細數核磁共振NMR的歷史和那些重要貢獻者

　　【摘要】本文選取不論是對于眾多學科的基礎理論方面，還是在人類的生產、生活方面都有重大貢獻的核磁共振研究作為典型案例進行研究，清晰地呈現出了核磁共振研究鮮明的階段性特征，以及由這一典型案例所揭示出的基礎研究與應用研究之間動態變化著的、復雜的互動關系。最后通過分析和總結，得出了這一典型案例對我國的科技發展和科技創新的一些啟示。

　　關鍵詞：核磁共振；諾貝爾獎；基礎理論；應用研究

　　中圖分類號：04－09

　　1二戰結束之前核磁共振實驗的發展

　　1.1核磁共振研究的開端，這個時期主要以物理學的純基礎理論研究為特征

　　自從十九世紀末，二十世紀初人類對于微觀世界的科學探究真正起步后，不論是在實驗還是在理論方面都在不斷取得突破和進展。正如麻省理工學院物理系電子研究實驗室的丹尼爾·克萊普納（Daniel Kleppner）所說，二十世紀初那些深刻改變了我們的世界觀的，物理學天才們的思想和成就，主要是建立在當時重要的物理實驗發現之上的[1]。可以說，物理實驗是物理基礎理論創新和發展的主要源泉和基礎。

　　核磁共振研究是從斯特恩（Otto Stern）的分子束實驗開始的。

斯特恩（Otto Stern）

斯特恩－蓋拉赫實驗

　　斯特恩（Otto Stern）1888年2月17日出生于德國的索勞（Sorau）。1912年，他從德國的布雷斯勞大學（University of Breslau）獲得物理化學博士學位后，作為愛因斯坦的助手，追隨愛因斯坦，先后到過布拉格大學和蘇黎世大學任教。1914他開始在法蘭克福大學工作，職務是理論物理學的無薪教師（Privatdocent），服兵役歸來后，1919年斯特恩在法蘭克福大學開始和玻恩一起工作，玻恩時任該校理論物理系主任。就在這一年，斯特恩觀察到，注入高真空室內的原子或分子沿直線運動，形成一束粒子流，在某些方面類似于光束。使斯特恩成名的實驗工作就是由此發展起來的。1919年，斯特恩對銀原子束首次應用了這一方法，以檢驗1850年前后氣體中分子速率的理論計算結果。1920年，斯特恩在他的助手彼得·勒特斯和蓋拉赫的幫助下，用實驗事實無可辯駁地說明了在外加非均勻磁場的作用下，原子的空間取向是量子化的，這就是非常著名的斯特恩－蓋拉赫實驗。空間量子化的概念是索末菲1916 年為了描述氫原子在外磁場和外電場作用下的行為而引入量子理論的。空間量子化可以滿意地描述正常塞曼效應（Zeeman effect）和斯塔克效應（Stark effect），對于解釋X射線譜線和說明氦譜問題也起過重要作用。然而在斯特恩－蓋拉赫實驗之前，一直沒有人能夠以實驗證實空間量子化這一客觀事實的存在。這一實驗不僅支持了玻爾的定態軌道原子理論，并且也為“電子自旋”概念的提出提供了實驗基礎，大大促進了分子束（原子束）實驗方法的發展。

　　斯特恩也因為發展了分子束的方法以及發現了質子磁矩這兩方面的重要貢獻而獲得了1943年的諾貝爾物理學獎[2]。

　　包括斯特恩－蓋拉赫實驗在內的一系列物理理論及實驗成就的取得并沒有功利和實用性的技術創新的目標因素在其中。從斯特恩實驗研究的資金來源方面，也有力的佐證了這一點。當時正值第一次世界大戰剛剛結束，玻恩所主持的物理系資金異常緊張。從1920 年1 月始，玻恩連續面向公眾做了多次有償的關于愛因斯坦廣義相對論的報告，從中得到了約七千馬克的收入[3]。有了這筆資金作保證，斯特恩的實驗才得以正常進行。

　　美國著名科學史家和科學哲學家庫恩在1962年對于斯特恩的訪談[4]，印證了斯特恩當年的科學研究的出發點完全是基于對于物質世界的本質進行探究的好奇心的，很顯然他沒有也不可能預見到核磁共振實驗對于當今人類生產和生活的巨大影響。

