莱比锡学派创立者奥斯特瓦尔德的学科治理实践探析

杨桂梅,刘玉杨

(河北大学 博物馆,河北 保定 071002)

弗里德里希·W.奥斯特瓦尔德(Friedrich W.Ostwald,1853-1932)是德国著名物理化学家,近代物理化学学科的奠基者,有“物理化学之父”的称誉。“莱比锡学派”是19世纪末奥斯特瓦尔德在莱比锡大学任教期间打造的一个著名的物理化学学派。在奥斯特瓦尔德的领导下,莱比锡学派成员依托莱比锡大学物理化学实验室,开展了一系列极具创新色彩的研究,不仅突破了传统的化学研究范式,奠定了莱比锡大学在世界物理化学研究中的核心地位,还培养了一大批卓越的物理化学人才。作为一位学科领导者,奥斯特瓦尔德的学科治理实践有着鲜明的特色。他的诸项举措是推动学科快速崛起的典型范例,对我国学科带头人进行学科治理有着较强的启示意义。

一、开辟物理化学的学科领域

物理化学是化学学科发展相对成熟之后引入物理学相关理论进一步探索化学反应而形成的新学科。在19世纪中叶以前,化学家往往又是物理学家。经过半个世纪的发展,原子学说愈发得到学界认同。1864年,元素周期表的出现把各种化学元素纳入系统框架,化学研究进入了系统化时代。当大部分化学家沉浸在分析、合成化学要素时,一些化学家的兴趣“开始从元素化合物的实体成分转移到它们彼此间的反应过程与方式、反应速度与动态平衡、热的影响以及溶液、结晶、电解等问题”的理论建构方面,尝试使用物理学的方法窥探化学物质的稳定性和变化。[1]19世纪下半叶,一些拥有数学和物理学基础的化学家开始尝试用物理实验或数学推演的方式解决化学研究中遇到的问题。奥斯特瓦尔德就是最早将数学应用于化学研究的学者之一。早在1879年,奥斯特瓦尔德就提出像硫化锌和氧化钙这样的化合物被不同的酸溶解的速率可以用来作为酸的相对亲和力的量度。奥斯特瓦尔德沿着这个方向进行了一系列名为“化学动力学”的研究。他进行了蔗糖在各种酸存在时的转化率实验,估计出酸的亲和力值。

奥斯特瓦尔德的伟大之处在于,尽管许多物理化学理论不是他提出,但他却是这些理论的整合者和弘扬者。1884年,在读完斯万特·A.阿累尼乌斯(Svante A.Arrhenius)的论文后,奥斯特瓦尔德欣喜若狂,“电解质化学理论”的伟大概念从乌帕拉的阿累尼乌斯的头脑中闪现到里加的奥斯特瓦尔德的头脑中。1886年,奥斯特瓦尔德接触到雅各布斯·H.范霍夫(Jacobus H.Van’t Hoff)的《化学动力学研究》一文。他又牢牢抓住范霍夫提出的电离概念,并将其应用到亲和力、化学平衡、质量作用等问题的研究中。奥斯特瓦尔德将阿累尼乌斯的渗透压和范霍夫的溶液渗透理论相结合,构建了电离理论的起点。[2]不久,奥斯特瓦尔德发现了稀释定律。这三种理论组合构成了物理化学研究理论的基础,也意味着奥斯特瓦尔德开创了一个全新的研究领域和范式。

科学在某一领域的探索往往在经历一段时间的快速成长之后进入发展的瓶颈期,它需要在这一领域的突破性成就或其他领域研究进展的辅助才能获得进一步的发展。因此,学科的科学研究在这时要么在该领域深入挖掘获得突破性成果引领学派继续发展,要么开始向周围领域扩展实现理论转型。19世纪80年代末,莱比锡学派的研究特色已经逐渐建立起来,但奥斯特瓦尔德意识到,他的“能量转换”没有触及物理和化学变化速度的问题。他的研究开始转入一个新的领域--催化作用。他重新捡起1883年就曾研究过的速率问题。接下来的几年时间里,在奥斯特瓦尔德的主导下莱比锡学派的研究转向了催化现象。催化研究开启了莱比锡学派新的发展历程,1890年,奥斯特瓦尔德首先提出了普遍接受的催化定义。随着催化研究的广泛开展,莱比锡大学的物理化学研究产出了诸多的研究成果,奥斯特瓦尔德也因催化作用研究获得1909年的诺贝尔化学奖。

