諾貝爾獎(jiǎng)：看似“高冷”，實(shí)則“親民”

諾貝爾獎(jiǎng)的3個(gè)自然科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)偏重基礎(chǔ)研究，似乎離普通人的日常生活距離甚遠(yuǎn)，但事實(shí)并非如此。諾貝爾獎(jiǎng)得主的研究拓展了人類知識(shí)的邊界，不僅激勵(lì)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(jiǎng)的3個(gè)自然科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)偏重基礎(chǔ)研究，似乎離普通人的日常生活距離甚遠(yuǎn)，但事實(shí)并非如此。諾貝爾獎(jiǎng)得主的研究拓展了人類知識(shí)的邊界，不僅激勵(lì)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(qǐng)將我的財(cái)產(chǎn)變作基金，每年用這個(gè)基金的利息作為獎(jiǎng)金，獎(jiǎng)勵(lì)那些在前一年為人類作出卓越貢獻(xiàn)的人?！?/p>

當(dāng)他宣讀這份遺囑時(shí)，可能不會(huì)預(yù)想到今天諾貝爾獎(jiǎng)的重要地位。這位因發(fā)明和改進(jìn)安全炸藥而獲得巨大財(cái)富的瑞典化學(xué)家，以世界上最負(fù)盛名的科學(xué)獎(jiǎng)而青史留名。

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

但實(shí)際上，在過(guò)去的一百多年中，諾貝爾獎(jiǎng)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(shí)，并且讓科學(xué)之樹(shù)越來(lái)越茂盛，那些無(wú)與倫比的研究成果帶來(lái)的無(wú)可估量的科技力量早已滲入人們的生活。

“摘取諾貝爾獎(jiǎng)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?！薄?998年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主路易斯·J·伊格納羅曾這樣說(shuō)道。那么，諾貝爾獲獎(jiǎng)?wù)叩难芯砍晒疾卦谏畹哪男┓矫婺兀?/p>

今年諾獎(jiǎng)的奧妙

就在2016年諾貝爾三大自然科學(xué)獎(jiǎng)陸續(xù)公布之后，10月14日至15日，來(lái)自9個(gè)國(guó)家的6支隊(duì)伍在法國(guó)圖盧茲展開(kāi)角逐，試著在一場(chǎng)獨(dú)特的賽車中勝出。這是法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心舉辦的納米車大獎(jiǎng)賽，旨在選出跑得最快的分子車。這些車只由幾百個(gè)原子構(gòu)成，在接近四十個(gè)小時(shí)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(gè)血紅細(xì)胞的直徑大小。

這是一個(gè)有趣的巧合，今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)恰恰頒給了分子機(jī)器領(lǐng)域的研究。獲獎(jiǎng)的3位化學(xué)家分別是法國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)的讓-皮埃爾·索瓦日、美國(guó)西北大學(xué)的J·弗雷澤·斯托達(dá)特以及荷蘭格羅寧根大學(xué)的伯納德·L·費(fèi)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(guò)億萬(wàn)年演化出的同類——生物體內(nèi)各種組織與器官的內(nèi)外運(yùn)動(dòng)。生命的所有過(guò)程，在微觀上都是靠這些精巧的小小機(jī)械來(lái)完成的。

雖然早在20世紀(jì)50年代，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主理查德·費(fèi)曼就發(fā)表過(guò)關(guān)于這類微小機(jī)械的設(shè)想，但直到20世紀(jì)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(shuō)里走出來(lái)的技術(shù)：我們可以制造小到看不見(jiàn)的機(jī)器。當(dāng)有了更多更充分的研究，當(dāng)我們足夠熟練時(shí)，也許可以制造出比血紅細(xì)胞還小的復(fù)雜機(jī)械，它們將可以完成復(fù)雜任務(wù)，如在細(xì)胞和病毒的尺度上治愈疾病、逐個(gè)分子地改善環(huán)境，或者運(yùn)送特定的分子前往特定區(qū)域。

這些分子級(jí)別的微小世界自有迷人之處。人們身體的細(xì)胞中，有一種清除廢物并循環(huán)利用的“自噬”機(jī)制，就像是一個(gè)個(gè)微小的垃圾回收處理廠。這些回收站能找到并吞噬細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的廢物，再把它們重新變成構(gòu)建細(xì)胞的原料或養(yǎng)料。人們?cè)?0世紀(jì)60年代就知道了這種回收機(jī)制的存在，但不知道它是如何進(jìn)行的。20世紀(jì)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(guò)程和原理，幫助人類理解了自噬作用。這種機(jī)制讓人們可以從嶄新的角度來(lái)理解一些生理過(guò)程，例如我們對(duì)饑餓或感染的反應(yīng)。而且，因?yàn)樽允苫蛲蛔儠?huì)導(dǎo)致一些特定疾病，因此對(duì)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(jiǎng)，以此表彰他在這個(gè)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(jiǎng)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(jìn)的數(shù)學(xué)方法研究了物質(zhì)的特殊狀態(tài)而獲獎(jiǎng)。他們將數(shù)學(xué)領(lǐng)域中的“拓?fù)洹备拍钜胛锢韺W(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(méi)有電阻，而超流體完全沒(méi)有摩擦力——它們是許多領(lǐng)域夢(mèng)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(jiǎng)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(kāi)了一扇新的大門，甚至可能會(huì)帶來(lái)更強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，解決今天電子計(jì)算機(jī)難以解決的問(wèn)題。

