葉大年：拓界的科學

69歲的中科院院士葉大年2008年從全國政協常委、民盟中央常委等職務退下，全身心投入自己開創的“城市對稱分布規律”專項研究，專著《城市的對稱分布和中國城鎮化趨勢預測》隨即脫稿付梓。

“城市對稱分布規律”專項研究始于10多年前，很多省市邀請葉大年作“地理與對稱”專題演講，中央黨校《學習時報》整版刊登了他的《城市是上帝撒下的棋子》。葉大年說：“不想大家只聽一個新鮮熱鬧，對城市分布規律的認識能對中國城鎮化進程起到參考作用”。

從微觀、自然科學范疇的礦物學，到宏觀的、社會科學意味的“城市對稱分布規律”，這位“兩棲型”科學家成功的“拓界”科研實踐帶給社會的貢獻與啟發，顯然不局限于這兩個專業領域。

我國中長期的發展目標鎖定到2050年達到中等發達國家水平。這意味著城市化至少達到50％，未來幾十年中國城市人口要增加4億多，城鎮化如何究竟布局？理論依據何在？這觸發了葉大年對經濟地理分布規律的深入探索。

城鎮布局，抽象來說就是地圖上代表城市的圓圈的布局。葉大年發現這很像X射線結晶學的單晶倒易點陣相片，那么能否用結晶學的概念和方法研究城市化問題呢？對稱是結晶學的研究對象，是自己的老本行，葉大年想到用地圖表示經濟地理的對稱性。而當年德國氣象學家魏格納研究地圖時發現美洲東海岸與非洲西海岸的海岸線相似后提出“大陸漂移學說”，堅定了葉大年從地圖上發現“秘密”的信心。

用對稱的概念去審度地圖，他很快發現湖南和江西兩省以武漢－幕阜山－羅霄山一線為對稱軸，在地質條件上有很大的相似性，并造成自然地理上的相似性。其后他又拓展了傳統的軸對稱、中心對稱、旋轉對稱概念，形成包括平移對稱、曲軸對稱、斜對稱、色對稱、反對稱在內的廣義對稱概念，并一頭扎進地圖的海洋。他結合歷史上經濟社會的發展歷程，認真探究了數百幅不同比例尺的中國和世界地圖，挨個國家比對、逐個地區標畫，終于驚喜地發現地圖上一個區域內的城市分布很有規律！他進一步總結出數條對稱原理：區域經濟地理以標準對稱或色對稱為理想狀態，有利于政治的安定和經濟的持續發展；自然條件不對稱的區域不可能發展為標準對稱的經濟地理格局，只能發展為色對稱。

葉大年將結晶學里的對稱、等效點系、格子狀構造等概念引入城市地理學中，考慮到地質、地理和人文社會之間的關系，發現城市在地圖上的對稱分布特征表現為城市沿交通線近乎等距離分布，在一定范圍內呈格子狀分布，以一個城市為中心的周圍城鎮呈靶形分布。地質構造的格子“性質”導致江河溪流有方向性。人們依水而居，集鎮和城市就形成了，這就是城市格子狀分布的根本原因。中國東部大中城市的分布圖形呈現格子狀，就是二維平移對稱的體現。

葉大年在研究城市對稱分布時對鐵路特別關心。他分析了我國鐵路干線上城市的分布狀況，越是經濟發達地區，城市間平均距離越小。這樣比較另兩條南北大動脈京廣線和津廈線，京九線通車后就可以預見沿線會發展7至11個縣級市、出現一兩個100萬人以上的大城市。他進而預測這個未來的大城市是贛州，“因為其為中心直徑550公里范圍內沒有一個城市大于贛州，都不能抑制它發展”。

