催化理論大牛——William A Goddard III自傳

01-30

【寫在前面的話】本文已發表在微信公眾號：研之成理。歡迎大家關注這個公眾號。裡面有很多科研乾貨與文獻分享。

下面是文章正文：

William A. Goddard III 自傳

【牛人介紹】：William A. Goddard III目前是加州理工大學化學與化學工程學院的Charles and Mary Ferkel教授。他目前已經發表超過1200篇論文。他的研究領域是計算材料學，運用第一性原理計算材料性質。是材料計算領域中的大牛。他們組目前發明的ReaxFF可以運用分子動力學計算化學反應過程。

英文題目：Critical points and random events that shaped the early career of William A. Goddard III.

譯自：J. Phys. Chem. A 2000, 104, 2147 – 2150

譯者：何政達

我的祖父母們在1905-1912年搬到南加州的沙漠地帶---Imperical Valley。他們來自Arkansas（William Andrew Goddard I；他的爸爸Peter是一位浸禮會牧師，他的媽媽Lucy Minor Goddard的祖上可以追溯到獨立戰爭時期）； Colorado（Frances Thomas Goddard Whitsett; 她父親有一半的科曼奇族（Comanche）血統（【小科普：科曼奇族是北美印第安人的一支】）；Texas東部的Angelina小鎮（Lisa Austin Bright; 他的一位祖母是徹羅基（Cherokee）族人）；以及Coushataa, Louisiana （Lula Gray Bright）。他們的祖先分別來自於印第安人（北美土著），以及從1700-1840到美洲大陸的德國、荷蘭、英國、蘇格蘭以及愛爾蘭人。

我的父親（1912年，生於Holtville, California）在九年級就離開了學校（他的弟弟是家族中第一個完成高中學業的，但沒有進入大學）。我的母親（1918年，生於Calexico, California）從高中畢業，這也是她家族中唯一的一位。【之後在她50多歲的時候，兼職讀大學（與此同時在太平洋電話做晚班的全職工作）並取得了英文專業的本科學位。】

1937年3月29日，我出生在加州棒球球館後一個小房間里。那時我父親的工作是製作一些木頭盒子來幫助船運芹菜、蘿蔔、葡萄以及甜瓜。這樣，我們就必須每年在不同地方來回奔波（【小編註：文中列舉了一堆地名。。。】）。我們也曾經在Arizona州的Yuma居住過（這是我在拿到PhD之前去的最東邊的地方）；以及幾次搬到Coachella Vally。我們居住在房車之中，從一個停車場走到了另一個停車場。那時，我們僅僅擁有兩本書：一本聖經和一本Webster字典。但我媽媽在每周末會帶我去圖書館（主要捐助者為卡內基）借書，我那時非常喜歡心理學。

在1946年Jean Pangle（當時他是標準石油公司在El Centro的主管）給了我一本關於棒球統計的書，我很快就成為了計算分數與小數的專家（計算batting averages, slugging percentages, earned run averages, win-loss percentages等等棒球統計數據），但那時我連小數點是什麼都不知道。這也讓我在五年級之後，成為班上算數（arithmetic）最好的學生。我的父母從來沒有教導過我讀書的重要性，而我也是自由選擇自己喜歡的去學習（有時甚至遠超過當時的學習要求）。那時，California採取分班制（讓成績最好的在一個班、成績差的在另一個班），我總是在好班當中（儘管有時會被人說「一事無成」），但那些「fruit tramps」（我們那時這麼叫）總是被排到慢班當中【小知識：fruit tramps指的是在大蕭條當中來美國工作的外籍移民】。由於我的同學都來自於中產階級，因此我們計劃在高中時就開始學習大學預科【小編註：相當於今天的AP】。但是，我媽媽認為上大學是不切實際的想法，她更多的希望我去學一些實用性的課程。因此，每年我都開始學習一門職業培訓課。結果表明她的意見非常有用。當時我是一個非常好的測繪者（draftsman）。在高二的時候，Imperial Country Assersors office找到我的測繪老師（Guy Hatch），讓他推薦一個測繪員（他們自己的測繪員被派往參加朝鮮戰爭了），於是老師便推薦了我。因此在高二之後我實際上處於「半工半學」狀態。在假期中，我都是全職工作的。在高中畢業後我又在那裡全職工作了一年，直到我攢夠了足夠的錢去上大學。作為一個測繪人員，我需要閱讀官方文件並幫助評審員評估每塊地需要交多少稅。那時我可以手工在地圖上畫出那些細節性的信息（然而這些手藝在我的學生和秘書看來已經沒什麼大用了）。這份工作讓我存下了$2200，相當於今天的$8000--$12000。

