諾貝爾獎：看似“高冷”，實則“親民”

諾貝爾獎的3個自然科學(xué)獎項偏重基礎(chǔ)研究，似乎離普通人的日常生活距離甚遠，但事實并非如此。諾貝爾獎得主的研究拓展了人類知識的邊界，不僅激勵人們探索未知，還演化出了許多今天習(xí)以為常的技術(shù)、發(fā)展了大量更有效的研究方法。這些技術(shù)和方法，早已經(jīng)成了人類日常生活的一部分。

諾貝爾獎的3個自然科學(xué)獎項偏重基礎(chǔ)研究，似乎離普通人的日常生活距離甚遠，但事實并非如此。諾貝爾獎得主的研究拓展了人類知識的邊界，不僅激勵人們探索未知，還演化出了許多今天習(xí)以為常的技術(shù)、發(fā)展了大量更有效的研究方法。這些技術(shù)和方法，早已經(jīng)成了人類日常生活的一部分。

1895年，阿爾弗雷德·諾貝爾最后一次修改了遺囑：“請將我的財產(chǎn)變作基金，每年用這個基金的利息作為獎金，獎勵那些在前一年為人類作出卓越貢獻的人?！?/p>

當他宣讀這份遺囑時，可能不會預(yù)想到今天諾貝爾獎的重要地位。這位因發(fā)明和改進安全炸藥而獲得巨大財富的瑞典化學(xué)家，以世界上最負盛名的科學(xué)獎而青史留名。

現(xiàn)在，每年十月，全世界的目光都會聚焦在科學(xué)上——諾貝爾獎揭曉儀式陸續(xù)進行。這個一年一度聽起來“高大上”的全球科學(xué)盛宴似乎離人們的生活很遙遠。

但實際上，在過去的一百多年中，諾貝爾獎幾乎采摘了物理、化學(xué)和生理學(xué)與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域所有最優(yōu)秀的果實，并且讓科學(xué)之樹越來越茂盛，那些無與倫比的研究成果帶來的無可估量的科技力量早已滲入人們的生活。

“摘取諾貝爾獎的任何科學(xué)發(fā)現(xiàn)都不應(yīng)束之高閣，而應(yīng)普惠大眾。”——1998年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎得主路易斯·J·伊格納羅曾這樣說道。那么，諾貝爾獲獎?wù)叩难芯砍晒疾卦谏畹哪男┓矫婺兀?/p>

今年諾獎的奧妙

就在2016年諾貝爾三大自然科學(xué)獎陸續(xù)公布之后，10月14日至15日，來自9個國家的6支隊伍在法國圖盧茲展開角逐，試著在一場獨特的賽車中勝出。這是法國國家科學(xué)研究中心舉辦的納米車大獎賽，旨在選出跑得最快的分子車。這些車只由幾百個原子構(gòu)成，在接近四十個小時的賽程中，大約只能跑一兩百納米的距離——差不多也就是一個血紅細胞的直徑大小。

這是一個有趣的巧合，今年的諾貝爾化學(xué)獎恰恰頒給了分子機器領(lǐng)域的研究。獲獎的3位化學(xué)家分別是法國斯特拉斯堡大學(xué)的讓-皮埃爾·索瓦日、美國西北大學(xué)的J·弗雷澤·斯托達特以及荷蘭格羅寧根大學(xué)的伯納德·L·費林加，他們使用分子構(gòu)建出了能按照指定方式輸出能量的微小化合物。這些人工合成的分子模仿了自然界經(jīng)過億萬年演化出的同類——生物體內(nèi)各種組織與器官的內(nèi)外運動。生命的所有過程，在微觀上都是靠這些精巧的小小機械來完成的。

雖然早在20世紀50年代，諾貝爾物理學(xué)獎得主理查德·費曼就發(fā)表過關(guān)于這類微小機械的設(shè)想，但直到20世紀90年代，才有研究者找到了控制特定分子的方法。這幾乎就像從科幻小說里走出來的技術(shù)：我們可以制造小到看不見的機器。當有了更多更充分的研究，當我們足夠熟練時，也許可以制造出比血紅細胞還小的復(fù)雜機械，它們將可以完成復(fù)雜任務(wù)，如在細胞和病毒的尺度上治愈疾病、逐個分子地改善環(huán)境，或者運送特定的分子前往特定區(qū)域。

這些分子級別的微小世界自有迷人之處。人們身體的細胞中，有一種清除廢物并循環(huán)利用的“自噬”機制，就像是一個個微小的垃圾回收處理廠。這些回收站能找到并吞噬細胞內(nèi)產(chǎn)生的廢物，再把它們重新變成構(gòu)建細胞的原料或養(yǎng)料。人們在20世紀60年代就知道了這種回收機制的存在，但不知道它是如何進行的。20世紀90年代，日本科學(xué)家大隅良典用面包酵母做原料，找到了與自噬作用有關(guān)的關(guān)鍵基因，并且逐漸探明了自噬的過程和原理，幫助人類理解了自噬作用。這種機制讓人們可以從嶄新的角度來理解一些生理過程，例如我們對饑餓或感染的反應(yīng)。而且，因為自噬基因突變會導(dǎo)致一些特定疾病，因此對這些疾病的治療也有了新的理論基礎(chǔ)。大隅良典獲得了今年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎，以此表彰他在這個領(lǐng)域的出色工作。