同比“贛州預測”，葉大年關于湖南懷化的發展預測更加讓人信服。他根據歷史判斷“大城市網絡的‘空洞’與新興城市的崛起密切相關”，又測算出中國大城市之間的平均距離是350公里。在中國大城市網絡中存在懷化、六盤水和延安等幾個“空洞”，他預言“這些城市遲早要像鄭州那樣發展成大城市，它們的今天就是鄭州的昨天。”他尤其青睞懷化獨具的區位優勢，判斷其早晚要成為五省通衢的中心城市，他撰寫的《懷化：發展中西部的一著重棋》，在《懷化日報》和《湖南日報》發表后反響極為強烈，報紙一時脫銷。這些關于湖北、貴州城市對稱分布及發展預測、豫南經濟帶的城市化趨勢等研究成果都引起高度重視。

1994年重慶成為直轄市，葉大年考慮重慶應該有通向出海口的最佳交通線，他經過調研得出結論，最佳路線是走懷化到廣州。他聯合重慶、貴州、湖南、廣東的政協委員和人大代表，提議修建渝懷鐵路，現在這條鐵路已經通車。

2004年，他從發展經濟和國防的角度，建議修建內蒙古臨河到新疆哈密的鐵路。提案前，他專門請教了北京大學明清史專家，查閱了清代魏源所著《圣武記》，清楚地了解康熙帝3次西征噶爾丹的路線。目前該鐵路的臨河至額濟納旗策克口岸一段已基本完工。

開創一個領域并有所突破，對科學家來說可謂夢寐以求。葉大年的成功并非幸運和偶然。在原來領域極高的造詣，這為他的拓界之路奠定了基礎。

葉大年祖籍廣東鶴山。其父葉勉之從中山大學土木工程系后就投身修筑鐵路、公路、機場的事業之中，襁褓中的葉大年隨父母離開了家鄉，輾轉于滇、川、桂，直到1946年在貴陽安頓下來。

在貴陽，葉大年就讀鐵路工程處辦的扶輪小學。他至今還記得老師不但講授車站、道岔、軌距、隧道、坡度等鐵道常識，還講詹天佑等科學家的故事。學生時期的葉大年成績名列前茅，并且對地理和數學產生了濃厚興趣，偏愛地圖和邏輯推理。他記得地理老師講“蘇聯的鋼城馬格尼托哥爾斯克和煤都卡拉干達兩個城市間是鐘擺式的運輸關系，中國的攀枝花和水城將來就是馬格尼托哥爾斯克和卡拉干達那樣”。“三線”建設時，攀枝花和六盤水的關系果然如老師所說的鐘擺式！

1958 年，葉大年考上北京地質學院（今中國地質大學）地質系。1962年，葉大年以優異成績考入中國科學院地質研究所（今中國科學院地質與地球物理研究所），師從我國巖石組構學第一人何作霖教授。葉大年把自己希望從事晶體光學性質與晶體結構之間關系研究的想法告訴導師，開明的何作霖同意他把“結構光性礦物學”作為主攻方向，還請北京地質學院礦物和巖石學專家彭志忠教授教葉大年晶體結構測定的方法。1964年，葉大年在《科學通報》上發表了論文《氧離子最緊密堆積構造與礦物折射率之間的定量關系》，表明“結構光性礦物學”是一個新的研究方向。何作霖頗為賞識，幫他修改論文的英文稿，并推薦到《中國科學》雜志發表。研究生畢業，葉大年留所以研究實習員的身份參加工作。

光性礦物學是地質學領域的一門技術性基礎課，內容是描述透明礦物在偏光顯微鏡下的特性，但其理論體系還是空白，葉大年決心要建立光性礦物學的理論體系。他首先從氧離子最緊密堆積結構入手。最緊密結構是一種極為重要的結構類型，許多晶體物理、結構化學和礦物學的名著都提到這類結構晶體有接近的折射率 1.7，但是并沒有更深入的分析。

1964年，葉大年揭示出氧離子最緊密堆積晶體的折射率是氧離子平均占有體積、四面體和八面體孔隙充填率、陽離子成分和陰離子聚合度等因素的線性函數，并給出這個函數關系的表達式，以此可精確計算所有氧離子最緊密結構晶體的折射率。他又從晶體結構和離子的電子構型兩個層次研究礦物光學性質與其內部結構之間的關系。他關于碳酸鹽光學異向性的研究，計算方法比諾貝爾獎獲得者布拉格的方法簡便得多。

