新諾獎,老問(wèn)題

每一年新頒的諾獎科學(xué)獎,都將我們帶回到對“老問(wèn)題”的思考:科研的原創(chuàng )性如何確立?它又從何而來(lái)?科學(xué)精神的意涵究竟是什么?

作者:向治霖 來(lái)源:南風(fēng)窗 日期:2022-10-24

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物理學(xué)家愛(ài)因斯坦在黑板上寫(xiě)方程式


10月3日到5日,2022年諾貝爾自然科學(xué)獎(生理學(xué)或醫學(xué)獎、物理獎、化學(xué)獎),相繼頒給了具有開(kāi)創(chuàng )性意義的研究。對此最簡(jiǎn)單的理解是,今年獲獎的研究課題,都可以發(fā)展成為一門(mén)獨立的學(xué)科。

生理學(xué)或醫學(xué)獎對應的是“古基因組學(xué)”。遺傳學(xué)(基因學(xué))可追溯到19世紀的孟德?tīng)?,而進(jìn)入“分子級”的研究,要到1953年發(fā)現DNA的雙螺旋結構。在帕博之前,沒(méi)有人想到將新銳的遺傳學(xué)與“古老”的考古學(xué)交叉,這是他的獨創(chuàng )。

物理獎對應的是“量子信息科學(xué)”。這是更具工程屬性的一門(mén)學(xué)科,被認為是20世紀初量子學(xué)說(shuō)發(fā)軔以來(lái)“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(xué)獎對應的是“點(diǎn)擊化學(xué)”與“生物正交化學(xué)”,可以歸入結構生物學(xué)的大類(lèi)。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(fā)。

科學(xué)獎落定以后,爭議隨之而來(lái)。

例如,知名科學(xué)家、首都醫科大學(xué)校長(cháng)饒毅就發(fā)文質(zhì)疑說(shuō),今年的生理學(xué)或醫學(xué)獎“不公平”。他的一個(gè)核心觀(guān)點(diǎn)是,帕博的獲獎研究與“生理學(xué)”或者“醫學(xué)”關(guān)系都很小,不是諾獎通常頒獎的領(lǐng)域;如果以交叉學(xué)科的理解來(lái)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(shí)驗證明,而這牽涉到愛(ài)因斯坦的觀(guān)點(diǎn)被否,因此,愛(ài)因斯坦是對是錯,掀起了一陣熱議潮。在應用的方面,事實(shí)上,我國量子信息科學(xué)的發(fā)展領(lǐng)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(guò)此次諾獎?亦是議論紛紛。

至于化學(xué)獎,它的表現比較平穩—和往年一樣,沒(méi)有掀起太大波瀾。

科學(xué)問(wèn)題有爭論,這是一件好事。每一年新頒的諾獎科學(xué)獎,都將我們帶回到對“老問(wèn)題”的思考:科研的原創(chuàng )性如何確立?它又從何而來(lái)?科學(xué)精神的意涵究竟是什么?

討論這些問(wèn)題,或許是在表彰科學(xué)家之外,“一年一會(huì )”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(jiàn),我們來(lái)看今年的生理學(xué)或醫學(xué)獎得主,瑞典科學(xué)家斯萬(wàn)特·帕博。

帕博是近年來(lái)少見(jiàn)的、獨攬獎項的諾獎科學(xué)獎得主,但是他受之無(wú)愧。諾獎委員會(huì )表示,獎項是為了表彰他“發(fā)現了與已滅絕古人類(lèi)和人類(lèi)進(jìn)化相關(guān)的基因組”。單就這一項研究而言,帕博的確是有開(kāi)創(chuàng )性和“獨占性”的。

更神奇的是,這一創(chuàng )學(xué)科的偉大想法,誕生于帕博20多歲時(shí)的大腦中。

這首先源自他的興趣。帕博在他自傳性質(zhì)的《尼安德特人》一書(shū)中回憶,從很小的時(shí)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(gè)夏天泡在博物館,研究陶片、文物等古老物什。