回想起高中時光，我的英語老師（El Centro：Proudfoot與Gillette， Delano：Miller）與我的數學老師（El Centro：Hinshaw，Delano：de Fraga）對我產生了巨大影響。我還記得那令人憎恨（abomination）的物理老師以及愚蠢（stupid）的化學課【小編註：果然大牛的品位從小就不同^_^】。由於每天下課以及周六我都用工作，因此我的課外活動少得可憐，有的也只是在閑暇時候組織一下國際象棋俱樂部罷了。我高中時的好朋友Tom Foss和Paul Werve想成為工程師，我也有一樣的目標。我們一起研究摩托車和汽車，將引擎拆散並組裝回去以檢驗我們是否正確理解其結構。我們還培養了修理剎車（brakes）以及離合器（clutches）的本事。

在我高二的時候，我就開始收集各個大學的宣傳冊（brochures）。我發現如果要去Stanford那一年的學費是$750；如果要去Caltech那一年的學費為$600；但每年UCLA只要$92。因此我知道我會去UCLA，因為它最便宜。另外UCLA的招生條件要求不高（只要保證沒門功課在B以上，並在為工程師設計的專門考試上取得高分即可），因此這也表明我可以不用那麼刻苦的學習了。由於放學後我都要去工作，因此我會逃課去剪頭髮、買衣服或者買汽車與摩托車的零件。但這樣的無拘無束也帶來了致命後果：學校管理層處罰了我好幾次，並把我踢出了Scholastics Honor Society（【小編註：估計相當於我們的三好學生吧。】）。之後我聽高中老師說，在畢業之前的一周，我的6位老師被召集起來判斷我是否可以畢業，幸運的是，有四個老師都投了贊成票，因此我得以順利畢業。值得一提的是，我那frustrated的數學老師預測我將來會一事無成（只能做一些簡單勞動或者在公園中與別人賽棋）。

居住在農場鎮上的我最大的夢想就是搬到洛杉磯（LA）（當我到了LA後，我就再也沒有離開過）。那是UCLA的工程學剛剛起步，由於規模還不大，僅僅招了40位本科生。系主任Boelter認為未來工程學將會發生巨大變化，導致原來的工程學教育在10年後將不復存在。因此我們並沒有區分電氣工程師（electric engineer），機械工程師（mechanical engineer）以及化學工程師（chemical engineer），而是所有人都學相同的課程。我們有相同的電路分析課（在課上會分析各種電學、機械學以及聲學電路），相同的場論課（在課上學習Maxwell方程組和Navier-Stokes方程）。我們每個學期都有一門必修的實驗課，裡面涵蓋工程學的所有分支。當然這樣的課程設計模式在Boelter走後就轉變成了常規的模式。我唯一的化學課是在大一時選修的，但我極度不喜歡（因為上課時的重點就是記住各種有機化合物的名稱【小編註：大家可以看看英文有機化學的命名。。。】與各種金屬配合物的顏色）。課上唯一讓我感興趣的是原子結構。大二時的工程學課我們開始從原子層面研究材料（授課老師是Frankel），我對此也頗有興趣。由於我喜歡原子，因此我覺得我應該成為一個核工程師（nuclear engineer），因此我給六所學校寫信，並拿到了核工程學上的AES獎學金（fellowship）。MIT在那是應該是核工程領域最好的學校（他們提供了兩頁的課程選擇），而Caltech只提供兩門課，因此我決定去MIT。由於MIT的招生簡章中說明了他們希望申請者完成何種課程，因此我大學四年的選課基本是圍繞這個說明來進行的。那時，UCLA的工程系設在一個臨時大樓里，但學生們（他們有一個協會叫ESUC）自主開辦了一個休息室（lounge），提供咖啡、茶與甜甜圈（donuts）。裡面有許多大桌子可供討論，整個工程系的老師和學生在一天中會時不時來這裡喝喝咖啡，聊聊天。因此我們和老師有了很多的輕鬆交流機會。在大四的時候，我是ESUC的主席，因此這讓我擁有了更多和教授們交流的機會。