葉大年1982年建立了光性異向指數和離子團極化率橢球半徑的概念，從而使礦物折射率異向性的理論計算大大簡化，且有很高的精確度。1986年，葉大年獲中科院自然科學二等獎，1987年出版了世界上第一部結構光性礦物學領域的專著《結構光性礦物學》，揭示出許多定性和定量的規律，將幾十個不同種礦物的光學性質用一個統一的公式定量地聯系起來，這在礦物學歷史上未嘗有過。我國地質研究部門直到上世紀70年代才逐步武裝X-射線照相機和衍射儀，X-射線粉末衍射法僅僅被作為鑒定物相的工具。葉大年認識到X-射線粉末法對地質礦產事業有重大作用，有必要推廣這種技術，最重要的是要告訴地質工作者該法能解決什么具體問題。他從最主要的造巖礦物斜長石、輝石、角閃石、石榴石和橄欖石入手，經過艱苦的努力于1975年發表了一張用衍射儀鑒定單斜輝石的圖表，解決了礦物學家多年沒有解決的難題。1987年，他和金成偉合著出版了《X射線粉末法及其在巖石學中的應用》，成為巖石學家重要的工具書。

1975年，葉大年參加中科院“富鐵礦會戰”，并擔任許昌隊變質巖分隊長，在河南尋找高品位變質鐵礦。他用變質相系的觀點編繪了河南變質相與變質帶圖，為找礦指明了方向。

一個偶然的機會，葉大年在大別山發現了3T型多硅白云母和C 類榴輝巖。當時“大陸板塊構造”學說很熱門，一直關注“板塊構造”的葉大年敏銳地認識到他的發現正是板塊間碰撞的證據，于是他撰文證明秦嶺——大別山是一條高壓變質帶，為秦嶺——大別山是華北板塊和揚子板塊的縫合帶提供了直接的巖石學證據，并論證了其在中國大地構造中的意義。文章引起很大反響，對后來的大別山超高壓變質作用的研究起了先導作用。

1976年唐山大地震后，葉大年被編入研究地震地質的隊伍，他從華北油田的巖心切片中發現玄武巖里有過冷卻條件下結晶的球體和骸晶，判定華北的新生代有海下的玄武巖噴發，該結論對地震地質和油田地質都有很高價值。

鑄石是玄武巖或輝綠巖經過熔化、澆鑄、結晶和退火工序生產的材料。葉大年組織了“鑄石研究組”，并解決了一系列有關鑄石學、陶瓷學和水泥的理論和技術問題。例如，適度過冷卻結晶的工藝路線、余硅指數的配料計算法、離心澆鑄管材過程中結晶溫度曲線的測定辦法以及結晶中心數目的測定等。1971年他主編了《鑄石》和《鑄石學研究》。正是葉大年等人的努力，使中國鑄石學的研究趕上了前蘇聯的水平，獲1978年全國科學大會獎。

葉大年常說：“我的進步，離不開錢偉長先生的指導。”錢偉長悉心教他如何發現問題、找科研方向。葉大年清楚地記得錢偉長叮囑他“作為科學家，發現問題是第一步，解決問題是告一段落，再發現新的問題，再研究。重要的是如何選擇適合自己研究的問題。”成為全國政協副主席的錢偉長還教導說：“不能光搞業務，要關心國家大事，發揮更大的作用。”

葉大年愛讀兵書。

兵書中的道理與科學研究是相通的。孫武子曰——駐軍必敗，這駐軍就是不知進攻方向、也不知退卻方向之軍。科研中常見彷徨者，不知應該在什么方向投入力量，也不知道往何處轉移研究方向，在原來的地方上死守，成為駐軍，結果一事無成。

葉大年注重研究成果的普及應用。上世紀70年代末，他受中國硅酸鹽學會委托向來自各地的陶瓷、水泥、玻璃、冶金、磨料等行業的技術人員授課，葉大年匯編了《硅酸鹽工學工程師常用相圖》，被學員贊為“諸葛亮的錦囊”。

