。在接下來的幾個月里,他們之間開始頻繁的通信。從奧斯特瓦爾德與范霍夫通信開始,在接下來的幾年中,他們之間形成了一種超越國界的科學友誼。在奧斯特瓦爾德的邀請下,范霍夫擔任了《物理化學雜志》的主編,也成為學派的核心成員之一。

此外,奧斯特瓦爾德還招募了許多頗有學術潛質的助手。奧斯特瓦爾德在萊比錫大學的實驗室分為三個部分,為了合理的分配工作,他為每一部分各任命了一名助理。在物理化學方面,他任命了年輕的物理學家瓦爾特·能斯特(Walther Nernst)。對于化學初學者,奧斯特瓦爾德聘請了朱利葉斯·瓦格納(Julius Wagner)擔任教師。他為藥劑師培訓找到了恩斯特·O.貝克曼(Ernst O.Beckmann)。奧斯特瓦爾德在此后的研究生涯中又招收了許多其他的助手,其中包括西奧多·保羅(Theodor Paul)、馬克斯·L.布朗(Max L.Blanc)、羅伯特·路德(Robert Luther)、喬治·布雷格(Georg Bredig)、馬克斯·博登斯坦(Max Bodenstein)。在與奧斯特瓦爾德朝夕相處的過程中,這些助手深受奧斯特瓦爾德的影響紛紛加入物理化學的研究行列并取得不俗的成就。在與奧斯特瓦爾德的合作中,能斯特對電化學產生了濃厚的興趣。1889年,能斯特將熱力學原理應用到電池上,從熱力學推導出電極電勢與溶液濃度的關系式,即電化學中著名的能斯特方程。瓦格納于1887-1897年間分擔了分析化學的教學工作。他與奧斯特瓦爾德一起開發了分析化學新的教學方法,并為該課程設計了新的實驗。1901年,他被任命為德國第一位化學教學教授。

四、開展系統性人才培養工作

在奧斯特瓦爾德入職之初,學校就分配給他大量的教學工作。他將原來在里加工學院教授的物理化學教學大綱進行了重組,在冬季學期講授無機化學,在夏季學期講授物理化學。憑借在里加的經驗,他很快就組織了優秀的物理化學實踐課程。為了上好這門課程,奧斯特瓦爾德特意編纂了《物理和化學測量手冊和輔助工具》幫助學生掌握實驗技能。奧斯特瓦爾德認為課程并不僅僅是舊知識的傳遞,一門好的課程還必須介紹目前科學進展以及需要解決的問題。因此,他對這本書的內容進行了多次擴充并再版,增添了許多學界最新進展,也正是因為奧斯特瓦爾德對待教學的認真,這本教科書得到了許多物理化學初學者的青睞。

奧斯特瓦爾德作為一名教師,他的成功和非凡的影響力體現在兩個方面,一是在與學生的談話中常常能迸發出新思想,二是他根據學生不同的個性來對待不同的學生,引導其從事研究活動。弗雷德里克·G.唐南(Frederick G. Donnan)在后來的回憶中寫道,“奧斯特瓦爾德是一個新鮮思想和靈感不斷迸發的源泉”。[5]范霍夫在1903年談到奧斯特瓦爾德時說,奧斯特瓦爾德一旦知道或發現了什么東西,就會立刻產生一種強烈的分享欲,想要把它告訴別人。奧斯特瓦爾德非常喜歡與學生交談,從不避諱這些想法是否成熟。如果學生在某些問題上有什么新的想法和意見,奧斯特瓦爾德都會全神貫注地與學生展開討論。作為奧斯特瓦爾德的學生,他們往往能夠在與其的交談中獲得新的靈感。他熱情好客,目光敏銳,每天都會在實驗室里巡視。為了了解每個人的實驗室進度,奧斯特瓦爾德每周開一次名為“科學工作報告”的研討會。這個研討會不是研討已經發表在文獻上的科學研究,而是匯報并研究正在實驗室進行的工作。每一項研究都需要經歷不止一次的研討,包括討論研究方向、匯報進度、解決遇到的困難。奧斯特瓦爾德擁有非凡的記憶力和敏銳的洞察力,他知道每個人的實驗及進度。在奧斯特瓦爾德的帶領下,物理化學實驗室中的“每個人都知道其他人在做什么,這里沒有矯揉造作的神秘感,只有‘兄弟般的坦誠’”。[6]

