核磁共振研究的历史.doc

核磁共振研究的历史刘志军（中科院自然科学史研究所，北京 100190；忻州师范学院物电系，山西 034000）摘要：本文选取不论是对于众多学科的基础理论方面，还是在人类的生产、生活方面都有重大贡献的核磁共振研究作为典型案例进行研究，清晰地呈现出了核磁共振研究鲜明的阶段性特征，以及由这一典型案例所揭示出的基础研究与应用研究之间动态变化着的、复杂的互动关系。最后通过分析和总结，得出了这一典型案例对我国的科技发展和科技创新的一些启示。关键词：核磁共振；诺贝尔奖；基础理论；应用研究中图分类号：04091二战结束之前核磁共振实验的发展1.1核磁共振研究的开端，这个时期主要以物理学的纯基础理论研究为特征自从十九世纪末，二十世纪初人类对于微观世界的科学探究真正起步后，不论是在实验还是在理论方面都在不断取得突破和进展。正如麻省理工学院物理系电子研究实验室的丹尼尔克莱普纳（Daniel Kleppner）所说，二十世纪初那些深刻改变了我们的世界观的，物理学天才们的思想和成就，主要是建立在当时重要的物理实验发现之上的1。可以说，物理实验是物理基础理论创新和发展的主要源泉和基础。核磁共振研究是从斯特恩（Otto Stern）的分子束实验开始的。斯特恩（Otto Stern）1888年2月17日出生于德国的索劳（Sorau）。1912年，他从德国的布雷斯劳大学（University of Breslau）获得物理化学博士学位后，作为爱因斯坦的助手，追随爱因斯坦，先后到过布拉格大学和苏黎世大学任教。1914他开始在法兰克福大学工作，职务是理论物理学的无薪教师（Privatdocent），服兵役归来后，1919年斯特恩在法兰克福大学开始和玻恩一起工作，玻恩时任该校理论物理系主任。就在这一年，斯特恩观察到，注入高真空室内的原子或分子沿直线运动，形成一束粒子流，在某些方面类似于光束。使斯特恩成名的实验工作就是由此发展起来的。1919年，斯特恩对银原子束首次应用了这一方法，以检验1850年前后气体中分子速率的理论计算结果。1920年，斯特恩在他的助手彼得勒特斯和盖拉赫的帮助下，用实验事实无可辩驳地说明了在外加非均匀磁场的作用下，原子的空间取向是量子化的，这就是非常著名的斯特恩盖拉赫实验。空间量子化的概念是索末菲1916 年为了描述氢原子在外磁场和外电场作用下的行为而引入量子理论的。空间量子化可以满意地描述正常塞曼效应（Zeeman effect）和斯塔克效应（Stark effect），对于解释X射线谱线和说明氦谱问题也起过重要作用。然而在斯特恩盖拉赫实验之前，一直没有人能够以实验证实空间量子化这一客观事实的存在。这一实验不仅支持了玻尔的定态轨道原子理论，并且也为“电子自旋”概念的提出提供了实验基础，大大促进了分子束（原子束）实验方法的发展。斯特恩也因为发展了分子束的方法以及发现了质子磁矩这两方面的重要贡献而获得了1943年的诺贝尔物理学奖2。包括斯特恩盖拉赫实验在内的一系列物理理论及实验成就的取得并没有功利和实用性的技术创新的目标因素在其中。从斯特恩实验研究的资金来源方面，也有力的佐证了这一点。当时正值第一次世界大战刚刚结束，玻恩所主持的物理系资金异常紧张。从1920 年1 月始，玻恩连续面向公众做了多次有偿的关于爱因斯坦广义相对论的报告，从中得到了约七千马克的收入3。有了这笔资金作保证，斯特恩的实验才得以正常进行。美国著名科学史家和科学哲学家库恩在1962年对于斯特恩的访谈4，印证了斯特恩当年的科学研究的出发点完全是基于对于物质世界的本质进行探究的好奇心的，很显然他没有也不可能预见到核磁共振实验对于当今人类生产和生活的巨大影响。1.2核磁共振实验研究在美国的发展，核磁共振开始向应用研究发展1927年6月，申请到哥伦比亚大学赴欧留学奖学金的拉比（Isidor Isaac Rabi）携妻子海伦踏上了赴欧求学之路。当时，斯特恩已成为了汉堡大学的物理化学教授和实验室主任，并且创建了颇有影响的分子束实验室。见到斯特恩后，拉比将自己对于分子束实验的一个改进思想告诉给了斯特恩，斯特恩立即建议拉比在他的分子束实验室里将这一想法付诸实践。拉比在均匀磁场中完成了他的第一个分子束实验。1929年回到美国后，在哈罗德尤里（Harold Urey）的帮助下，拉比在哥伦比亚大学创建了分子束实验室。5从此，原本专攻理论物理的拉比开始了他一系列成就非凡的核磁共振实验研究。1944年，拉比由于发明了精确测定了一些核磁属性的方法而获得了诺贝尔物理学奖。