“拓?fù)湎嘧儭甭?tīng)起來(lái)“高大上”，但實(shí)際上很“接地氣”。用上了拓?fù)浣^緣材料，未來(lái)你的手機(jī)可能不再發(fā)燙。拓?fù)浣^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(dú)特的物理特性，在導(dǎo)電過(guò)程中不會(huì)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?fù)浣^緣體材料制成手機(jī)芯片，那么就有希望解決手機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間充電或連續(xù)使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)后變得發(fā)燙的問(wèn)題。

家用電力也和拓?fù)洳牧舷⑾⑾嚓P(guān)。張海軍舉例說(shuō)，每個(gè)家庭中使用的電力，最開(kāi)始從發(fā)電廠輸出時(shí)其實(shí)電壓遠(yuǎn)不止220伏特，發(fā)電廠發(fā)出的其實(shí)是高壓電。但較大一部分電流在通過(guò)電線輸送到千家萬(wàn)戶的過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生損耗。如果能將電線改造升級(jí)，使用超導(dǎo)材料或拓?fù)浣^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(jiǎng)成果

華燈初上，夜未央。當(dāng)你沉醉于城市多彩的夜色中時(shí)，可曾想過(guò)這五顏六色的霓虹燈是怎么來(lái)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(chǎng)下冷陰極輝光放電而發(fā)光。

霓虹燈是英國(guó)化學(xué)家拉姆賽在一次實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)的。那是1898年6月的一個(gè)夜晚，拉姆賽和助手正在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(gè)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(kāi)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(kāi)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?cè)谠刂芷诒碇械奈恢毛@得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。霓虹燈只是惰性氣體的一個(gè)簡(jiǎn)單應(yīng)用，卻實(shí)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(jī)零件，塑料制品在人們的生活中隨處可見(jiàn)，給人們的生活帶來(lái)方便。

1953年，德國(guó)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(jiǎng)；1963年，意大利科學(xué)家納塔、德國(guó)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(jiǎng)。

你正在用的電腦也離不開(kāi)諾貝爾獲獎(jiǎng)?wù)叩募夹g(shù)發(fā)明。

當(dāng)人們?cè)陔娔X上存儲(chǔ)信息時(shí)，往往需要一塊硬盤。傳統(tǒng)機(jī)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(gè)僅僅離盤面幾微米的精細(xì)磁頭讀取和寫(xiě)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(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)內(nèi)容。而根據(jù)通過(guò)磁頭的電流強(qiáng)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(gè)冰箱般的龐然大物，卻只能存儲(chǔ)非常少的數(shù)據(jù)。今天我們的硬盤之所以可以達(dá)到這么大的存儲(chǔ)容量，則要?dú)w功于德國(guó)和法國(guó)的兩位物理學(xué)家——他們?cè)?988年發(fā)現(xiàn)了巨磁阻效應(yīng)，讓硬盤可以大幅提高存儲(chǔ)密度。這兩位物理學(xué)家是2007年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主。

1909年，意大利科學(xué)家馬可尼、德國(guó)科學(xué)家布勞恩因發(fā)明無(wú)線電報(bào)技術(shù)而共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1956年，美國(guó)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(jiǎng)。

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

而無(wú)論是無(wú)線還是有線網(wǎng)絡(luò)，都要通過(guò)光纖連接到電信公司的機(jī)房、連接到另一個(gè)城市甚至另一個(gè)國(guó)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(jiǎng)。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(jiǎng)牌的閃光。

20世紀(jì)人類最偉大的進(jìn)步之一是通過(guò)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，大幅提高了人均壽命。我們對(duì)生物和自身有了更多的了解，明白了許多生理過(guò)程背后的機(jī)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(jiǎng)表彰了這個(gè)領(lǐng)域的研究。使用干細(xì)胞技術(shù)和誘導(dǎo)性多功能干細(xì)胞，讓人們可以以新的方式來(lái)治愈疾病和提高生活質(zhì)量——這是2007年和2012年的獲獎(jiǎng)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(jiǎng)。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(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。

除了以上這些，核能的發(fā)現(xiàn)與利用，人類基因組計(jì)劃，基因克隆技術(shù)的發(fā)展等獲諾貝爾獎(jiǎng)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(duì)科學(xué)家意義更大

并不是每項(xiàng)獲得諾貝爾獎(jiǎng)的研究都會(huì)在大眾日常生活中找到對(duì)應(yīng)的例子，有些研究對(duì)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(dá)之前無(wú)法抵達(dá)的地方。這也是科學(xué)研究的意義之一。畢竟，整個(gè)科學(xué)體系都在不斷地演進(jìn)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(wàn)億分之一秒的時(shí)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(shí)間被稱為1飛秒，而在這樣的時(shí)間尺度上研究化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程和機(jī)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?yàn)樵陲w秒化學(xué)領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性研究而獲得了1999年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。他用攝影技術(shù)記錄化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的細(xì)微變化，讓人們可以觀察千萬(wàn)億分之一秒內(nèi)的反應(yīng)中間產(chǎn)物。這種技術(shù)像是“時(shí)間手術(shù)刀”，可以將快速的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程切成薄薄的一片一片，留下來(lái)細(xì)細(xì)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(guò)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(duì)化學(xué)的印象往往是實(shí)驗(yàn)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(xì)微的尺度上了解他們的作品。2002年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的3位科學(xué)家建立了新的方法來(lái)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(lái)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(cè)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(jiǎng)的兩位科學(xué)家也在做類似的研究，只不過(guò)他們觀察和控制的對(duì)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(gè)思想實(shí)驗(yàn)，也擁有了實(shí)際測(cè)試的可能。他們?cè)诹孔酉到y(tǒng)領(lǐng)域的研究，也可能會(huì)幫助推進(jìn)量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)。

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