對我職業生涯影響最大的人應該是我的教授Paul Pietrokowsky。他曾在JPL（Caltech的噴氣動力實驗室）為Pol Duwez設計Ti合金。Pol未來成為了Caltech材料系的一位教授，Pietrokowsky也在1959年拿到了他的博士學位（博士導師就是Duwez）。在我大四的時候Pietrokowsky在UCLA是一位助理教授並教授一門材料學的專業課程。這門課太棒了！我們討論了Mathieu公式與能帶理論（band theory），半導體中的donor/acceptor缺陷，在高純度Si中的Chelikowsi生長，32個晶體學點群以及stereodiagram，常見的晶體結構，X射線衍射的湮滅準則（extinction rules），晶體管放大器（transistor amplifier）的原理，霍爾效應（Hall effect）以及熱電性質（thermogalvanic properties）。【小編註：翻譯到這裡已經按耐不住新中的激動了。。。好像參加這樣的課呀！】我記得很清楚，有一次作業是分析一個粉末的衍射圖樣。這個材料是Ti3Au，它的晶體結構具有A15的對稱性。

圖 1. 擁有A15對稱性的晶體結構（通式為A3B）

與此同時這個材料也是高溫超導材料。這份作業非常難，但幸運的是，我做對了。【下面小編給大家展示了Ti3Au的X-ray衍射圖案】：

圖 2.Ti3Au的兩種不同晶體結構以及它們的X射線衍射圖。（估計就是Goddard的作業）

在這門課中（1960年春季），Pietrokowsky告訴我們電子學（electronics）的未來是運用冶金學去製造集成電路，這些集成電路可以被用來製造放大器（amplifier）、電容器（capacitor）、感應器（inductor）以及電阻器（resistor）。這門課使我開始對材料學產生了濃厚的興趣。在這門課上的另一位同學Ron Lindh，也激發了同樣的興趣。之後他去了Caltech在Duwez手下讀博士，並拿到了Caltech的第一個材料科學博士。後來自己創辦了一家公司，現在是非常有影響力的Caltech校友（trustee）。

在成為UCLA本科生的前一個月，我在El Centro遇到了Amelia Yvonne Correy。那時她在縣（County）里工作，並申請了一筆來自Imperial County Credit Union（我正好在那裡做兼職）的貸款。因此，我在UCLA時的每個周末都去El Centro看Yvonne，有時也會去她媽媽在Rosarito沙灘的一個沙灘小屋。結果就是，我得了兩個B，以及花完了我全部的存款。由於我沒了存款，我申請了退學並在Douglas Aircraft Company找到了一份工具設計的職位（我的測繪經驗在我找工作時起到了很大的作用，媽媽，感謝你！）。在DAC，我開始設計更好的工具，目的是為了更好的製造navy 3D fighter（一款戰鬥機）以及雷神（Thor）導彈系統。Yvonne和我在1957年的10月結婚，接著我回到UCLA開始更加刻苦努力的學習（在DAC時，我應用手冊來計算梁的受力以及找到適合與目前項目的鋁合金。）。在我大三時，我們的第一個兒子（Bill IV）誕生了。Yvonne由於懷孕而被公司辭退，但我們有每周$40的補貼（在最差的時候，我們需要每周用$12來維持生計）。由於有了一個兒子，因此我有想法退學從而找份工作。我的一個朋友Irwin Maltz向他的導師Bussel（教我們電子線路的老師，在那門課上我是全班最好的學生）我可能會退學。Bussel開始聘請我作為他的助教，來改作業和為考試卷打分。我的工作是按小時來計費的，因此我必須要花費大量的時間來打分。但由於這份工作使得我可以堅持讀完大三。當時，由於蘇聯先發射了一枚人造衛星，因此美國開始為學習科學技術的學生提供助學貸款。但在當時UCLA只能分到這批貸款的很少一部分。因此在大四的時候，我只能依靠借來的錢以及我的TA工資勉強度過大學中的最後一年。

