1. <strike id="6llfu"></strike>

      新諾獎,老問題

      每一年新頒的諾獎科學獎,都將我們帶回到對“老問題”的思考:科研的原創性如何確立?它又從何而來?科學精神的意涵究竟是什么?

      作者:向治霖 來源:南風窗 日期:2022-10-24

      VCG31N517323788.jpg

      物理學家愛因斯坦在黑板上寫方程式


      10月3日到5日,2022年諾貝爾自然科學獎(生理學或醫學獎、物理獎、化學獎),相繼頒給了具有開創性意義的研究。對此最簡單的理解是,今年獲獎的研究課題,都可以發展成為一門獨立的學科。

      生理學或醫學獎對應的是“古基因組學”。遺傳學(基因學)可追溯到19世紀的孟德爾,而進入“分子級”的研究,要到1953年發現DNA的雙螺旋結構。在帕博之前,沒有人想到將新銳的遺傳學與“古老”的考古學交叉,這是他的獨創。

      物理獎對應的是“量子信息科學”。這是更具工程屬性的一門學科,被認為是20世紀初量子學說發軔以來“量子的第二次革命”,被寄予了“量子科技改變世界”的希望。

      化學獎對應的是“點擊化學”與“生物正交化學”,可以歸入結構生物學的大類。這兩項研究,有助于分析得到生物大分子的結構與作用機制,制造出特定的分子結構,引導藥物的研發。

      科學獎落定以后,爭議隨之而來。

      例如,知名科學家、首都醫科大學校長饒毅就發文質疑說,今年的生理學或醫學獎“不公平”。他的一個核心觀點是,帕博的獲獎研究與“生理學”或者“醫學”關系都很小,不是諾獎通常頒獎的領域;如果以交叉學科的理解來看,又有比帕博更應該獲獎的人。

      物理獎也有爭議。在理論的方面,今年物理獎表彰了“量子不遵循貝爾不等式”的實驗證明,而這牽涉到愛因斯坦的觀點被否,因此,愛因斯坦是對是錯,掀起了一陣熱議潮。在應用的方面,事實上,我國量子信息科學的發展領先于全球,其中,又以中科院院士潘建偉的研究尤為卓越。潘院士為什么錯過此次諾獎?亦是議論紛紛。

      至于化學獎,它的表現比較平穩—和往年一樣,沒有掀起太大波瀾。

      科學問題有爭論,這是一件好事。每一年新頒的諾獎科學獎,都將我們帶回到對“老問題”的思考:科研的原創性如何確立?它又從何而來?科學精神的意涵究竟是什么?

      討論這些問題,或許是在表彰科學家之外,“一年一會”的諾獎的另一重意義所在。


      “興趣”是最好的導師

      擱置饒毅的意見,我們來看今年的生理學或醫學獎得主,瑞典科學家斯萬特·帕博。

      帕博是近年來少見的、獨攬獎項的諾獎科學獎得主,但是他受之無愧。諾獎委員會表示,獎項是為了表彰他“發現了與已滅絕古人類和人類進化相關的基因組”。單就這一項研究而言,帕博的確是有開創性和“獨占性”的。

      更神奇的是,這一創學科的偉大想法,誕生于帕博20多歲時的大腦中。

      這首先源自他的興趣。帕博在他自傳性質的《尼安德特人》一書中回憶,從很小的時候起,他就迷上了埃及的古老歷史,這讓他癡迷于象形文字、法老、金字塔,還有木乃伊。他曾連續兩個夏天泡在博物館,研究陶片、文物等古老物什。

      大學時期,帕博選擇了子承父業,進了烏普薩拉大學的醫學院讀書,這又讓他接觸到分子生物學。

      上世紀80年代,分子生物學進入發展期。隨著DNA雙螺旋結構的發現,人們開始拆解DNA更細的結構,認識到不同堿基的核酸序列構成了生命的密碼。

      進一步地,在1983年,美國科學家Mullis設計了PCR(聚合酶鏈式反應)實驗技術,這意味著,DNA可以被大量地人工復制,對DNA的研究成本驟然降低。帕博攻讀博士時的實驗室,已經掌握了通過細菌(質粒)操縱DNA克隆的辦法。

      帕博沒有丟掉他對古埃及的興趣,可是,他所在的實驗室做的是腺病毒研究。帕博為此苦惱不已。

      他在《尼安德特人》中回憶,自己經常對一位友人發泄抱怨,一次次重復地說,古埃及的愛好他不愿放棄,但分子生物學也充滿誘惑,因為它可以從分子層面判斷生命的差異。

      就在這樣的抱怨中,一個想法形成了:“這種方法能否用于測序那些埃及木乃伊的DNA呢?”