　　1.2核磁共振實驗研究在美國的發展，核磁共振開始向應用研究發展

　　1927年6月，申請到哥倫比亞大學赴歐留學獎學金的拉比（Isidor Isaac Rabi）攜妻子海倫踏上了赴歐求學之路。當時，斯特恩已成為了漢堡大學的物理化學教授和實驗室主任，并且創建了頗有影響的分子束實驗室。見到斯特恩后，拉比將自己對于分子束實驗的一個改進思想告訴給了斯特恩，斯特恩立即建議拉比在他的分子束實驗室里將這一想法付諸實踐。拉比在均勻磁場中完成了他的第一個分子束實驗。1929年回到美國后，在哈羅德·尤里（Harold Urey）的幫助下，拉比在哥倫比亞大學創建了分子束實驗室。[5]從此，原本專攻理論物理的拉比開始了他一系列成就非凡的核磁共振實驗研究。

　　1944年，拉比由于發明了精確測定了一些核磁屬性的方法而獲得了諾貝爾物理學獎。

拉比（Isidor Isaac Rabi）

　　到這個時候，世界上仍沒有將核磁共振實驗技術轉向應用研究發展的端倪出現。

　　在二戰之前，美國政府對科技活動的支持僅限于個別領域，對全國科技如何發展，政府并沒有形成全面影響的指導政策。基礎研究是以民間支持自由發展為主，政府的功能主要體現在立法上。在憲法中規定了要保護發明人的權益。 1790 年制定了保護ZL的第一部法律。1802 年成立了聯邦ZL局。 1862 年林肯政府通過了《土地贈與法案》 (The Land Grant Act) ，寬泛地鼓勵對教育和研究事業的支持。總的來說，二戰前美國基本談不上什么系統的科技政策，政府主要是對農業部門進行適度的支持[6]。而哥倫比亞大學是一所私立的常春藤盟校，所以拉比的赴歐留學是一種在當時的政策大環境下的個人行為。1963年12月庫恩對他進行訪談時，拉比回憶說，他認為在他去歐洲之前，美國本土并沒有幾個真正懂量子力學的物理學家，他到歐洲學習的主要志向就是要改變美國物理學落后的現狀的[9]。在得到在美國訪問的海森堡的推薦，回到哥倫比亞大學當講師后，拉比能建立分子束實驗室在很大程度上得益于尤里（Harold Urey，一個1934年獲得諾貝爾獎的化學家）的慷慨捐助。尤里將自己7600美元的諾貝爾獎金的一半給了資金遇到困難的拉比，他對別人說：“那個人（拉比）將會獲得諾貝爾獎”[7]。

　　2二戰結束之后核磁共振實驗技術的發展

　　2.1核磁共振開始真正進入實用技術領域

　　接下來對核磁共振研究的理論和實驗作出卓越貢獻的物理學家是布洛赫（Felix Bloch）和珀塞爾（Edward Mills Purcell）。

布洛赫（Felix Bloch）和珀塞爾（Edward Mills Purcell）

　　與拉比一樣，珀塞爾成長于美國本土，作為交換生，1934年珀塞爾到德國卡爾斯魯厄理工學院（Technische Hochschule, Karlsruhe）跟隨光譜學教授衛澤爾（Walter Witzel）學習了一年。回國后，1938年在哈佛獲得了博士學位。布洛赫出生于瑞士的一個猶太人家庭，1928年，在萊比錫師從海森堡獲得了理論物理學的博士學位。1933年，迫于形勢，移居美國接受了斯坦福大學的一個教職。

　　二戰是美國科技政策的一個重要轉折點。

　　二戰期間，美國政府向麻省理工學院的輻射實驗室（Radiation Laboratory）注入資金，羅斯福總統任命萬尼瓦爾·布什為這一實驗室的領導人，率領一大批物理學家從事軍事研發的工作，這其中就包括拉比、布洛赫和珀塞爾。這一實驗室無疑對美國在戰后物理學的研究和發展影響深遠，意義重大。也正是這一時期與拉比等物理學家的合作和交往為布洛赫和珀塞爾在核磁共振領域的研究和貢獻打下了堅實的基礎。1945年二戰剛一結束，分別回到斯坦福和哈佛的布洛赫和珀塞爾就同時用新的方法，在精確測定物質的核磁屬性方面取得了突破和進展[8]，并因此而共同榮獲了1952年諾貝爾物理學獎。

