本文改编自吉大物理1977级本科生、中国石油大学(华东)李世春教授发表于科学网博客的系列文章《我与余瑞璜先生的缘分1、2、3、4、5》,并经李世春教授本人审阅修订。
引子:星斗为钟,点群作引
1975年,在内蒙古秦长城脚下的大毛忽洞,我与同伴放牧夜马。没有电灯的旷野,北斗七星是我们的时钟与罗盘。彼时仰望星空,只是“观星”;当星斗成为指引生活的坐标,便成了《周易》所言的“观象”。这份源于乡土的朴素智慧,竟在四十年后,与一位科学大家的理论遥相呼应,构成了我与余瑞璜先生独特缘分的底色。
这份缘分,并非一见钟情,亦非他人牵线,而是历经漫长的柳暗花明与几度峰回路转。最终,一切的机缘都汇聚于“点群”二字。一个来自庄稼地的灵感,一个来自吉大课堂的启迪,共同为我打开了通往余先生“EET经验电子理论”的大门。
一、平行的十八年:乡土直觉与科学伟业的奇妙共振
缘分之初,是地理上的遥远,却充满了宿命般的公约数。
从1960年到1978年,我在大毛忽洞生活了整整18年。这18年,我练就了“会吃饭、会睡觉”的生存本事。每月十五元的助学金要精打细算,高粱米饭能让我吃得心满意足、睡得安稳踏实。更重要的是,在无垠的星空与四季轮转的庄稼地中,萌生了关于方向、周期与对称的最初直觉。魔方的五颜六色,与家乡夏天庄稼地的色彩变幻,在我心中有着某种深刻的关联。这是我后来称之为“第一点群灵感”的源头。
巧合的是,也正是在这18年间,远在吉林大学和草皮沟村的余瑞璜先生,正潜心原创他的“固体与分子经验电子理论”(Empirical Electron Theory, EET)。我们一南一北,一农一学,却在同一段时光里,各自打磨着未来交汇的基石。
1978年,我考入吉林大学物理系。此时,余先生正是系主任,我们近在咫尺。然而,本科四年,我专注于“潜龙勿用”的学业,未曾得见先生一面。1982年毕业后,我南下山东东营任教。本以为与余先生相隔千里,却意外发现物理教研室的戈革教授,竟是余先生早年在清华指导的研究生。通过戈革先生这条纽带,我们的“物理距离”反而被拉近了。
1985年,我重返吉大攻读硕士。这一次,我又与余先生比邻而居。虽仍未见到他本人,但他的声音却日日萦绕耳畔。他亲自指导的研究生们常来我的宿舍,谈论着EET及其背后的故事。说者无意,听者有心。更重要的是,在丁培柱老师的《群论》课上,我系统地学习了点群与空间群的数学语言。那门课的期末考试要求我们自己构造O群的乘法表,那次经历让我深刻把握了转动矩阵的本质。这门课,连同赵友昌老师的随和包容,几乎为我奠定了未来的一切,也让我获得了能贯通理论的“第二点群灵感”。
二、黄鹤楼上的惊鸿一瞥:一次会面,一颗种子
1988年,命运安排了我们的第一次,也是唯一一次会面。
那年,我赴武汉参加“第四届全国X射线衍射学术会议”。会上,经由吉大校友柳老师的热心引荐,我终于见到了仰慕已久的余瑞璜先生。柳老师不仅组织我们共游黄鹤楼,还在我负伤期间予我悉心照料。
在黄鹤楼上,晴川历历,芳草萋萋,我与先生亲切交谈,合影留念。然而,彼时我的研究重心仍在超塑性与ODF(晶粒取向分布函数),虽知EET之名,却尚未窥其堂奥。这次会面,如同一颗种子,悄然埋下,静待发芽。正如崔颢诗云:“昔人已乘黄鹤去,此地空余黄鹤楼。”先生的身影虽已远去,但那份因缘的种子,已在我的心中扎下了根。
三、点群顿悟:从程开甲的激发到EET的内核
真正的转折点发生在五年之后。1993年,我凭借超塑性研究获得了第一个国家自然科学基金项目。项目获批后,基金委的靳达申老师将我推荐给了程开甲先生。而这一切的“敲门砖”,竟是我1992年出版的《魔方及其应用》一书。靳老师在评审会上大谈书中“晶体学符号与魔方”的奇思妙想,为我的申请赢得了关键支持。
程先生的TFDC理论极大地激发了我对材料电子理论的兴趣,促使我开始认真审视余瑞璜先生的EET。站在EET的岔路口,我曾犹豫:是走向“价电子结构”的经验部分,还是走向“点群空间群”的严格部分?李白的诗句“孤帆远影碧空尽,唯见长江天际流”恰如我当时的心境。
最终,我的两个点群灵感合流,让我做出了抉择。我意识到,EET理论中看似“经验”的大厦,其根基却是严格、经典的晶体点群与空间群(230空间群)。张瑞林老师1993年出版的著作,用近四分之一的篇幅阐述点群与空间群,印证了我的判断:键络参数(等同键数目)的正确与否,完全由点群空间群裁决,毫无“经验”可言。这正是我的优势所在!