      一個大膽的交叉學科出現了,“分子生物學+考古學”。如果我們能夠測得木乃伊的DNA,將它分離、復制,加以研究,不就能解釋古人與今人的差別嗎?沒有人做過這樣的事,這讓帕博激動不已。

      隨著研究的推進,這個“交叉”愈發復雜,遺傳學、免疫學、進化生物學被囊括帶入。帕博由此走上了“古基因組學之父”的道路。

      做科研,怎樣才能成功呢?著名物理學家、1957年諾獎物理獎得主楊振寧曾在一次演講中說,一個是興趣,一個是能力,最后還要有機遇?!耙粋€人的興趣和能力恰巧與當時有機會發展的方向重疊在一起的時候,他就有成功的希望?!?/p>

      帕博的經歷,可為這番話做一個完美注腳。


      量子糾纏,重演歷史

      比較起來,生理學或醫學獎是帕博的單打獨斗,今年的物理獎則是星光熠熠的爭流百舸。

      物理學獎由三位科學家分享,分別是阿蘭·阿斯佩、約翰·克勞瑟,以及塞林格。頒獎理由是,表彰他們“用糾纏光子驗證了量子不遵循貝爾不等式,開創了量子信息學”。

      普通人對于量子學說,真是既愛又恨。愛的是它的不尋常,以“一朵烏云”之勢顛覆了經典力學大廈,恨的是它晦澀難懂,總似在云里霧里。

      “大佬們”扎堆出現在這里。從20世紀初開始算,普朗克、愛因斯坦、玻爾等人奠基了量子學說,及至薛定諤、玻恩、海森堡、狄拉克等人,用數學語言精確描述了量子現象,量子力學至此成形。

      以上的每一個人,單拎出來都是“物理巨人”。而今年物理獎的故事,就要從愛因斯坦講起。

      本文嘗試用簡單的類比,通俗地回顧“量子糾纏”發展史。日光之下,并無新事,在這段歷史之中,愛因斯坦扮演了16世紀第谷的角色。

      第谷是“地心說”的擁護者,因此,在他聽聞哥白尼的日心學說后,一心想要證偽它。第谷也是一位天文學家,他發現,“地心說”確實存在危機,于是他30年如一日地堅持觀測天文,詳細地記錄下天體運行軌跡,試圖完善“地心說”。

      量子學說出現的20世紀初,“疊加態”以及“塌縮”的原理不很分明,愛因斯坦不喜歡這樣的學說,于是他提出來,量子學說的理論還不完備。

      為了證偽當時的量子學說,愛因斯坦舉出了“EPR佯謬”,也是在這篇論文中,他提出了“量子糾纏”—“鬼魅般的超距作用”。沒錯,量子糾纏的誕生,是用來反對當時的量子學說的。

      1967年,另一位科學家貝爾提出一個不等式,他也持有愛因斯坦的觀點,并且把“EPR佯謬”的理論數學公式化,得出一個可驗證的不等式。按照他的觀點,這個不等式是不可違背的。

      然而“只怕有心人”。上世紀八九十年代,約翰·克勞瑟、阿蘭·阿斯佩、塞林格陸續在越來越嚴格的置信區間驗證貝爾不等式,結果都表明,量子不遵循貝爾不等式。

      這一幕,就像是16世紀時,第谷并沒有完善地心說。相反,他的學生開普勒通過研習長年積累的資料,終于證實了日心說的正確性,進而提出開普勒三大定律,更進一步拓寬了日心說的內涵。

      由此,愛因斯坦認為不可能的“鬼魅般的超距作用”,成為了今天科幻感十足的“量子糾纏”。它是量子科技投入應用的理論基礎。

      類似的事情不是第一次,也不會是最后一次。這可以說明,科學從不是由一個成果必然推向下一個成果的“實證主義科學”,它是百轉千回后的圣光乍現。


      VCG111404365800.jpg

      2022年10月3日,瑞典斯德哥爾摩,諾貝爾半身雕塑在卡羅林斯卡研究所展出?圖/


      有時,簡單的答案最好

      獲得諾獎是一個科學家的高光時刻,那么今年,在“高光中的高光”之下的,無疑是美國科學家卡爾·巴里·夏普利斯。這是他第二次獲得諾獎。

      化學獎也由三位科學家分享,除了夏普利斯,還有美國化學家凱羅琳·貝爾托西、丹麥化學家莫滕·梅爾達。頒獎的理由是,表彰他們對“發展點擊化學和生物正交化學”做出的貢獻。