　　要強調的是，他們的核磁共振研究并沒有政府行為的影響，而且研究所需的經費也不是從政府或是有利益訴求的投資方來取得的。

　　布洛赫回憶說，當他們想在斯坦福建造一臺回旋加速器和購置一些設備時，首先碰到的就是資金來源問題，他們甚至沒有得到校方的任何支持和幫助，而最終是從洛克菲勒基金會（Rockefeller Foundation）獲取到了資助，而洛克菲勒基金會的宗旨是為了“促進全人類的安康”而進行無償援助的。并且當時基金會的管理人員也完全清楚布洛赫他們是以純基礎科學研究為目的的[9]。那么同樣，當時他們從事核磁共振研究的資金也主要是自籌為主。

　　1946年7月，幫助軍方研究微波雷達的拉塞爾·瓦里安（Russell Varian）也回到了斯坦福，作為物理學教授漢森的實驗助手，他卻敏銳地意識到了核磁共振技術在化學分析領域的廣泛應用前景，捕捉到了其商機所在。雖然布洛赫和漢森對此并不以為然，可瓦里安還是促使他們倆人在1948年共同取得了這一技術的ZL權。同年4月，瓦里安兄弟倆共同創建了以核磁共振技術應用為目的的瓦里安公司。

拉塞爾·瓦里安（Russell Varian）

　　就在布洛赫和珀塞爾獲獎的1952年，瓦里安公司研制出了世界上第一臺商用核磁共振波譜測定儀（Varian HR-30），同年9月，這臺儀器在德州貝城市的一家石油公司（Humble Oil company）里投入使用。

　　在諾貝爾頒獎宴會演說（Banquet Speech）中，珀塞爾表達了對和他共同研究這一課題的一些國內及國際同行的感激，介紹了他們的一些重要研究成果。并由衷贊賞了科學家同行們在共同研究問題時，互相之間毫無保留的無私精神[10]。這也從一個側面反映了當時布洛赫及其他科學家的研究在主觀上是排除技術創新或是任何商業動機在外的。

　　2.2核磁共振技術創新、發展和應用的全面繁榮

　　上世紀五十年代，核磁共振在理論上也不斷取得突破和創新，比如在分析和解釋弛豫現象方面，先后有1953年布洛赫提出的布洛赫方程(Bloch equations)，1955年所羅門提出的所羅門方程（Solomon equations），和1957年雷德菲爾德理論（Redfield theory）等[11]。

　　從第一臺商用核磁共振波譜測定儀誕生之后起，核磁共振技術就迅速向應用技術領域不斷取得突破和進展。而這些進展則幾乎都和一些科技公司或是技術創新的訴求相聯系，已不再像早期發展的那樣，主要是以基礎科學研究為目的了。

　　1962年，世界上第一臺超導磁體的核磁共振波譜測定儀在瓦里安公司誕生。

　　1965年，在瓦里安公司工作的恩斯特（Richard R Ernst）提出了利用核磁共振技術來測定物質結構的新方法，將傅立葉變換方法真正引入到了核磁共振技術中，相對于化學界所使用的傳統光譜學方法，這一創新數十甚至數百倍的提高了物質結構測定的敏感度。

　　1966年到1968年間，為了用傅立葉變換方法處理大量的數據，計算機引入到了核磁共振的數據處理和程序控制當中。

　　1970年，世界上第一臺用于商業化目的的超導磁體傅立葉變換核磁共振波譜測定儀在德國的布魯克公司（Bruker Company）正式生產。

　　1971年美國科學家雷蒙德·達馬迪安（Raymond Damadian）在實驗鼠體內發現了腫瘤和正常組織之間核磁共振信號有明顯的差別，從而揭示了核磁共振技術在醫學領域應用的可能性。