在選題上,奧斯特瓦爾德鼓勵學生選擇自己感興趣的課題,但是他發現學生們往往喜歡選擇那些他們已經了如指掌的領域。因此,他特意又為高年級研究生增開了一門實踐課程,在擴充視野的同時增加一些數學運算的學習,力圖使學生“足夠解決幾乎所有的化學問題”。[7]之后,奧斯特瓦爾德加大了對學生選題的指導,希望他們能夠選擇一些具有挑戰性的題目。通過指導學生開展研究,幾乎所有在奧斯特瓦爾德實驗室的學生都不同程度地受到他研究方法和研究思維的影響。例如卡爾·T.R.路德(Karl T.R.Luther)、格奧爾格·布雷迪格(Georg Bredig)和馬克斯·E.A.博登斯坦(Max E.A.Bodenstein),盡管當時他們已經是科學界的知名人士,但還是在奧斯特瓦爾德的指導下進行了大部分的研究工作。隨著時間的推移,學生們在奧斯特瓦爾德的啟發和激勵下獲得了許多新穎的想法,并將這些想法投入到實際的科研工作中。盡管學生得到了奧斯特瓦爾德許多的幫助,但奧斯特瓦爾德總是允許學生以自己的名義發表他指導的實驗。奧斯特瓦爾德完全沒有要占據這些研究成果的貪婪之心。

五、致力于提升學派的學術影響力

早在奧斯特瓦爾德進入萊比錫大學之前,他就已經意識到物理化學是一個全新的領域,需要創辦一本專門的期刊來拓展人們對這一領域的關注。1886年,奧斯特瓦爾德接受了萊比錫出版商的創刊邀請。1887年2月,《物理化學雜志》正式創刊,由奧斯特瓦爾德和范霍夫擔任編輯。奧斯特瓦爾德給他的同領域的研究者寫信希望他們能夠支持新雜志的發行,并將最新研究成果放在期刊上發表。在奧斯特瓦爾德的組織之下,《物理化學雜志》的創刊號上刊登了物理化學研究中幾篇重要的文章。進入萊比錫大學之后,奧斯特瓦爾德更是依托《物理化學雜志》,通過邀請擔任編委的方式,將歐洲的許多化學家都團結在了自己的周圍。如德國的奧古斯特·F.特曼(August F.Horstmann)、漢斯·H.朗道爾(Hans H.Landolt),英國的威廉·拉姆塞(William Ramsay),法國的拉烏爾和馬賽蘭·貝特羅(Marcellin Berthelot),斯堪的納維亞地區的阿累尼烏斯、彼得·瓦格(Peter Waage)等許多杰出化學家都曾是《物理化學雜志》的編委。由此,這份學術刊物不僅具有了國際性的特點,而且通過這些優秀的學者,奧斯特瓦爾德把物理化學這一新領域也傳播到了更遠的地方。

奧斯特瓦爾德在萊比錫期間一直從事科研成果的編輯工作。盡管奧斯特瓦爾德在編輯《物理化學雜志》中承擔了繁重的工作,他還是擠出時間不斷的出版新書和發表論文。他在《物理化學雜志》以外的刊物上發表了大量的書籍評論和摘要。這些評論文章為他了解他人科研成果,不斷更新前沿知識提供了巨大幫助。