上世紀80年代初，我國生產水泥需要大量沸石，水泥附加值不高，葉大年建議沸石礦源不應離鐵路太遠，只在鐵路貨站5公里以內找礦，結果在河北圍場縣四合永鎮、銀鎮、克拉溝等火車站附近發現了沸石礦。他根據所學，沒動用山地工程和鉆探就查清了沸石礦層的數目、厚度、延伸的走向，制定了開采方案。討論沸石礦開采方針，他認為諸如沸石之類的非金屬礦用國營的體制和機械化的開采方法是不經濟的，應該由農民手工開采，實踐證明他的意見正確。圍場成為世界上開采量最大的沸石礦，10萬人受益。

不迷信權威的批判精神是科學家的基本素質。我國地質學研究方法受牛頓哲學思想影響很深，例如都認為“相同的結果是相同的原因造成的”。但葉大年卻表示懷疑，并通過實驗證明了玄武巖巖漿在過冷卻條件下結晶和高壓下結晶有相同或相似的結果。

“一種規律的發現，其意義不僅在于能說明以往的實際，更在于能預測未知或被證明。我預測碳鈰鈉石晶體結構中兩組碳酸根的交角應為520，如果正確，結構光性礦物學就確是一門有用的學問，如果不對，我就是吹牛。”葉大年對自己的科研成果非常負責，在一次全國性的X－射線結晶學會議上他說。 兩周后，結構分析的結果與葉大年的預言完全一致！

葉大年治學嚴謹，指導研究生極其認真。他給第一個研究生選擇造巖礦物的難題。經過傾心輔導，使之成為文革后中科院地質所首個提前一年畢業的碩士。第二個研究生的選題更是國內從未研究的“顆粒的隨機堆積”問題，成果獲中國礦物巖石地球化學學會頒發的“侯德封獎”。

葉大年涉獵廣泛，并樂于與人溝通。他說：“能開闊思路，有助于產生新學術思想。”不但經常和朋友同事海闊天空，就連開政協會議，他也抓緊時間和各界精英暢談，每次“都是聲音啞了回家”。

研究領域幾經轉換，“拓界之旅”卻廣有建樹，甚至開拓出嶄新的領域。這源于葉大年做科研——“摔倒了，也要抓一把泥巴”、“撤退也不能丟盔卸甲”的信條。轉向應用研究，葉大年更加注重實實在在的經濟效益和社會效益的產生。當年研究變質鐵礦和沸石資源是急國家所需；研究顆粒的隨機堆積和堵漏材料為的是抗洪；現在研究的城市分布規律和城鎮化問題更源于我國加快城市化進程的需要。他研究城市分布規律，可謂“低投入高產出”，一沒助手，二少經費，主要的開銷就是買地圖和打電話，出差都很少。對一些科研部門盲目進口儀器設備，直到報廢處理也未出過像樣數據的現象，葉大年指出，科研項目動輒投入幾百上千萬，成果僅體現為專著或論文，平均每個字國家投入很多錢，最后得個“國際領先水平”虛名，不能不說是一種浪費！

（本文作者：祁勝利，男，1969年生，天津市人。畢業于北京科技大學，博士研究生學歷。中國“記者節”首倡者，在國內外60多家媒體發表各類文章數百篇）

葉大年簡歷

葉大年，廣東鶴山人，礦物學家。于1962年畢業于北京地質學院（今中國地質大學）巖石學和礦物學專業，同年考入中國科學院地質研究所當研究生，師從中國科學院學部委員何作霖教授攻讀晶體結構分析。從1966年起在中國科學院地質研究所（現今中國科學院地質與地球物理研究所），歷任研究實習員、副研究員、研究員、研究室副主任、主任，研究所學位委員會主任、所研究生部主任，中國礦物巖石地球化學學會副理事長。1991年當選中國科學院學部委員。他曾任第七、八、九、十屆全國政協委員，第八、九、十屆全國政協常務委員，曾任中國民主同盟中央常務委員和北京市民盟副主委。