　　1973年保羅·勞特布爾（Paul C Lauterbur）和彼得·曼斯菲爾德（Peter Mansfield）分別獨立地發表文章，來闡述核磁共振成像的原理[12][13]。他們都認為用線性梯度場來獲取核磁共振的空間分辨率是一種有效的解決方案，因而為核磁共振成像奠定了堅實的理論基礎。就在同一年，世界上第一幅二維核磁共振圖像產生。

　　1974年，勞特布爾獲得活鼠的核磁共振圖像。

　　1976年曼斯菲爾德獲得世界上第一幅人體斷層像。

　　從此，核磁共振成像技術（MRI）向醫學臨床應用和其他更廣泛的領域迅速擴展，引發了眾多學科的基礎研究和技術發展和應用的深刻變革。

　　二十世紀八十年代，在約翰·芬恩（John B Fenn）、田中耕一（Koichi Tanaka）和科特·維特里希（Kurt Wüthrich）等科學家的共同努力下，又成功地解決了生物大分子的核磁共振波譜測量技術，這對于生物學和醫學基礎理論的研究都有不可估量的重要意義[14]。例如，他們的成果幾乎立即就對生物制藥領域產生了深刻的影響，特別是在上世紀九十年代對艾滋病藥物的研制有突出的貢獻。他們也因此而榮獲了2002年諾貝爾化學獎。

　　到目前為止，核磁共振技術的發展仍然方興未艾。該技術在物理學的量子信息處理方面，在化學領域的分子結構測試及有機合成反應等方面，在心理學及精神衛生方面，在生物和食品制造加工方面，在煤層勘探和油氣測量方面，在測井技術方面，在木材加工和處理方面，在造紙技術方面等等眾多領域基礎理論的研究和突破以及應用等方面都有著非常重要的貢獻和潛在的技術創新前景。

　　3結語

　　核磁共振研究的發展歷程告訴我們，這一科學研究在不同的發展階段是呈現出不同的鮮明特點的。正因為其在基礎研究和應用研究兩方面形成了良好的雙向互動關系，所以在近百年來，核磁共振研究才在人類的眾多研究、生產和生活領域中作出了卓越的貢獻。

　　有統計表明，在諾貝爾自然科學獎中，屬于重大科學發現和重大理論突破而獲獎的比例平均在80%左右[15]。因此，很顯然諾貝爾自然科學獎的大部分是屬于基礎研究的。換言之，一個國家在某個時期內所獲的諾貝爾自然科學獎的數量基本可以代表這個國家在那個時期的基礎科學的研究水平。到目前為止，有關于核磁共振技術而頒發的十項諾貝爾自然科學獎中，有六項的主要貢獻是美國的科學家所做出的，因而核磁共振研究從一個側面反映和代表了美國在基礎研究領域的世界領先地位，體現出了美國的基礎科學研究和科技創新之間非常密切的關聯度和良性互動關系。這些情況都充分表明，基礎研究和應用研究并重對一個國家的科技發展至關重要，只有在它們同時堅實而穩定發展的基礎上，形成良好的雙向互動關系，才能真正為一個國家的科學、技術、經濟、文化等各方面的發展提供持久強勁的推動力。

作者：劉志軍 （中科院自然科學史研究所，北京 100190；忻州師范學院物電系，山西 034000）

　　[參考文獻]

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　　[5]Thomas S. Kuhn. Oral History Transcript -Dr. I. I. Rabi [J/OL](1963-12-08) [2010-10-15].American Institute of Physics.http://www.aip.org/history/ohilist/4836.html

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　　The Development and Enlightenment of Nuclear Magnetic Resonance

　　Liu Zhijun

　　(The Institute for the History of Natural Science,Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190)

　　（Department of Physics and Electronics,Xinzhou Teacher’s University,Shanxi Xinzhou 034000,China)

　　Abstract: It is well known that the development of NMR has made great contributions not only to the basic theories of many disciplines but also to the production and people’s livelihood.It clearly revealed the characteristics of stage on the development of NMR, as well as the dynamic and complicated interaction between the basic science and the applied technology to select the development of NMR as a typical case in this thesis. Finally through the analysis and summary，It puts forward some insight in this thesis for the purpose of progress and innovation in science and technology in our country.

　　Key words:nuclear magnetic resonance(NMR)； Nobel Prize； basic theory；applied research