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(jiǎng)（生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)、物理獎(jiǎng)、化學(xué)獎(jiǎng)），相繼頒給了具有開(kāi)創(chuàng)性意義的研究。對(duì)此最簡(jiǎn)單的理解是，今年獲獎(jiǎng)的研究課題，都可以發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科。

生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)對(duì)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?tīng)枺M(jìn)入“分子級(jí)”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(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(dú)創(chuàng)。

物理獎(jiǎng)對(duì)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(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(jiǎng)對(duì)應(yīng)的是“點(diǎn)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(xiàng)研究，有助于分析得到生物大分子的結(jié)構(gòu)與作用機(jī)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(jiǎng)落定以后，爭(zhēng)議隨之而來(lái)。

例如，知名科學(xué)家、首都醫(yī)科大學(xué)校長(zhǎng)饒毅就發(fā)文質(zhì)疑說(shuō)，今年的生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)“不公平”。他的一個(gè)核心觀點(diǎn)是，帕博的獲獎(jiǎng)研究與“生理學(xué)”或者“醫(yī)學(xué)”關(guān)系都很小，不是諾獎(jiǎng)通常頒獎(jiǎng)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(yīng)該獲獎(jiǎng)的人。

物理獎(jiǎng)也有爭(zhēng)議。在理論的方面，今年物理獎(jiǎng)表彰了“量子不遵循貝爾不等式”的實(shí)驗(yàn)證明，而這牽涉到愛(ài)因斯坦的觀點(diǎn)被否，因此，愛(ài)因斯坦是對(duì)是錯(cuò)，掀起了一陣熱議潮。在應(yīng)用的方面，事實(shí)上，我國(guó)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(cuò)過(guò)此次諾獎(jiǎng)？亦是議論紛紛。

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

科學(xué)問(wèn)題有爭(zhēng)論，這是一件好事。每一年新頒的諾獎(jiǎng)科學(xué)獎(jiǎng)，都將我們帶回到對(duì)“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(jiǎng)的另一重意義所在。

“興趣”是最好的導(dǎo)師

擱置饒毅的意見(jiàn)，我們來(lái)看今年的生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)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(dú)攬獎(jiǎng)項(xiàng)的諾獎(jiǎng)科學(xué)獎(jiǎng)得主，但是他受之無(wú)愧。諾獎(jiǎng)委員會(huì)表示，獎(jiǎng)項(xiàng)是為了表彰他“發(fā)現(xiàn)了與已滅絕古人類和人類進(jìn)化相關(guān)的基因組”。單就這一項(xiàng)研究而言，帕博的確是有開(kāi)創(chuàng)性和“獨(dú)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(xù)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(yī)學(xué)院讀書(shū)，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(jìn)入發(fā)展期。隨著DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，人們開(kāi)始拆解DNA更細(xì)的結(jié)構(gòu)，認(rèn)識(shí)到不同堿基的核酸序列構(gòu)成了生命的密碼。

進(jìn)一步地，在1983年，美國(guó)科學(xué)家Mullis設(shè)計(jì)了PCR（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）實(shí)驗(yàn)技術(shù)，這意味著，DNA可以被大量地人工復(fù)制，對(duì)DNA的研究成本驟然降低。帕博攻讀博士時(shí)的實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)掌握了通過(guò)細(xì)菌（質(zhì)粒）操縱DNA克隆的辦法。

帕博沒(méi)有丟掉他對(duì)古埃及的興趣，可是，他所在的實(shí)驗(yàn)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(duì)一位友人發(fā)泄抱怨，一次次重復(fù)地說(shuō)，古埃及的愛(ài)好他不愿放棄，但分子生物學(xué)也充滿誘惑，因?yàn)樗梢詮姆肿訉用媾袛嗌牟町悺?/p>

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(cè)序那些埃及木乃伊的DNA呢？”

一個(gè)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(cè)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(méi)有人做過(guò)這樣的事，這讓帕博激動(dòng)不已。

隨著研究的推進(jìn)，這個(gè)“交叉”愈發(fā)復(fù)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？著名物理學(xué)家、1957年諾獎(jiǎng)物理獎(jiǎng)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(jī)遇?！耙粋€(gè)人的興趣和能力恰巧與當(dāng)時(shí)有機(jī)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(yī)學(xué)獎(jiǎng)是帕博的單打獨(dú)斗，今年的物理獎(jiǎng)則是星光熠熠的爭(zhēng)流百舸。

物理學(xué)獎(jiǎng)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(jiǎng)理由是，表彰他們“用糾纏光子驗(yàn)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(duì)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(shì)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(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(shù)學(xué)語(yǔ)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(gè)人，單拎出來(lái)都是“物理巨人”。而今年物理獎(jiǎng)的故事，就要從愛(ài)因斯坦講起。