我同時申請了AEC核工程獎學金與NSF研究生獎學金。但當時我必須從兩者中選擇一個。兩個獎學金的數額是一樣的（都是$2400每年，因為我結婚了並有一個孩子），但Pietrokowsky建議我接受NSF的獎學金，從我未來決定讀材料科學而並非核物理來看，這是一個非常好的建議。在當時我只申請了MIT的核物理項目並被錄取了。在我大四的最後時光中，我發現只用NSF的獎學金不足以支持一個家庭和一個孩子。當然，NDEA助學金也是一個很好的資源，但是在UCLA這樣的助學金少得可憐，但我想在MIT這樣的資源應該會比較多。我在Atomics International（現在是Rockwell International）找到了一份研究工程師的工作。在那裡我的工作是為SNAP 10核能衛星設計傳熱裝置。我決定我將全職工作並利用剩餘時間兼職完成UCLA的碩士研究生項目，並為之後去MIT讀全職博士存錢。為了申請UCLA的碩士項目，我需要三位導師的推薦信。其中一位就是Pietrokowsky。儘管他是我遇到的最好的導師，但UCLA還是在一年之後辭退了他。他對工程學未來的想法在UCLA不被重視，他認為以後材料科學家如果不去做半導體行業，那麼將沒有任何出路。我去他家看他，他對我說如果我放棄NSF的獎學金那真是愚蠢至極。另外他說Caltech可能比較適合我，我向他解釋Caltech並沒有核工程，但他和我說在研究生院最重要的不是聽課（course-taking）而是做研究（research）。他還和我說在Caltech有許多助學基金而且對我來說申請這些資助很容易。一周之後我收到了Caltech的一份申請表格，這是Paul（Pietrokowsky教授的名字）安排的，幾周之後我提交了這份申請（現在想想好像是他設計讓我提交的），這大約是在八月底。一周之後我得到了接收函，接著我就請了一天的假去參觀Caltech。我發現我的經濟狀況可以被極大的改善：NSF的獎學金沒有覆蓋的地方我可以申請其他助學金，同時我也可以得到NDEA的全額助學金。我還和材料系的人交流了一下，並選擇師從Pol Duwez開始讀博士學位。