我将丁培柱老师群论课上学到的知识,与早年对自然对称性的感悟相结合,开发出基于230空间群的原子环境计算(AEC)程序。从此,EET对我而言不再是空中楼阁,而是一个可以精确操作、自洽验证的强大工具。我和余先生(EET)的缘分,真正是“转”出来的——山不转水转,水不转人转,人不转魔方转,魔方不转点群转。
四、薪火相传:EET作为科研与教学的支点
自2002年起,EET正式成为我科研与教学的核心。在我的指导下,本科生、硕士生、博士生纷纷以EET为框架,选择各自感兴趣的晶体或合金,完成毕业设计与学位论文。我为他们提供准确无误的EET键络参数,并编写了《EET袖珍讲义》,让他们能迅速掌握理论“套路”。
EET中的“经验”二字,恰恰为学生们预留了巨大的发挥空间,使其成为一个绝佳的教学工具。从2006年到2016年退休前的十年间,我每年约30%的教学工作量都源于此。余瑞璜先生的EET,不仅“养活”了一批像我这样的科研工作者,更“养活”了一代又一代的学生,助他们拿到学位,走向社会。这正体现了余先生作为科学“大家”的风范,其理论具有强大的生命力和传承性。
五、众里寻他:从城门璞玉到火眼金睛
如果说之前的缘分是“转”进了EET的大门,那么接下来的岁月,则是在这座理论城堡的门前,进行了一场长达十年的凝视与叩问。众里寻他千百度,蓦然回首,EET最耀眼的亮点,不在城堡深处,正高高悬挂在它的入口处——那就是余瑞璜先生定义的等同键数公式。
这个公式,如同卞和怀中的璞玉,镶嵌在EET城堡的门楣上。它的价值,不仅在于支撑EET理论本身,更在于它能“出圈”,作为一个独立的、强大的晶体学判据,用于检验和优化晶体结构数据。多年来,为学生们计算复杂晶体的等同键数,是我教学中的核心挑战,也是我反复琢磨这个公式的契机。
余先生的公式 Iα= IM×IS×IK,精妙地将空间群中原子占位的三个维度信息(化学式系数IM、配对配位数IS、占位相关性IK)融为一体,这正是他作为“第一流的结晶学学者”的卓越洞察。它严格界定:等同键数是化学键的属性,配位数是原子的属性。
理解越深,我发现的光芒越盛。一条由A、B两原子构成的键,其等同键数无论以A还是B为参照原子计算,结果必须自洽相等:Iα(A) = Iα(B)。这一看似简单的等式,正是从EET理论中淬炼出的晶体学自洽判据。
我利用自制的AEC程序,以此判据为“火眼金睛”,去审视文献中的晶体学数据。通过设定不同的键长允差(如0.05埃或0.005埃),它能敏锐地鉴别出实验数据实际拥有的有效数字位数,让那些将低精度数据修饰成高精度的“粗糙”结果无所遁形。这好比用齐天大圣的慧眼,看穿幻象,直抵本质。
更进一步,在原子坐标变量较少的情况下,这个公式本身就能为X射线衍射数据提供强大的约束,辅助优化原子坐标,减少对额外实验的依赖。它从一个理论构件,跃升为一个实用的晶体学工具。
回首发现这一亮点的历程,正是“山不转水转,水不转人转,人不转魔方转,魔方不转点群转”。我用了十多年自制的“点群探测器”(AEC),没有去探测城堡里的金银财宝(有价之宝),却在每次靠近城门时,都清晰地感应到门上那块“璞玉”的无价光芒。经过多年的打磨与验证,我确信,这就是余先生留给后学的无价之宝。
尾声:星火相传,光耀门楣
如今,我虽已退休,但与余瑞璜先生及其EET的缘分,仍在星火相传中延续。