二、组建物理化学实验室

初到莱比锡大学任教的奥斯特瓦尔德并没有得到校方过多优厚的待遇。他从古斯塔夫·H.魏德曼(Gustav H.Wiedemann)手里接管了位于莱比锡兄弟街34号的“第二化学实验室”。该实验室并非是一个纯粹的物理化学研究所,而是一个功能多样的培训机构。实验室分为“理化部”“分析部”和“药学部”三个部门。除了日常的化学教学工作,它还负责培训药剂师和中学教师。这座建筑由两个大小相同的侧翼组成,侧翼之间是中央楼梯。农业研究所和化学研究所正好平分了整栋大楼。这座老旧的建筑采光和通风都很差,炉子的加热很难调节,产生的灰尘对较好的仪器造成了很大的损害;在铺设地基时,没有采取任何防护措施来减轻震动对实验的影响,因此许多实验都难以进行。由于空间有限,他也无法使用更加精细的设备读取刻度。尽管设备条件有限,奥斯特瓦尔德还是开始了最初的教学和研究活动。

1887年,有两名学生进入实验室学习物理化学,到1888年只剩下1名学生。在奥斯特瓦尔德的苦心经营之下,这一趋势在第三年发生了转变。第三年进入实验室的学生增加到了13个。在接下来的几年中,随着奥斯特瓦尔德的影响力日益扩大,莱比锡学派名声初现,莱比锡大学迎来了越来越多的学生。为了容纳更多学生,奥斯特瓦尔德不得不在走廊和地下室安装了更多的长凳。1894年,奥斯特瓦尔德向学校申请新建一个实验室。他似乎没有遇到太多的阻力,莱比锡大学和撒克逊政府为了证明他们对这门新科学的重视以及对奥斯特瓦尔德贡献的赞赏,当年就批准了奥斯特瓦尔德的申请。他们为奥斯特瓦尔德建造了一个新的物理化学研究所,并配备最先进的实验设备。[3]1897年秋天,新的物理化学研究所建成。1898年1月,这座U型建筑改名为莱比锡大学物理化学研究所,并按照当时最新标准进行了装修,一楼有一个大工作室和设备室,二楼有两个报告厅,分别有140个座位和42个座位。阁楼上有一套地质收藏品,还有一间主任公寓,位于研究所大楼的中间,通过走廊与大楼的其他部分相连。

三、打造内聚性的学术团队

一个成功的学科不仅依赖于领导者在师生共同体中激励忠诚、社会内聚力和集体精神的能力,而且也依赖于培养学生尽早能够独立开展研究,树立学术理想。莱比锡大学物理化学学科的成功得益于奥斯特瓦尔德所打造的具有内聚性的学术团队。尽管许多优秀的物理化学研究者不在莱比锡大学,奥斯特瓦尔德也能很好得将他们组织起来。1884年,阿累尼乌斯完成了他的博士论文《电解质的导电性研究》。论文中他阐述了电离学说的雏形,却被答辩委员会给予了最低的“及格”成绩。委员会主席克利夫甚至认为论文是“荒唐的小学生”结论。[4]1884年,一个偶然的机会奥斯特瓦尔德接触到了当时还尚未出名的阿累尼乌斯的博士论文,并对这一论文产生了极大的兴趣。进一步的研究之后,他发现阿累尼乌斯创造了一种简单的测量酸碱强度的方法,并为研究物质亲和力提供了一种新的思路。当时正在里加工学院担任教授的奥斯特瓦尔德给阿累尼乌斯回信,热情的赞扬了他这一研究的价值。1884年8月,他特意前往瑞典乌普萨拉拜访了这位比自己小6岁的年轻人。此后,尽管阿累尼乌斯并未能与奥斯特瓦尔德在同一所大学任职,但由于阿累尼乌斯和奥斯特瓦尔德对物理化学研究有着共同兴趣和愿望,他与奥斯特瓦尔德一直保持着密切的联络。这一时期,奥斯特瓦尔德遇到的另一个重要的学派成员是范霍夫。1874年,范霍夫在乌特勒克大学完成学位论文,获博士学位并留校任教。1886年,奥斯特瓦尔德接触了范霍夫的论文《化学动力学研究》。仔细阅读后,奥斯特瓦尔德意识到这位荷兰有机化学家在化学热力学领域的研究已经远远走在他之前。在接下来的几个月里,他们之间开始频繁的通信。从奥斯特瓦尔德与范霍夫通信开始,在接下来的几年中,他们之间形成了一种超越国界的科学友谊。在奥斯特瓦尔德的邀请下,范霍夫担任了《物理化学杂志》的主编,也成为学派的核心成员之一。