在這之後，Paul Pietrokowsky給了推薦了好幾本書：

?tPauling的《The Nature of Chemical Bond》

?tGriffith的《Transition Metal Ions》

?tZiman的《Electrons and Phonons》

?tWilson的《Theory of Metals》

?tKittel的《Solid State Physics》

?tWells的《Structural Inorganic Chemistry》

?tSmith的《Semiconductor Physics》

?tNye的《Symmetry and Tensors》

?t以及Seitz的《Modern Theory of Solids》

?t還有一本書是Hume-Rothery的。

他讓我在每學期上5門課的同時研讀這些書。這是一份很好的規劃，使我為未來的興趣（材料科學）奠定了堅實的理論基礎。工程科學系要求所有的學生在經典物理（classical physics），量子力學（quantum mechanics），以及高等數學（advanced mathematics）方面有堅實的基礎。我又選了很多與材料科學有關的課程以及其他在Caltech開辦的課程。尤其重要的是開課一學年的晶體結構（crystallography）（要知道在此之前，我唯一學的化學課就是在大一時學的Freshman Chemistry）。這門課由Jules Sturdivant主講。在課上我學會了空間群的概念（通過研讀Seitz的經典論文），並向Jules學習了許多他對晶體結構的洞見。此外，Rudolf Mossbauer（他在我作為研究生進入Caltech之後以博士後身份加入Caltech，並在獲得Nobel Prize之後的第二年被迅速提拔為教授（full professor））開設了一個持續5個學期的有關固體物理的課程，這門課幫助我填補了許多知識上的缺口。Paco Lagerstrom也開設了一門為期一學年的高級群論課，課上講授Lie群以及其他高級群論，對我來說最重要的知識應該是SU(n)群。

世界上第二台電子顯微探針儀在Duwez實驗室被Dave Wittry在1959年製造出來，而目前它已經被解體並搬到領一棟樓當中。我到了Duwez組的第一份工作就是讓這個自家生產的儀器重新工作。我完成了這個任務，但這台儀器並不總是聽話。而且在一到兩年之後，商用的掃描電子顯微鏡（SEM）也被製造出來了。在我第一年讀研究生的時候，我發現即使我有了NDEA和NSF兩個獎學金，這還是不足以維持我的正常生活。因為那時在我第一學年末我的女兒Suzy出生了。這個時候，Pietrokowsky被Autonetics僱傭。Autonetics希望他可以組建一個團隊將他的理想（用冶金學技術來製造集成電路）變成現實。每年夏天的時候我都會作為這個團隊的顧問加入進去（在這段時間我賺的錢是9個月NSF基金的1.35倍）。在Autonetics我設計並製造了一台設備用於：（1）測量Hall效應（2）在液氦溫度下測量高電阻率Si的導電性。整個項目進展的十分緩慢，原因是沒有實驗方面的專家可以指導我們。但在這三年的夏天中，我學到了許多有關材料科學與電子材料的相關知識。

在加州理工，Duwez允許我按照自己的研究興趣進行工作。Duwez組當時的任務是研發一個快速冷卻裝置。這個裝置使得他們可以觀察到很多無定形態（amorphous）的Ge和Si；簡單立方合金；無定型金屬以及許多亞穩態的結構。而我則苦惱於如何利用我學過的理論、概念來理解這些合金變化多端的結構和性質。那時，我是晶體結構方面的專家，但是在文獻中找到的解釋往往不能說明我身邊實驗中所得到的現象。因此我從中得到了啟發：我應該去更加深入的理解金屬合金中的成鍵作用。那時我認為計算機模擬是沒有任何意義的（因為其中有太多的假設）。當然現在我不再這麼想了。我感覺如果想得到真正意義上的理解，我必須從群論（group theory）和選擇定則（selection rules）出發。這種方法儘管不能用在粗糙的晶體結構（gross crystal structure）中，但它可能可以用來解釋反鐵磁性（antiferromagnetic）。我當時知道對於金紅石結構（XO2）有許多都是反鐵磁性的，但它們展現出不同的模式；也有另一部分（例如VO2）表現出一大類扭曲的晶體結構。我發現我可以使用Heisenberg的交換哈密頓量並加上交換算符對時間的變分這種方法來解釋這些現象。接下來我就很想計算出來這些交換算符，但是很快就意識到要從第一性原理出發得到結論是非常困難的。當然，那時我並不知道我需要的那套理論其實在量子力學中已經十分成熟了。我知道有一些氟氧化物當中有三個金屬原子具有強相互作用，但與周圍的原子作用很弱。因此我想可以嘗試著去確定以下它們的自旋耦合狀態。那時我糾結在如何讓波函數既滿足合理的自旋本徵態又滿足Pauli不相容原理。由於我是群論方面的專家，精通對稱群以及SU(2)，因此我可以設計出一個群算符來幫助我完成這件事請。然而，我逐步意識到這種方法只能討論一維情況。從這，我認識到如果將這個群算符乘以自旋-軌道，我可以發明一種方法來確定軌道的最優形狀（這種方法現在被成為GI方法），這種方法我認為應該會讓我們對於成鍵本質有更深入的理解。理論推導的過程十分艱難。在那時我聽說過Hartree-Fock理論但是對它的細節還不是很了解。當時我認為對於H2以及CH4來說最適合的分子軌道是可以同時滿足以下條件的：（1）軌道在各個原子上都有分量（2）滿足Pauli不相容原理（3）滿足自旋狀態（4）滿足空間對稱性。在我四年的學習生涯中，我並沒有去學習如何編寫程序。我的四年NSF資助也告一段落了。