瑞典皇家科學(xué)院10月4日將2016年諾貝爾物理學(xué)獎授予戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨，他們因采用先進的數(shù)學(xué)方法研究了物質(zhì)的特殊狀態(tài)而獲獎。他們將數(shù)學(xué)領(lǐng)域中的“拓撲”概念引入物理學(xué)研究，并且以此提出了超導(dǎo)體和超流體的新理論模型。超導(dǎo)體完全沒有電阻，而超流體完全沒有摩擦力——它們是許多領(lǐng)域夢寐以求的完美材料，但是傳統(tǒng)上只有在很苛刻的條件下才能獲得。今年諾貝爾獎得主的工作讓人們以新的角度審視物質(zhì)的奇異結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，為電子學(xué)和超導(dǎo)領(lǐng)域打開了一扇新的大門，甚至可能會帶來更強大的量子計算機，解決今天電子計算機難以解決的問題。

“拓撲相變”聽起來“高大上”，但實際上很“接地氣”。用上了拓撲絕緣材料，未來你的手機可能不再發(fā)燙。拓撲絕緣材料是一種邊界上導(dǎo)電，體內(nèi)絕緣體的新型量子材料。導(dǎo)電的邊界態(tài)由于獨特的物理特性，在導(dǎo)電過程中不會發(fā)熱。南京大學(xué)物理學(xué)院教授張海軍表示，如果能將拓撲絕緣體材料制成手機芯片，那么就有希望解決手機在長時間充電或連續(xù)使用時間過長后變得發(fā)燙的問題。

家用電力也和拓撲材料息息相關(guān)。張海軍舉例說，每個家庭中使用的電力，最開始從發(fā)電廠輸出時其實電壓遠不止220伏特，發(fā)電廠發(fā)出的其實是高壓電。但較大一部分電流在通過電線輸送到千家萬戶的過程中都會產(chǎn)生損耗。如果能將電線改造升級，使用超導(dǎo)材料或拓撲絕緣材料，那么便有希望大幅度降低電流“在路上”的損耗。

普惠大眾的諾獎成果

華燈初上，夜未央。當你沉醉于城市多彩的夜色中時，可曾想過這五顏六色的霓虹燈是怎么來的？不同于熒光燈、白熾燈、水銀燈等弧光燈，霓虹燈是靠充入玻璃管內(nèi)的低壓惰性氣體，在高壓電場下冷陰極輝光放電而發(fā)光。

霓虹燈是英國化學(xué)家拉姆賽在一次實驗中偶然發(fā)現(xiàn)的。那是1898年6月的一個夜晚，拉姆賽和助手正在實驗室里進行實驗，目的是檢查一種稀有氣體是否導(dǎo)電。他把一種稀有氣體注入真空玻璃管，然后把封閉在真空玻璃管中的兩個金屬電極連接在高壓電源上，觀察這種氣體能否導(dǎo)電。

突然，意外發(fā)生了：注入真空管的稀有氣體不但開始導(dǎo)電，而且還發(fā)出了極其美麗的紅光。這種神奇的紅光使拉姆賽和他的助手驚喜不已，他們打開了霓虹世界的大門。

1904年，拉姆賽因發(fā)現(xiàn)6種惰性氣體，并確定它們在元素周期表中的位置獲得諾貝爾化學(xué)獎。霓虹燈只是惰性氣體的一個簡單應(yīng)用，卻實現(xiàn)了如此美麗的效果。

帶給人們多樣色彩的還有各式各樣的塑料制品。從兒童玩具到儀器容器，從電腦外殼到汽車部件，從牙刷牙缸到飛機零件，塑料制品在人們的生活中隨處可見，給人們的生活帶來方便。

1953年，德國科學(xué)家施陶丁格因?qū)Ω叻肿踊瘜W(xué)的研究獲得諾貝爾化學(xué)獎；1963年，意大利科學(xué)家納塔、德國科學(xué)家齊格勒因合成高分子塑料而共同獲得諾貝爾化學(xué)獎。

你正在用的電腦也離不開諾貝爾獲獎?wù)叩募夹g(shù)發(fā)明。

當人們在電腦上存儲信息時，往往需要一塊硬盤。傳統(tǒng)機械式硬盤的核心是一塊高速旋轉(zhuǎn)的光滑金屬圓盤，有一個僅僅離盤面幾微米的精細磁頭讀取和寫入數(shù)據(jù)：磁化一小塊區(qū)域，或者讓一小塊區(qū)域消磁，就可以記錄1和0這樣的數(shù)據(jù)，從而長時間存儲內(nèi)容。而根據(jù)通過磁頭的電流強度變化，就可以讀出數(shù)據(jù)。1956年，IBM公司生產(chǎn)的世界上第一塊硬盤是個冰箱般的龐然大物，卻只能存儲非常少的數(shù)據(jù)。今天我們的硬盤之所以可以達到這么大的存儲容量，則要歸功于德國和法國的兩位物理學(xué)家——他們在1988年發(fā)現(xiàn)了巨磁阻效應(yīng)，讓硬盤可以大幅提高存儲密度。這兩位物理學(xué)家是2007年的諾貝爾物理學(xué)獎得主。