1889年,他出版了《普通化學基本概論》一書。該書先后出版3次,被翻譯成多國語言,產生了廣泛的影響。在一段時期內,由于學生對過往的無機化學研究了解甚少,于是他編寫了《無機化學的基本構造》一書,使無機化學這門被忽視的學科重新進入人們的研究視野。1889年,奧斯特瓦爾德出版了《普通化學綱要》一書。在書中,他將稀釋定律和范霍夫與阿累尼烏斯的理論相結合,將物理化學的核心原理以一種所有化學家都能夠理解的方式進行了闡述。該書大獲成功,在接下來5年的時間里再版5次,被翻譯成多國語言廣為流傳。1893年,奧斯特瓦爾德將他在物理化學領域工作近20年所學到的所有小技巧和竅門都融入一本叫做《物理化學測量手冊和輔助工具》的書中。該書也被譯為多國語言。1894年,在阿瑟·V.奧廷根(Arthur V.Oettingen)的建議下,奧斯特瓦爾德把約西亞·W.吉布斯(Josiah W.Gibbs)的論文翻譯成德語,以《熱力學研究》為題結集出版。值得注意的是,盡管此前吉布斯的研究十分有價值,但卻沒有得到應有的重視。通過該書的發行,吉布斯在熱力學和化學方面的成就才為公眾所熟知。作為電化學學會主席,1896年奧斯特瓦爾德出版了一部長達1151頁的巨著--《電化學:它的歷史和概念》。在書中,他詳細闡述了這門學科的發展歷史和前景,有力地推動了電化學學科的發展?？傊?這些書籍的出版不僅有效傳播了萊比錫大學物理化學的研究成果和理論思想,還有力地拓展了萊比錫大學在物理化學界的聲譽和地位。

出版物的數量和質量展示著學術研究的豐碩成果,這是擴大學科影響力的基本途徑。除此以外,學科領導者在學科發展的成熟階段往往樂于成立或加入學術組織或參與社會現實事務的處理,從而進一步擴大學科在學術領域內外的影響力。1894年,在電子技術專家亞瑟·威爾克(Arthur Wilke)的建議下,奧斯特瓦爾德與他共同創立了德國電化學學會。1894年至1898年,奧斯特瓦爾德擔任了該學會的主席。1897-1898年,奧斯特瓦爾德與許多化學教授組織成立了實驗室主任協會,他成為該協會的第一任秘書。在1899年和1900年,奧斯特瓦爾德擔任德國化學學會副主席。1906年至1916年,奧斯特瓦爾德成為國際原子量測定委員會的成員。1909-1911年,奧斯特瓦爾德積極地參與了國際化學學會的籌建工作。1912年,他成為了國際化學協會的第一任主席。奧斯特瓦爾德領導的國際化學協會為無機和有機化學中化合物的命名、原子量、公式的標準、出版物的機構、出版物格式的標準等問題進行了規范。毫無疑問,學派領袖參與的這些活動都有力的擴大了學科的影響。

六、結語

作為萊比錫學派的核心領導者,奧斯特瓦爾德在學派發展壯大的過程中發揮了決定性的作用。奧斯特瓦爾德之所以能夠帶領萊比錫大學物理化學學科獲得長足的發展,與他的科學擔當和責任意識是分不開的。事實上,萊比錫大學物理化學學科在不同的時空曾經面臨著不同的發展困境,正是在奧斯特瓦爾德的帶領下通過各種方式克服困難才成功的將學科組建起來。此外,奧斯特瓦爾德有著堅定的科學信念,并在他的整個研究生涯中都表現出超常的勤奮和努力。他對科研有著發自肺腑的熱愛,能夠保持高度激情參與科研活動。同時,他又具有很強的科研原創能力。正是他的頑強奮斗精神賦予他獨特的性格和人格魅力,并在學科發展中變成對他人的感召力和團隊凝聚力。在奧斯特瓦爾德影響下形成的學術氛圍,一方面培養了后來者的學科自信,另一方面也賦予了他們攀登科研高峰的勇氣。在學科建設實踐中如果能夠參考歷史上發揮重要作用的大學學派領袖的學科治理實踐,必將對我國的學科發展產生有益的影響。