在NSF資助停止的前6個月，我開始寫畢業論文總結這四年的研究成果。三周後我有了初稿，但是Duwez認為在工程科學系沒有人能看得懂我的論文（實際上，Milton Plesset，一位核工程專家，也在我的答辯委員會中，但是他從來沒有閱讀到我對Moller-Plesset理論（MPn方法的基礎）的討論以及其與GI方法之間的關係）。結果，一位物理系的教授和兩位化學系的教授（Sunney Chan and Russ Pitzer）加入了我的答辯委員會。在給他們我的論文前我並沒有與他們有任何接觸。PhD的答辯十分順利。Chan教授有充分理由抱怨我的寫作水平，的確有點爛。在接下來的兩周中我拚命修改論文以滿足Chan教授的要求。在這期間他問我我未來的打算是什麼。我知道當NSF的資助停止時，Duwez教授可以資助我一段時間，讓我把論文中的內容寫成文章並發表。我自己認為當時我可能會在航空航天或者電氣工業中當一名實驗員。儘管我有妻子和兩個孩子需要扶養，但在當時我並沒有去申請任何一份工作！在這個時候，我真的很想去學習編程並將我的理論用於真實的分子中，但我並不寄希望於這件事能幫我找到工作。那是我還不知道研究理論能成為一個全天性的工作。Chan問我是否願意加入化學系（作為Noyes Fellow，非終身制的講師），我同意了他的建議，在1964年11月1日正式上崗。

在第一個月中我學會了如何編寫Fortran II程序。我的學習方法是：找Pitzer借了許多代碼並一行一行的讀，在此基礎上進行學習理解。並且在此基礎上解決了H2的分子軌道隨H-H間距的變化。從模擬中可以看到，分子軌道在H-H鍵遠離時的確局域化到了每個原子上，並且分解過程也十分合理。在第二個月我開始研究有關Li原子的問題，當時在預測Li原子自旋密度方面學術界有強烈的興趣。Hartree-Fock方法得到的結果很糟糕，運用自旋非限制Hartree-Fock方程可以得到結果質量的極大提高。在當時有人預測，如果可以在自旋投影之後進行軌道優化，那麼可以得到更好的答案。GI方法的確做到了這一條，並且證明了這個想法的正確性。接下來的9個月中我開始將程序逐步完善並做成通用版，並開始寫三篇文章。再一次，Chan在如何進行有效寫作方面對我給予了很大的幫助，Pitzer則讓我使用他的計算機程序（Cambridge Polyatomic Integrals Code）。在經過與審稿人的博弈之後，這些文章終於發表了。與此同時我也拿到了Caltech、Harvard以及MIT的終身教職。儘管那是Harvard是做理論的絕佳地點，但Chan建議我還是留在Caltech（毋容置疑這是一個正確的選擇）。

在一波又一波有著極高天賦的研究生們的幫助下（同時還有博士後與本科生們），我們得以發展新的方法並將它們用於不同的問題當中。在這個過程中，我對化學的理解不斷加深，我意識到目前它已經成為我的摯愛之一（當然還有Yvonne）。這的確是一個偉大的國家（美國），可以使得一個貧窮的鄉下少年得到機會並逐步成長為以理解材料如何工作為樂的專業學者。

【小編提問】：

William A. Goddard的成長經歷對你有什麼啟發？

請在下面的回復欄中分享你的想法，我們期待與你交流！