本文嘗試用簡(jiǎn)單的類比，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(jì)第谷的角色。

第谷是“地心說(shuō)”的擁護(hù)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(xiàn)，“地心說(shuō)”確實(shí)存在危機(jī)，于是他30年如一日地堅(jiān)持觀測(cè)天文，詳細(xì)地記錄下天體運(yùn)行軌跡，試圖完善“地心說(shuō)”。

量子學(xué)說(shuō)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(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(dāng)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(cuò)，量子糾纏的誕生，是用來(lái)反對(duì)當(dāng)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)因斯坦的觀點(diǎn)，并且把“EPR佯謬”的理論數(shù)學(xué)公式化，得出一個(gè)可驗(yàn)證的不等式。按照他的觀點(diǎn)，這個(gè)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(lái)越嚴(yán)格的置信區(qū)間驗(yàn)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(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(xí)長(zhǎng)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(nèi)涵。

由此，愛(ài)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(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(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(shí)，簡(jiǎn)單的答案最好

獲得諾獎(jiǎng)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(guó)科學(xué)家卡爾·巴里·夏普利斯。這是他第二次獲得諾獎(jiǎng)。

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

如果要找出今年化學(xué)獎(jiǎng)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(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(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(jī)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(shuō)明書(shū)”。

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(zhǎng)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(gòu)”，但他很難理解這種觀點(diǎn)，“因?yàn)樯⒉恢皇且粋€(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(zhuǎn)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(gòu)建單元快速而有效地結(jié)合在一起。

沒(méi)過(guò)多久，他和另一位化學(xué)獎(jiǎng)得主莫滕·梅爾達(dá)各自獨(dú)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(jiǎng)委員會(huì)對(duì)此的總結(jié)很精妙：“有時(shí)，簡(jiǎn)單的答案是最好的?！?/p>

量子信息科技的應(yīng)用廣泛，2018—2019年，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)曾通過(guò)“天宮二號(hào)”實(shí)驗(yàn)室與地面上的終端，實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)量子加密虛擬電話會(huì)議。圖為航天員在中國(guó)空間站內(nèi)? （圖/視覺(jué)中國(guó)）

“0到1”與“1到100”，孰強(qiáng)？

每年隨著科學(xué)獎(jiǎng)的落定，一個(gè)問(wèn)題總是無(wú)法避免被提及：中國(guó)距離下一個(gè)諾獎(jiǎng)還有多遠(yuǎn)？

答案在不同人看來(lái)，自有不同。

不過(guò)，今年的物理獎(jiǎng)，似乎帶來(lái)了樂(lè)觀的理由。這是物理獎(jiǎng)第一次頒發(fā)給“量子信息科學(xué)”領(lǐng)域，要知道，我國(guó)在這一領(lǐng)域處于國(guó)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(jì)算機(jī)。

先看量子通信方面，中科院院士潘建偉的團(tuán)隊(duì)，無(wú)疑是行業(yè)翹楚。

早在2016年8月，我國(guó)的“墨子號(hào)”發(fā)射升空，這是全球第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。目前為止，“墨子號(hào)”已順利完成了三大科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。在此基礎(chǔ)上，我國(guó)又完成了“墨子號(hào)”和“京滬干線”的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了洲際量子保密通信。

除了“墨子號(hào)”的天基網(wǎng)絡(luò)，在地面上的量子通訊網(wǎng)，在中國(guó)也發(fā)展迅速。今年2月，郭光燦院士的團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了833公里光纖量子密鑰分發(fā)。

接著再看量子計(jì)算機(jī)，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(tuán)隊(duì)研發(fā)的光量子計(jì)算機(jī)“九章”，對(duì)高斯玻色取樣問(wèn)題的計(jì)算速度，比世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快100萬(wàn)億倍，在全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)了“量子計(jì)算優(yōu)越性”。

量子計(jì)算機(jī)有不同的路線，另一個(gè)被看好的是超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。仍是潘建偉的團(tuán)隊(duì)，他們?cè)?021年5月構(gòu)建了當(dāng)時(shí)超導(dǎo)量子比特?cái)?shù)目最多的62比特超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號(hào)”，實(shí)現(xiàn)了可編程的二維量子行走。

因?yàn)檫@一系列明確的成果，在今年物理獎(jiǎng)?lì)C給量子信息科技時(shí)，獲獎(jiǎng)人沒(méi)有潘建偉引起了惋惜。甚至在頒獎(jiǎng)講話中，諾獎(jiǎng)委員會(huì)多次提到潘建偉團(tuán)隊(duì)的研究，明確肯定了他們的貢獻(xiàn)與成就。

有觀點(diǎn)認(rèn)為，潘建偉雖然師從塞林格，對(duì)于獲獎(jiǎng)研究的貢獻(xiàn)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(jiǎng)最關(guān)心的。