1909年，意大利科學(xué)家馬可尼、德國科學(xué)家布勞恩因發(fā)明無線電報技術(shù)而共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎；1956年，美國科學(xué)家肖克利、巴丁和布拉頓因研究半導(dǎo)體、發(fā)明晶體管而共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

他們的發(fā)明讓天涯變咫尺，今天的信息社會、網(wǎng)絡(luò)時代就是從這里開始。

而無論是無線還是有線網(wǎng)絡(luò)，都要通過光纖連接到電信公司的機房、連接到另一個城市甚至另一個國家。華人科學(xué)家高錕是光纖理論的奠基人，并因此獲得了2009年的諾貝爾物理學(xué)獎。人們生活中圍繞著信息的最重要技術(shù)，背后都有諾貝爾獎牌的閃光。

20世紀人類最偉大的進步之一是通過醫(yī)學(xué)的發(fā)展，大幅提高了人均壽命。我們對生物和自身有了更多的了解，明白了許多生理過程背后的機制。試管嬰兒技術(shù)讓人類可以更好地繁衍后代——2010年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎表彰了這個領(lǐng)域的研究。使用干細胞技術(shù)和誘導(dǎo)性多功能干細胞，讓人們可以以新的方式來治愈疾病和提高生活質(zhì)量——這是2007年和2012年的獲獎研究。我們使用CT和核磁共振技術(shù)檢查身體，其中CT技術(shù)獲得了1979年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。而核磁共振從發(fā)明到成熟的數(shù)十年間，已經(jīng)獲得了6個諾貝爾獎。

除了以上這些，核能的發(fā)現(xiàn)與利用，人類基因組計劃，基因克隆技術(shù)的發(fā)展等獲諾貝爾獎的重要技術(shù)突破，同樣在默默地影響著人們的生活。

有些研究對科學(xué)家意義更大

并不是每項獲得諾貝爾獎的研究都會在大眾日常生活中找到對應(yīng)的例子，有些研究對科學(xué)家意義更大。它們提供了更好的理論、工具和方法，讓研究者可以更好地探索，讓科學(xué)家可以抵達之前無法抵達的地方。這也是科學(xué)研究的意義之一。畢竟，整個科學(xué)體系都在不斷地演進中，更好的研究方法本身就是科學(xué)研究的重要目的。

在千萬億分之一秒的時間里，光能走0.3微米——大約是一根頭發(fā)直徑的1/200。這么短的時間被稱為1飛秒，而在這樣的時間尺度上研究化學(xué)反應(yīng)的過程和機理，稱為飛秒化學(xué)。

2016年8月逝世的埃及化學(xué)家艾哈邁德·澤維爾，因為在飛秒化學(xué)領(lǐng)域的開創(chuàng)性研究而獲得了1999年的諾貝爾化學(xué)獎。他用攝影技術(shù)記錄化學(xué)反應(yīng)過程中的細微變化，讓人們可以觀察千萬億分之一秒內(nèi)的反應(yīng)中間產(chǎn)物。這種技術(shù)像是“時間手術(shù)刀”，可以將快速的化學(xué)反應(yīng)過程切成薄薄的一片一片，留下來細細端詳?；瘜W(xué)家們使用這種技術(shù)，可以更好地控制化學(xué)反應(yīng)的過程，以及更容易地制造出自己想要的產(chǎn)物。

傳統(tǒng)上，人們對化學(xué)的印象往往是實驗室里的瓶瓶罐罐。但現(xiàn)在的化學(xué)家已不再僅僅依賴這些宏觀工具，他們需要在更細微的尺度上了解他們的作品。2002年獲得諾貝爾化學(xué)獎的3位科學(xué)家建立了新的方法來解析溶液中的生物大分子結(jié)構(gòu)。他們利用核磁共振光譜來精確分析諸如蛋白質(zhì)分子的三維結(jié)構(gòu)，讓研究者在除了模擬之外，可以觀測到這些至關(guān)重要的形狀——蛋白質(zhì)的功能和它的形狀息息相關(guān)。

2012年獲得諾貝爾物理學(xué)獎的兩位科學(xué)家也在做類似的研究，只不過他們觀察和控制的對象是量子系統(tǒng)。在保存、觀察和使用光子等量子領(lǐng)域，這兩位科學(xué)家邁出了重要的一步，在他們的努力下，人們現(xiàn)在可以讓“薛定諤的貓”不僅僅是一個思想實驗，也擁有了實際測試的可能。他們在量子系統(tǒng)領(lǐng)域的研究，也可能會幫助推進量子計算機的實現(xiàn)。

諾貝爾獎得主的研究并不總是以實用性為目的?？茖W(xué)探索的意義，在于人類這個物種所獨有的好奇心，在于了解我們和我們所處的整個世界。（本刊綜合）※