      如果要找出今年化學獎的不同氣質,那一定是它充滿了“反傳統”的精神。

      自從人類進入了分子生物學時代,自然而然地,就產生了人工制造天然分子的愿望。要知道在人體內,生物大分子是最基本的作用單位,假設掌握了人體內所有的蛋白質結構和作用機制,就相當于,在人體這“超大且精密的工廠”中擁有了“維修說明書”。

      科學界在為此努力,已經發現了許多有意義的分子結構,然而,如何制作它們卻很困難。

      按照常規的思路,“維修”當然用“原廠配件”。因此在很長一段時間,人工制造的生物大分子要完全地吻合天然分子。然而,這么做的成本極高,而且耗時耗力。

      夏普利斯是不走尋常路的一個人,他曾經表示,有的人要“將生命的一切解構”,但他很難理解這種觀點,“因為生命并不只是一個基因組啊,生命是很立體的”。

      我們沒有為生命建模的能力,那么轉換思路,夏普利斯提出了“點擊化學”。

      “點擊”就是指兩個東西像積木扣在一起一樣,咔嚓(click)一聲,分子構建單元快速而有效地結合在一起。

      沒過多久,他和另一位化學獎得主莫滕·梅爾達各自獨立地找到了“搭扣”:銅催化疊氮-炔環加成。自此,生物大分子的組建就像“搭積木”的原理一樣簡單。

      諾獎委員會對此的總結很精妙:“有時,簡單的答案是最好的?!?/p>


      VCG111374761687.jpg

      量子信息科技的應用廣泛,2018—2019年,中國科研團隊曾通過“天宮二號”實驗室與地面上的終端,實現了世界上第一個量子加密虛擬電話會議。圖為航天員在中國空間站內? (/視覺中國)


      “0到1”與“1到100”,孰強?

      每年隨著科學獎的落定,一個問題總是無法避免被提及:中國距離下一個諾獎還有多遠?

      答案在不同人看來,自有不同。

      不過,今年的物理獎,似乎帶來了樂觀的理由。這是物理獎第一次頒發給“量子信息科學”領域,要知道,我國在這一領域處于國際領先水平。

      量子信息科技最前沿的領域,是量子通信(或叫量子密鑰分發)與量子計算機。

      先看量子通信方面,中科院院士潘建偉的團隊,無疑是行業翹楚。

      早在2016年8月,我國的“墨子號”發射升空,這是全球第一顆量子科學實驗衛星。目前為止,“墨子號”已順利完成了三大科學實驗任務。在此基礎上,我國又完成了“墨子號”和“京滬干線”的對接,實現了洲際量子保密通信。

      除了“墨子號”的天基網絡,在地面上的量子通訊網,在中國也發展迅速。今年2月,郭光燦院士的團隊突破紀錄,將量子密鑰分發安全傳輸距離的世界紀錄提升了200余公里,實現了833公里光纖量子密鑰分發。

      接著再看量子計算機,這是量子信息科技產業化的一條重要賽道。

      2020年,潘建偉團隊研發的光量子計算機“九章”,對高斯玻色取樣問題的計算速度,比世界最快的超級計算機“富岳”快100萬億倍,在全球第二個實現了“量子計算優越性”。

      量子計算機有不同的路線,另一個被看好的是超導量子計算機。仍是潘建偉的團隊,他們在2021年5月構建了當時超導量子比特數目最多的62比特超導量子計算原型機“祖沖之號”,實現了可編程的二維量子行走。

      因為這一系列明確的成果,在今年物理獎頒給量子信息科技時,獲獎人沒有潘建偉引起了惋惜。甚至在頒獎講話中,諾獎委員會多次提到潘建偉團隊的研究,明確肯定了他們的貢獻與成就。

      有觀點認為,潘建偉雖然師從塞林格,對于獲獎研究的貢獻很多,但畢竟不是最難的“0到1”的這一步。而近年來的研究成果,確實取得“1到100”的發展,但這不是諾獎最關心的。


      版權聲明

      本刊及官網(南風窗在線)刊登的所有作品(包括但不限于文字、圖片、聲音、錄像、圖表、標志、標識、廣告、商標、商號、域名、程序、版面設計、專欄目錄與名稱、內容分類標準及多媒體形式的新聞、信息等)未經南風窗雜志社書面許可,不得轉載、摘編或以其他形式使用,違者必究。

      版權合作垂詢電話020-61036188轉8088,文小姐。

      欧美亚洲另类久久综合,午夜18禁A片免费播放网站,久久久久久妓女精品影院

      1. <strike id="6llfu"></strike>