此外,奥斯特瓦尔德还招募了许多颇有学术潜质的助手。奥斯特瓦尔德在莱比锡大学的实验室分为三个部分,为了合理的分配工作,他为每一部分各任命了一名助理。在物理化学方面,他任命了年轻的物理学家瓦尔特·能斯特(Walther Nernst)。对于化学初学者,奥斯特瓦尔德聘请了朱利叶斯·瓦格纳(Julius Wagner)担任教师。他为药剂师培训找到了恩斯特·O.贝克曼(Ernst O.Beckmann)。奥斯特瓦尔德在此后的研究生涯中又招收了许多其他的助手,其中包括西奥多·保罗(Theodor Paul)、马克斯·L.布朗(Max L.Blanc)、罗伯特·路德(Robert Luther)、乔治·布雷格(Georg Bredig)、马克斯·博登斯坦(Max Bodenstein)。在与奥斯特瓦尔德朝夕相处的过程中,这些助手深受奥斯特瓦尔德的影响纷纷加入物理化学的研究行列并取得不俗的成就。在与奥斯特瓦尔德的合作中,能斯特对电化学产生了浓厚的兴趣。1889年,能斯特将热力学原理应用到电池上,从热力学推导出电极电势与溶液浓度的关系式,即电化学中著名的能斯特方程。瓦格纳于1887-1897年间分担了分析化学的教学工作。他与奥斯特瓦尔德一起开发了分析化学新的教学方法,并为该课程设计了新的实验。1901年,他被任命为德国第一位化学教学教授。

四、开展系统性人才培养工作

在奥斯特瓦尔德入职之初,学校就分配给他大量的教学工作。他将原来在里加工学院教授的物理化学教学大纲进行了重组,在冬季学期讲授无机化学,在夏季学期讲授物理化学。凭借在里加的经验,他很快就组织了优秀的物理化学实践课程。为了上好这门课程,奥斯特瓦尔德特意编纂了《物理和化学测量手册和辅助工具》帮助学生掌握实验技能。奥斯特瓦尔德认为课程并不仅仅是旧知识的传递,一门好的课程还必须介绍目前科学进展以及需要解决的问题。因此,他对这本书的内容进行了多次扩充并再版,增添了许多学界最新进展,也正是因为奥斯特瓦尔德对待教学的认真,这本教科书得到了许多物理化学初学者的青睐。