到这个时候，世界上仍没有将核磁共振实验技术转向应用研究发展的端倪出现。在二战之前，美国政府对科技活动的支持仅限于个别领域，对全国科技如何发展，政府并没有形成全面影响的指导政策。基础研究是以民间支持自由发展为主，政府的功能主要体现在立法上。在宪法中规定了要保护发明人的权益。1790年制定了保护专利的第一部法律。1802年成立了联邦专利局。1862年林肯政府通过了土地赠与法案(TheLandGrantAct)，宽泛地鼓励对教育和研究事业的支持。总的来说，二战前美国基本谈不上什么系统的科技政策，政府主要是对农业部门进行适度的支持6。而哥伦比亚大学是一所私立的常春藤盟校，所以拉比的赴欧留学是一种在当时的政策大环境下的个人行为。1963年12月库恩对他进行访谈时，拉比回忆说，他认为在他去欧洲之前，美国本土并没有几个真正懂量子力学的物理学家，他到欧洲学习的主要志向就是要改变美国物理学落后的现状的9。在得到在美国访问的海森堡的推荐，回到哥伦比亚大学当讲师后，拉比能建立分子束实验室在很大程度上得益于尤里（Harold Urey，一个1934年获得诺贝尔奖的化学家）的慷慨捐助。尤里将自己7600美元的诺贝尔奖金的一半给了资金遇到困难的拉比，他对别人说：“那个人（拉比）将会获得诺贝尔奖”7。2二战结束之后核磁共振实验技术的发展2.1核磁共振开始真正进入实用技术领域接下来对核磁共振研究的理论和实验作出卓越贡献的物理学家是布洛赫（Felix Bloch）和珀塞尔（Edward Mills Purcell）。与拉比一样，珀塞尔成长于美国本土，作为交换生，1934年珀塞尔到德国卡尔斯鲁厄理工学院（Technische Hochschule, Karlsruhe）跟随光谱学教授卫泽尔（Walter Witzel）学习了一年。回国后，1938年在哈佛获得了博士学位。布洛赫出生于瑞士的一个犹太人家庭，1928年，在莱比锡师从海森堡获得了理论物理学的博士学位。1933年，迫于形势，移居美国接受了斯坦福大学的一个教职。二战是美国科技政策的一个重要转折点。二战期间，美国政府向麻省理工学院的辐射实验室（Radiation Laboratory）注入资金，罗斯福总统任命万尼瓦尔布什为这一实验室的领导人，率领一大批物理学家从事军事研发的工作，这其中就包括拉比、布洛赫和珀塞尔。这一实验室无疑对美国在战后物理学的研究和发展影响深远，意义重大。也正是这一时期与拉比等物理学家的合作和交往为布洛赫和珀塞尔在核磁共振领域的研究和贡献打下了坚实的基础。1945年二战刚一结束，分别回到斯坦福和哈佛的布洛赫和珀塞尔就同时用新的方法，在精确测定物质的核磁属性方面取得了突破和进展8，并因此而共同荣获了1952年诺贝尔物理学奖。要强调的是，他们的核磁共振研究并没有政府行为的影响，而且研究所需的经费也不是从政府或是有利益诉求的投资方来取得的。布洛赫回忆说，当他们想在斯坦福建造一台回旋加速器和购置一些设备时，首先碰到的就是资金来源问题，他们甚至没有得到校方的任何支持和帮助，而最终是从洛克菲勒基金会（Rockefeller Foundation）获取到了资助，而洛克菲勒基金会的宗旨是为了“促进全人类的安康”而进行无偿援助的。并且当时基金会的管理人员也完全清楚布洛赫他们是以纯基础科学研究为目的的9。那么同样，当时他们从事核磁共振研究的资金也主要是自筹为主。1946年7月，帮助军方研究微波雷达的拉塞尔瓦里安（Russell Varian）也回到了斯坦福，作为物理学教授汉森的实验助手，他却敏锐地意识到了核磁共振技术在化学分析领域的广泛应用前景，捕捉到了其商机所在。虽然布洛赫和汉森对此并不以为然，可瓦里安还是促使他们俩人在1948年共同取得了这一技术的专利权。同年4月，瓦里安兄弟俩共同创建了以核磁共振技术应用为目的的瓦里安公司。就在布洛赫和珀塞尔获奖的1952年，瓦里安公司研制出了世界上第一台商用核磁共振波谱测定仪（Varian HR-30），同年9月，这台仪器在德州贝城市的一家石油公司（Humble Oil company）里投入使用。在诺贝尔颁奖宴会演说（Banquet Speech）中，珀塞尔表达了对和他共同研究这一课题的一些国内及国际同行的感激，介绍了他们的一些重要研究成果。并由衷赞赏了科学家同行们在共同研究问题时，互相之间毫无保留的无私精神10。这也从一个侧面反映了当时布洛赫及其他科学家的研究在主观上是排除技术创新或是任何商业动机在外的。