回望来路,从大毛忽洞以北斗七星为钟,到吉大课堂以点群矩阵为引;从黄鹤楼上的惊鸿一瞥,到程开甲先生的关键激发;从深入EET大厦并以此滋养学子,到最后在它的门楣上辨认出那颗能照亮更广阔天地的明珠——这段跨越半个世纪的缘分,完美地连接了乡野的观象智慧与现代的科学理性。
余瑞璜先生的EET理论,如永恒的北斗,为探索者指引宏观方向。而他嵌在理论入口处的等同键数公式,则如一把精心锻造的钥匙,或一盏璀璨的门灯,不仅开启了理论之门,更照亮了门外那条通往精密晶体学实践的坚实道路。
这便是我与余瑞璜先生天长地久的缘分:始于仰望星斗的直觉,成于理解点群的智慧,终于发现门楣上光芒的喜悦。这份缘,关乎传承,更关乎在传承中看见那束独一无二的光,并将它传递给后来的人。
(这五篇缘分的故事虽已告一段落,但由等同键数公式所开启的、更专业也更具妙趣的科学探索之旅,或许,才刚刚开始。)
作者简介
李世春,1956年出生于山西浑源,1960年随家庭迁入内蒙包头固阳秦长城北的大毛忽洞村,在大毛忽洞生活了18年。1977年考入吉林大学物理系,1982年毕业后到东营华东石油学院物理教研室工作,遇见余瑞璜先生在清华大学时的研究生戈革教授。
1985年考回吉林大学物理系读硕士,跟随赵友昌老师研究超塑性,1993年获得第一个国家自然科学基金(研究超塑性),2000年用超塑性研究成功申请到清华大学的同等学力材料学博士学位,随后出版了《相界扩散溶解层:Zn-5Al合金的超塑性》。
1988年获吉林大学固体物理学硕士学位,同时自认为学好了丁培柱老师的群论课,然后回位于东营的石油大学工作,在1993年获得国家自然科学基金的同时,因为他的魔方研究,被基金委金属材料学科推荐给程开甲先生,在程开甲先生TFDC模型的启发下,开始关注余瑞璜先生的EET经验电子理论。
1993年晋升为副教授,1998年晋升为教授,关于程开甲先生的TFDC模型,发表了“超塑性的量子效应”、“TFDC相图”和“维加德定律的原子模型”(Physica B)。关于余瑞璜先生的EET,1999年发表了“晶体价键理论和晶体电子密度理论的沟通”(自然科学进展),随后开始深挖EET理论体系的第一亮点。2011年在Materials Science Forum发表关于EET的原子环境计算(AEC: A New Tool for EET, TFDC and Crystal Formula),首次提出余瑞璜先生的等同键数公式可以“出圈”,可以用来优化原子坐标,是优化晶体学数据的重要判据之一。他的AEC(Atomic Environment Calculation)计算程序覆盖230空间群,具有点群自洽验证,空间群自洽验证和EET等同键数公式自洽验证的三大特点,对复杂晶体,可以输出准确无误的EET键络参数(等同键数),他的AEC来自对魔方的研究。
他的起源于家乡大毛忽洞的数学爱好,巧妙地结合了丁培柱老师的群论课,发展为有一定影响的关于魔方的科研和教学成果,2001年他的魔方研究获得国家自然科学基金资助,先后出版了《魔方及其应用》(中国广播电视出版社)、《魔方的科学和计算机表现》(石油大学出版社)和《魔方里的科学和文化》(高等教育出版社),创立的课程《魔方和数学建模》被评为国家精品视频公开课,广受网友的欢迎。(他的科学网实名认证的博客,用户名就是大毛忽洞)
编校 | 周淼
排版 | 于跃
审核 | 侯博宇、杨景