奥斯特瓦尔德作为一名教师,他的成功和非凡的影响力体现在两个方面,一是在与学生的谈话中常常能迸发出新思想,二是他根据学生不同的个性来对待不同的学生,引导其从事研究活动。弗雷德里克·G.唐南(Frederick G. Donnan)在后来的回忆中写道,“奥斯特瓦尔德是一个新鲜思想和灵感不断迸发的源泉”。[5]范霍夫在1903年谈到奥斯特瓦尔德时说,奥斯特瓦尔德一旦知道或发现了什么东西,就会立刻产生一种强烈的分享欲,想要把它告诉别人。奥斯特瓦尔德非常喜欢与学生交谈,从不避讳这些想法是否成熟。如果学生在某些问题上有什么新的想法和意见,奥斯特瓦尔德都会全神贯注地与学生展开讨论。作为奥斯特瓦尔德的学生,他们往往能够在与其的交谈中获得新的灵感。他热情好客,目光敏锐,每天都会在实验室里巡视。为了了解每个人的实验室进度,奥斯特瓦尔德每周开一次名为“科学工作报告”的研讨会。这个研讨会不是研讨已经发表在文献上的科学研究,而是汇报并研究正在实验室进行的工作。每一项研究都需要经历不止一次的研讨,包括讨论研究方向、汇报进度、解决遇到的困难。奥斯特瓦尔德拥有非凡的记忆力和敏锐的洞察力,他知道每个人的实验及进度。在奥斯特瓦尔德的带领下,物理化学实验室中的“每个人都知道其他人在做什么,这里没有矫揉造作的神秘感,只有‘兄弟般的坦诚’”。[6]

在选题上,奥斯特瓦尔德鼓励学生选择自己感兴趣的课题,但是他发现学生们往往喜欢选择那些他们已经了如指掌的领域。因此,他特意又为高年级研究生增开了一门实践课程,在扩充视野的同时增加一些数学运算的学习,力图使学生“足够解决几乎所有的化学问题”。[7]之后,奥斯特瓦尔德加大了对学生选题的指导,希望他们能够选择一些具有挑战性的题目。通过指导学生开展研究,几乎所有在奥斯特瓦尔德实验室的学生都不同程度地受到他研究方法和研究思维的影响。例如卡尔·T.R.路德(Karl T.R.Luther)、格奥尔格·布雷迪格(Georg Bredig)和马克斯·E.A.博登斯坦(Max E.A.Bodenstein),尽管当时他们已经是科学界的知名人士,但还是在奥斯特瓦尔德的指导下进行了大部分的研究工作。随着时间的推移,学生们在奥斯特瓦尔德的启发和激励下获得了许多新颖的想法,并将这些想法投入到实际的科研工作中。尽管学生得到了奥斯特瓦尔德许多的帮助,但奥斯特瓦尔德总是允许学生以自己的名义发表他指导的实验。奥斯特瓦尔德完全没有要占据这些研究成果的贪婪之心。

五、致力于提升学派的学术影响力

早在奥斯特瓦尔德进入莱比锡大学之前,他就已经意识到物理化学是一个全新的领域,需要创办一本专门的期刊来拓展人们对这一领域的关注。1886年,奥斯特瓦尔德接受了莱比锡出版商的创刊邀请。1887年2月,《物理化学杂志》正式创刊,由奥斯特瓦尔德和范霍夫担任编辑。奥斯特瓦尔德给他的同领域的研究者写信希望他们能够支持新杂志的发行,并将最新研究成果放在期刊上发表。在奥斯特瓦尔德的组织之下,《物理化学杂志》的创刊号上刊登了物理化学研究中几篇重要的文章。进入莱比锡大学之后,奥斯特瓦尔德更是依托《物理化学杂志》,通过邀请担任编委的方式,将欧洲的许多化学家都团结在了自己的周围。如德国的奥古斯特·F.特曼(August F.Horstmann)、汉斯·H.朗道尔(Hans H.Landolt),英国的威廉·拉姆塞(William Ramsay),法国的拉乌尔和马赛兰·贝特罗(Marcellin Berthelot),斯堪的纳维亚地区的阿累尼乌斯、彼得·瓦格(Peter Waage)等许多杰出化学家都曾是《物理化学杂志》的编委。由此,这份学术刊物不仅具有了国际性的特点,而且通过这些优秀的学者,奥斯特瓦尔德把物理化学这一新领域也传播到了更远的地方。

奥斯特瓦尔德在莱比锡期间一直从事科研成果的编辑工作。尽管奥斯特瓦尔德在编辑《物理化学杂志》中承担了繁重的工作,他还是挤出时间不断的出版新书和发表论文。他在《物理化学杂志》以外的刊物上发表了大量的书籍评论和摘要。这些评论文章为他了解他人科研成果,不断更新前沿知识提供了巨大帮助。

