物理學(xué)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(xué)獎（生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎、物理獎、化學(xué)獎），相繼頒給了具有開創(chuàng)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(fā)展成為一門獨立的學(xué)科。

生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎對應(yīng)的是“古基因組學(xué)”。遺傳學(xué)（基因?qū)W）可追溯到19世紀(jì)的孟德爾，而進入“分子級”的研究，要到1953年發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。在帕博之前，沒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(yīng)的是“量子信息科學(xué)”。這是更具工程屬性的一門學(xué)科，被認(rèn)為是20世紀(jì)初量子學(xué)說發(fā)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(xué)獎對應(yīng)的是“點擊化學(xué)”與“生物正交化學(xué)”，可以歸入結(jié)構(gòu)生物學(xué)的大類。這兩項研究，有助于分析得到生物大分子的結(jié)構(gòu)與作用機制，制造出特定的分子結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)藥物的研發(fā)。

科學(xué)獎落定以后，爭議隨之而來。

例如，知名科學(xué)家、首都醫(yī)科大學(xué)校長饒毅就發(fā)文質(zhì)疑說，今年的生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎“不公平”。他的一個核心觀點是，帕博的獲獎研究與“生理學(xué)”或者“醫(yī)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)科的理解來看，又有比帕博更應(yīng)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(yīng)用的方面，事實上，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。潘院士為什么錯過此次諾獎？亦是議論紛紛。

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

科學(xué)問題有爭論，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“老問題”的思考：科研的原創(chuàng)性如何確立？它又從何而來？科學(xué)精神的意涵究竟是什么？

討論這些問題，或許是在表彰科學(xué)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(dǎo)師

擱置饒毅的意見，我們來看今年的生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎得主，瑞典科學(xué)家斯萬特·帕博。

帕博是近年來少見的、獨攬獎項的諾獎科學(xué)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(fā)現(xiàn)了與已滅絕古人類和人類進化相關(guān)的基因組”。單就這一項研究而言，帕博的確是有開創(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(xù)兩個夏天泡在博物館，研究陶片、文物等古老物什。

大學(xué)時期，帕博選擇了子承父業(yè)，進了烏普薩拉大學(xué)的醫(yī)學(xué)院讀書，這又讓他接觸到分子生物學(xué)。

上世紀(jì)80年代，分子生物學(xué)進入發(fā)展期。隨著DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，人們開始拆解DNA更細的結(jié)構(gòu)，認(rèn)識到不同堿基的核酸序列構(gòu)成了生命的密碼。

進一步地，在1983年，美國科學(xué)家Mullis設(shè)計了PCR（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）實驗技術(shù)，這意味著，DNA可以被大量地人工復(fù)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(jīng)掌握了通過細菌（質(zhì)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(jīng)常對一位友人發(fā)泄抱怨，一次次重復(fù)地說，古埃及的愛好他不愿放棄，但分子生物學(xué)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(xué)科出現(xiàn)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(fù)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(fā)復(fù)雜，遺傳學(xué)、免疫學(xué)、進化生物學(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，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(dāng)時有機會發(fā)展的方向重疊在一起的時候，他就有成功的希望。”

帕博的經(jīng)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(xué)或醫(yī)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)獎由三位科學(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，開創(chuàng)了量子信息學(xué)”。

普通人對于量子學(xué)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(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(xiàn)在這里。從20世紀(jì)初開始算，普朗克、愛因斯坦、玻爾等人奠基了量子學(xué)說，及至薛定諤、玻恩、海森堡、狄拉克等人，用數(shù)學(xué)語言精確描述了量子現(xiàn)象，量子力學(xué)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(fā)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(jì)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(xué)說后，一心想要證偽它。第谷也是一位天文學(xué)家，他發(fā)現(xiàn)，“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(xué)說出現(xiàn)的20世紀(jì)初，“疊加態(tài)”以及“塌縮”的原理不很分明，愛因斯坦不喜歡這樣的學(xué)說，于是他提出來，量子學(xué)說的理論還不完備。

為了證偽當(dāng)時的量子學(xué)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(dāng)時的量子學(xué)說的。

1967年，另一位科學(xué)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(shù)學(xué)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(jì)八九十年代，約翰·克勞瑟、阿蘭·阿斯佩、塞林格陸續(xù)在越來越嚴(yán)格的置信區(qū)間驗證貝爾不等式，結(jié)果都表明，量子不遵循貝爾不等式。

這一幕，就像是16世紀(jì)時，第谷并沒有完善地心說。相反，他的學(xué)生開普勒通過研習(xí)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(nèi)涵。

由此，愛因斯坦認(rèn)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(yīng)用的理論基礎(chǔ)。

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(xué)從不是由一個成果必然推向下一個成果的“實證主義科學(xué)”，它是百轉(zhuǎn)千回后的圣光乍現(xiàn)。

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(xué)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(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)，那一定是它充滿了“反傳統(tǒng)”的精神。

自從人類進入了分子生物學(xué)時代，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(nèi)，生物大分子是最基本的作用單位，假設(shè)掌握了人體內(nèi)所有的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和作用機制，就相當(dāng)于，在人體這“超大且精密的工廠”中擁有了“維修說明書”。

科學(xué)界在為此努力，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多有意義的分子結(jié)構(gòu)，然而，如何制作它們卻很困難。

按照常規(guī)的思路，“維修”當(dāng)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(jīng)表示，有的人要“將生命的一切解構(gòu)”，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(zhuǎn)換思路，夏普利斯提出了“點擊化學(xué)”。

“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(gòu)建單元快速而有效地結(jié)合在一起。

沒過多久，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”的原理一樣簡單。

諾獎委員會對此的總結(jié)很精妙：“有時，簡單的答案是最好的。”

量子信息科技的應(yīng)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(xiàn)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(nèi)? （圖/視覺中國）

“0到1”與“1到100”，孰強？

每年隨著科學(xué)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(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)實驗衛(wèi)星。目前為止，“墨子號”已順利完成了三大科學(xué)實驗任務(wù)。在此基礎(chǔ)上，我國又完成了“墨子號”和“京滬干線”的對接，實現(xiàn)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(jì)錄，將量子密鑰分發(fā)安全傳輸距離的世界紀(jì)錄提升了200余公里，實現(xiàn)了833公里光纖量子密鑰分發(fā)。

接著再看量子計算機，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(xiàn)了“量子計算優(yōu)越性”。

量子計算機有不同的路線，另一個被看好的是超導(dǎo)量子計算機。仍是潘建偉的團隊，他們在2021年5月構(gòu)建了當(dāng)時超導(dǎo)量子比特數(shù)目最多的62比特超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之號”，實現(xiàn)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(rèn)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(fā)展，但這不是諾獎最關(guān)心的。