大學(xué)時(shí)期,帕博選擇了子承父業(yè),進(jìn)了烏普薩拉大學(xué)的醫學(xué)院讀書(shū),這又讓他接觸到分子生物學(xué)。

上世紀80年代,分子生物學(xué)進(jìn)入發(fā)展期。隨著(zhù)DNA雙螺旋結構的發(fā)現,人們開(kāi)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(jìn)一步地,在1983年,美國科學(xué)家Mullis設計了PCR(聚合酶鏈式反應)實(shí)驗技術(shù),這意味著(zhù),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(shí)的實(shí)驗室,已經(jīng)掌握了通過(guò)細菌(質(zhì)粒)操縱DNA克隆的辦法。

帕博沒(méi)有丟掉他對古埃及的興趣,可是,他所在的實(shí)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(jīng)常對一位友人發(fā)泄抱怨,一次次重復地說(shuō),古埃及的愛(ài)好他不愿放棄,但分子生物學(xué)也充滿(mǎn)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(gè)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(gè)大膽的交叉學(xué)科出現了,“分子生物學(xué)+考古學(xué)”。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(méi)有人做過(guò)這樣的事,這讓帕博激動(dòng)不已。

隨著(zhù)研究的推進(jìn),這個(gè)“交叉”愈發(fā)復雜,遺傳學(xué)、免疫學(xué)、進(jìn)化生物學(xué)被囊括帶入。帕博由此走上了“古基因組學(xué)之父”的道路。

做科研,怎樣才能成功呢?著(zhù)名物理學(xué)家、1957年諾獎物理獎得主楊振寧曾在一次演講中說(shuō),一個(gè)是興趣,一個(gè)是能力,最后還要有機遇?!耙粋€(gè)人的興趣和能力恰巧與當時(shí)有機會(huì )發(fā)展的方向重疊在一起的時(shí)候,他就有成功的希望?!?/p>

帕博的經(jīng)歷,可為這番話(huà)做一個(gè)完美注腳。


量子糾纏,重演歷史

比較起來(lái),生理學(xué)或醫學(xué)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(xué)獎?dòng)扇豢茖W(xué)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(kāi)創(chuàng )了量子信息學(xué)”。

普通人對于量子學(xué)說(shuō),真是既愛(ài)又恨。愛(ài)的是它的不尋常,以“一朵烏云”之勢顛覆了經(jīng)典力學(xué)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(kāi)始算,普朗克、愛(ài)因斯坦、玻爾等人奠基了量子學(xué)說(shuō),及至薛定諤、玻恩、海森堡、狄拉克等人,用數學(xué)語(yǔ)言精確描述了量子現象,量子力學(xué)至此成形。

以上的每一個(gè)人,單拎出來(lái)都是“物理巨人”。而今年物理獎的故事,就要從愛(ài)因斯坦講起。

本文嘗試用簡(jiǎn)單的類(lèi)比,通俗地回顧“量子糾纏”發(fā)展史。日光之下,并無(wú)新事,在這段歷史之中,愛(ài)因斯坦扮演了16世紀第谷的角色。

第谷是“地心說(shuō)”的擁護者,因此,在他聽(tīng)聞哥白尼的日心學(xué)說(shuō)后,一心想要證偽它。第谷也是一位天文學(xué)家,他發(fā)現,“地心說(shuō)”確實(shí)存在危機,于是他30年如一日地堅持觀(guān)測天文,詳細地記錄下天體運行軌跡,試圖完善“地心說(shuō)”。

量子學(xué)說(shuō)出現的20世紀初,“疊加態(tài)”以及“塌縮”的原理不很分明,愛(ài)因斯坦不喜歡這樣的學(xué)說(shuō),于是他提出來(lái),量子學(xué)說(shuō)的理論還不完備。

為了證偽當時(shí)的量子學(xué)說(shuō),愛(ài)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(méi)錯,量子糾纏的誕生,是用來(lái)反對當時(shí)的量子學(xué)說(shuō)的。