1889年,他出版了《普通化学基本概论》一书。该书先后出版3次,被翻译成多国语言,产生了广泛的影响。在一段时期内,由于学生对过往的无机化学研究了解甚少,于是他编写了《无机化学的基本构造》一书,使无机化学这门被忽视的学科重新进入人们的研究视野。1889年,奥斯特瓦尔德出版了《普通化学纲要》一书。在书中,他将稀释定律和范霍夫与阿累尼乌斯的理论相结合,将物理化学的核心原理以一种所有化学家都能够理解的方式进行了阐述。该书大获成功,在接下来5年的时间里再版5次,被翻译成多国语言广为流传。1893年,奥斯特瓦尔德将他在物理化学领域工作近20年所学到的所有小技巧和窍门都融入一本叫做《物理化学测量手册和辅助工具》的书中。该书也被译为多国语言。1894年,在阿瑟·V.奥廷根(Arthur V.Oettingen)的建议下,奥斯特瓦尔德把约西亚·W.吉布斯(Josiah W.Gibbs)的论文翻译成德语,以《热力学研究》为题结集出版。值得注意的是,尽管此前吉布斯的研究十分有价值,但却没有得到应有的重视。通过该书的发行,吉布斯在热力学和化学方面的成就才为公众所熟知。作为电化学学会主席,1896年奥斯特瓦尔德出版了一部长达1151页的巨著--《电化学:它的历史和概念》。在书中,他详细阐述了这门学科的发展历史和前景,有力地推动了电化学学科的发展。总之,这些书籍的出版不仅有效传播了莱比锡大学物理化学的研究成果和理论思想,还有力地拓展了莱比锡大学在物理化学界的声誉和地位。

出版物的数量和质量展示着学术研究的丰硕成果,这是扩大学科影响力的基本途径。除此以外,学科领导者在学科发展的成熟阶段往往乐于成立或加入学术组织或参与社会现实事务的处理,从而进一步扩大学科在学术领域内外的影响力。1894年,在电子技术专家亚瑟·威尔克(Arthur Wilke)的建议下,奥斯特瓦尔德与他共同创立了德国电化学学会。1894年至1898年,奥斯特瓦尔德担任了该学会的主席。1897-1898年,奥斯特瓦尔德与许多化学教授组织成立了实验室主任协会,他成为该协会的第一任秘书。在1899年和1900年,奥斯特瓦尔德担任德国化学学会副主席。1906年至1916年,奥斯特瓦尔德成为国际原子量测定委员会的成员。1909-1911年,奥斯特瓦尔德积极地参与了国际化学学会的筹建工作。1912年,他成为了国际化学协会的第一任主席。奥斯特瓦尔德领导的国际化学协会为无机和有机化学中化合物的命名、原子量、公式的标准、出版物的机构、出版物格式的标准等问题进行了规范。毫无疑问,学派领袖参与的这些活动都有力的扩大了学科的影响。

六、结语

作为莱比锡学派的核心领导者,奥斯特瓦尔德在学派发展壮大的过程中发挥了决定性的作用。奥斯特瓦尔德之所以能够带领莱比锡大学物理化学学科获得长足的发展,与他的科学担当和责任意识是分不开的。事实上,莱比锡大学物理化学学科在不同的时空曾经面临着不同的发展困境,正是在奥斯特瓦尔德的带领下通过各种方式克服困难才成功的将学科组建起来。此外,奥斯特瓦尔德有着坚定的科学信念,并在他的整个研究生涯中都表现出超常的勤奋和努力。他对科研有着发自肺腑的热爱,能够保持高度激情参与科研活动。同时,他又具有很强的科研原创能力。正是他的顽强奋斗精神赋予他独特的性格和人格魅力,并在学科发展中变成对他人的感召力和团队凝聚力。在奥斯特瓦尔德影响下形成的学术氛围,一方面培养了后来者的学科自信,另一方面也赋予了他们攀登科研高峰的勇气。在学科建设实践中如果能够参考历史上发挥重要作用的大学学派领袖的学科治理实践,必将对我国的学科发展产生有益的影响。