2.2核磁共振技术创新、发展和应用的全面繁荣上世纪五十年代，核磁共振在理论上也不断取得突破和创新，比如在分析和解释弛豫现象方面，先后有1953年布洛赫提出的布洛赫方程(Bloch equations)，1955年所罗门提出的所罗门方程（Solomon equations），和1957年雷德菲尔德理论（Redfield theory）等11。从第一台商用核磁共振波谱测定仪诞生之后起，核磁共振技术就迅速向应用技术领域不断取得突破和进展。而这些进展则几乎都和一些科技公司或是技术创新的诉求相联系，已不再像早期发展的那样，主要是以基础科学研究为目的了。1962年，世界上第一台超导磁体的核磁共振波谱测定仪在瓦里安公司诞生。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术来测定物质结构的新方法，将傅立叶变换方法真正引入到了核磁共振技术中，相对于化学界所使用的传统光谱学方法，这一创新数十甚至数百倍的提高了物质结构测定的敏感度。1966年到1968年间，为了用傅立叶变换方法处理大量的数据，计算机引入到了核磁共振的数据处理和程序控制当中。1970年，世界上第一台用于商业化目的的超导磁体傅立叶变换核磁共振波谱测定仪在德国的布鲁克公司（Bruker Company）正式生产。1971年美国科学家雷蒙德达马迪安（Raymond Damadian）在实验鼠体内发现了肿瘤和正常组织之间核磁共振信号有明显的差别，从而揭示了核磁共振技术在医学领域应用的可能性。1973年保罗劳特布尔（Paul C Lauterbur）和彼得曼斯菲尔德（Peter Mansfield）分别独立地发表文章，来阐述核磁共振成像的原理1213。他们都认为用线性梯度场来获取核磁共振的空间分辨率是一种有效的解决方案，因而为核磁共振成像奠定了坚实的理论基础。就在同一年，世界上第一幅二维核磁共振图像产生。1974年，劳特布尔获得活鼠的核磁共振图像。1976年曼斯菲尔德获得世界上第一幅人体断层像。从此，核磁共振成像技术（MRI）向医学临床应用和其他更广泛的领域迅速扩展，引发了众多学科的基础研究和技术发展和应用的深刻变革。二十世纪八十年代，在约翰芬恩（John B Fenn）、田中耕一（Koichi Tanaka）和科特维特里希（Kurt Wthrich）等科学家的共同努力下，又成功地解决了生物大分子的核磁共振波谱测量技术，这对于生物学和医学基础理论的研究都有不可估量的重要意义14。例如，他们的成果几乎立即就对生物制药领域产生了深刻的影响，特别是在上世纪九十年代对艾滋病药物的研制有突出的贡献。他们也因此而荣获了2002年诺贝尔化学奖。到目前为止，核磁共振技术的发展仍然方兴未艾。该技术在物理学的量子信息处理方面，在化学领域的分子结构测试及有机合成反应等方面，在心理学及精神卫生方面，在生物和食品制造加工方面，在煤层勘探和油气测量方面，在测井技术方面，在木材加工和处理方面，在造纸技术方面等等众多领域基础理论的研究和突破以及应用等方面都有着非常重要的贡献和潜在的技术创新前景。3结语核磁共振研究的发展历程告诉我们，这一科学研究在不同的发展阶段是呈现出不同的鲜明特点的。正因为其在基础研究和应用研究两方面形成了良好的双向互动关系，所以在近百年来，核磁共振研究才在人类的众多研究、生产和生活领域中作出了卓越的贡献。有统计表明，在诺贝尔自然科学奖中，属于重大科学发现和重大理论突破而获奖的比例平均在80%左右15。因此，很显然诺贝尔自然科学奖的大部分是属于基础研究的。换言之，一个国家在某个时期内所获的诺贝尔自然科学奖的数量基本可以代表这个国家在那个时期的基础科学的研究水平。到目前为止，有关于核磁共振技术而颁发的十项诺贝尔自然科学奖中，有六项的主要贡献是美国的科学家所做出的，因而核磁共振研究从一个侧面反映和代表了美国在基础研究领域的世界领先地位，体现出了美国的基础科学研究和科技创新之间非常密切的关联度和良性互动关系。这些情况都充分表明，基础研究和应用研究并重对一个国家的科技发展至关重要，只有在它们同时坚实而稳定发展的基础上，形成良好的双向互动关系，才能真正为一个国家的科学、技术、经济、文化等各方面的发展提供持久强劲的推动力。参考文献1 Daniel Kleppner.A short history of atmoic physics in the twentieth centuryJ. 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