1967年,另一位科學(xué)家貝爾提出一個(gè)不等式,他也持有愛(ài)因斯坦的觀(guān)點(diǎn),并且把“EPR佯謬”的理論數學(xué)公式化,得出一個(gè)可驗證的不等式。按照他的觀(guān)點(diǎn),這個(gè)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(lái)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(shí),第谷并沒(méi)有完善地心說(shuō)。相反,他的學(xué)生開(kāi)普勒通過(guò)研習長(cháng)年積累的資料,終于證實(shí)了日心說(shuō)的正確性,進(jìn)而提出開(kāi)普勒三大定律,更進(jìn)一步拓寬了日心說(shuō)的內涵。

由此,愛(ài)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(lèi)似的事情不是第一次,也不會(huì )是最后一次。這可以說(shuō)明,科學(xué)從不是由一個(gè)成果必然推向下一個(gè)成果的“實(shí)證主義科學(xué)”,它是百轉千回后的圣光乍現。


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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(shí),簡(jiǎn)單的答案最好

獲得諾獎是一個(gè)科學(xué)家的高光時(shí)刻,那么今年,在“高光中的高光”之下的,無(wú)疑是美國科學(xué)家卡爾·巴里·夏普利斯。這是他第二次獲得諾獎。

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

如果要找出今年化學(xué)獎的不同氣質(zhì),那一定是它充滿(mǎn)了“反傳統”的精神。

自從人類(lèi)進(jìn)入了分子生物學(xué)時(shí)代,自然而然地,就產(chǎn)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(zhì)結構和作用機制,就相當于,在人體這“超大且精密的工廠(chǎng)”中擁有了“維修說(shuō)明書(shū)”。

科學(xué)界在為此努力,已經(jīng)發(fā)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(chǎng)配件”。因此在很長(cháng)一段時(shí)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(shí)耗力。

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

我們沒(méi)有為生命建模的能力,那么轉換思路,夏普利斯提出了“點(diǎn)擊化學(xué)”。

“點(diǎn)擊”就是指兩個(gè)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(méi)過(guò)多久,他和另一位化學(xué)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(huán)加成。自此,生物大分子的組建就像“搭積木”的原理一樣簡(jiǎn)單。

諾獎委員會(huì )對此的總結很精妙:“有時(shí),簡(jiǎn)單的答案是最好的?!?/p>


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


“0到1”與“1到100”,孰強?

每年隨著(zhù)科學(xué)獎的落定,一個(gè)問(wèn)題總是無(wú)法避免被提及:中國距離下一個(gè)諾獎還有多遠?

答案在不同人看來(lái),自有不同。

不過(guò),今年的物理獎,似乎帶來(lái)了樂(lè )觀(guān)的理由。這是物理獎第一次頒發(fā)給“量子信息科學(xué)”領(lǐng)域,要知道,我國在這一領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先水平。

量子信息科技最前沿的領(lǐng)域,是量子通信(或叫量子密鑰分發(fā))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(wú)疑是行業(yè)翹楚。

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

除了“墨子號”的天基網(wǎng)絡(luò ),在地面上的量子通訊網(wǎng),在中國也發(fā)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(fā)安全傳輸距離的世界紀錄提升了200余公里,實(shí)現了833公里光纖量子密鑰分發(fā)。

接著(zhù)再看量子計算機,這是量子信息科技產(chǎn)業(yè)化的一條重要賽道。

2020年,潘建偉團隊研發(fā)的光量子計算機“九章”,對高斯玻色取樣問(wèn)題的計算速度,比世界最快的超級計算機“富岳”快100萬(wàn)億倍,在全球第二個(gè)實(shí)現了“量子計算優(yōu)越性”。

量子計算機有不同的路線(xiàn),另一個(gè)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(shí)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(shí)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(shí),獲獎人沒(méi)有潘建偉引起了惋惜。甚至在頒獎講話(huà)中,諾獎委員會(huì )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(guān)點(diǎn)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(lái)的研究成果,確實(shí)取得“1到100”的發(fā)展,但這不是諾獎最關(guān)心的。


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