百年諾貝爾，離生活不遠(yuǎn)

2014-02-20 10:21:00文-余風(fēng)

大眾科學(xué) 2014年11期

文- 余風(fēng)

我們生活中所使用的微波爐、電話、手機(jī)、電視、光纖電纜等，無不與諾貝爾獎(jiǎng)有關(guān)，從這個(gè)意義上來說，諾貝爾獎(jiǎng)其實(shí)離生活很近

10月8日，隨著2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的揭曉，今年諾貝爾獎(jiǎng)三大自然科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)全部花落有主。

日本科學(xué)家赤崎勇、天野浩及美籍日裔科學(xué)家中村修二，因發(fā)明高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；美國科學(xué)家埃里克·貝齊格、威廉·莫納和德國科學(xué)家斯特凡·黑爾，因?yàn)閷晒怙@微成像分辨率帶入“納米時(shí)代”而獲得化學(xué)獎(jiǎng)；擁有美、英雙重國籍的科學(xué)家約翰·奧基夫與挪威科學(xué)家莫澤夫婦，因發(fā)現(xiàn)“大腦內(nèi)部定位系統(tǒng)”而獲得生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

縱觀這三大獲獎(jiǎng)項(xiàng)目，不難發(fā)現(xiàn)，它們與普通人的生活密切相關(guān)——高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管的發(fā)明，將帶來照明領(lǐng)域新革命，推動(dòng)全球節(jié)能；熒光顯微成像分辨率進(jìn)入“納米時(shí)代”，使人類得以更加精確地窺探微觀世界，將為疾病研究和藥物研發(fā)帶來新變革；“大腦內(nèi)部定位系統(tǒng)”的發(fā)現(xiàn)，將為預(yù)防和治療腦部疾病開辟新的渠道。

數(shù)據(jù)顯示，從1901年諾貝爾獎(jiǎng)首次頒發(fā)以來，114年間，全球共有889個(gè)個(gè)人（人次）及組織機(jī)構(gòu)獲獎(jiǎng)。其中，575人次獲得諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)，占獲獎(jiǎng)總數(shù)的64.68%。其中的許多獎(jiǎng)項(xiàng)，如量子理論、新能源核能的發(fā)現(xiàn)和DNA雙螺旋的確定等，無疑都標(biāo)志著20世紀(jì)以來科學(xué)的重大發(fā)展。

1998年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主、美國藥理學(xué)家路易斯·J·伊格納羅曾說：“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。”實(shí)際上，諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)項(xiàng)目正越來越多地應(yīng)用到生活中。

過去20年來，高達(dá)52%的諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)化應(yīng)用——一天之中，我們用到的電話、電視機(jī)、電腦、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、微波爐等日常用品，我們上網(wǎng)使用的光纖，我們看病時(shí)照射的X光片……它們要么是諾貝爾獎(jiǎng)的產(chǎn)物，要么是在獲獎(jiǎng)研究成果基礎(chǔ)上派生出來的。從這個(gè)意義上來說，諾貝爾獎(jiǎng)其實(shí)離我們的生活很近。

X射線與首個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

我們?nèi)メt(yī)院看病時(shí)，常常需要照射X光片，但很少有人知道，X射線的發(fā)現(xiàn)者，正是歷史上首位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者。

1895年11月，德國實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家倫琴在用陰極射線管做實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一種穿透力很強(qiáng)的未知射線，能穿透1000頁的書本、3厘米厚的木板或15毫米厚的鋁板。倫琴將其命名為X射線并拍下了一張用X射線照射他夫人手骨的照片——這是歷史上第一張X光照片。

這一發(fā)現(xiàn)隨即在國際學(xué)術(shù)界引發(fā)轟動(dòng)并成為世紀(jì)之交物理學(xué)三大發(fā)現(xiàn)之一，倫琴也因此獲得1901年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

此后，X射線在世界各地的醫(yī)院中被迅速推廣使用。起先，它只是用于顯示骨骼；后來，借助特殊染料，它又被用來診斷胃部、肺部疾病。如今，X射線已成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的重要診療手段。

X射線的發(fā)現(xiàn)者倫琴

史上第一張X光照片

貝克勒（左）和居里夫婦（右）共同獲得1903年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

①首位諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者馮·貝林

②“光療法先驅(qū)”芬森

③歐立希發(fā)明了治梅毒新藥“606”。

④維生素B1的發(fā)現(xiàn)者艾克曼

⑤青霉素的發(fā)現(xiàn)者弗萊明

⑥霍奇金成功合成了維生素B12。

⑦1958年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者弗雷德里克·桑格

⑧晶體管的發(fā)明者之一約翰·巴丁

⑨集成電路的發(fā)明者杰克·基爾比

⑩集成電路

X射線的發(fā)現(xiàn)還促進(jìn)了20世紀(jì)許多重大科學(xué)成就的出現(xiàn)。數(shù)據(jù)顯示，迄今至少有20位諾貝爾獎(jiǎng)得主的研究成果都是基于X射線而取得的。比如，受這一發(fā)現(xiàn)的影響，亨利·貝克勒在1896年的一次發(fā)光材料試驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)鈾化物的放射性。此后，居里夫婦繼續(xù)研究了這種放射性現(xiàn)象。他們?nèi)艘虼斯餐@得1903年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

攻克瘧疾與梅毒

史上首個(gè)諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)與白喉病有關(guān)。1891年，德國細(xì)菌學(xué)家和免疫學(xué)家馮·貝林首次用自己研制的白喉抗毒素血清成功治愈一位白喉病患兒。1901年，他因此獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

1902年，英國醫(yī)學(xué)家羅斯成為第二個(gè)獲得這一獎(jiǎng)項(xiàng)的人。當(dāng)時(shí)，瘧疾嚴(yán)重危害著人類健康和生命，全球每年有超過3億人患瘧疾，其中300萬人死亡。為探究瘧疾的病因，法國醫(yī)學(xué)家拉韋朗提出瘧原蟲傳染假說。之后，羅斯深入印度瘧疾流行地區(qū)考察，證實(shí)了這一假說并提出通過撲滅瘧原蟲來預(yù)防瘧疾的方案。隨后，瘧疾流行的猖獗勢(shì)頭得到控制。

1903年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，頒給了“光療法先驅(qū)”、丹麥醫(yī)學(xué)家芬森。芬森經(jīng)過多年研究，發(fā)現(xiàn)紅外線能加速天花的痊愈。1895年，他又用紫外線成功治愈了狼瘡。

20世紀(jì)初，德國科學(xué)家歐立希及其日本助手秦佐八郎，在對(duì)上萬只老鼠進(jìn)行了606次實(shí)驗(yàn)后，成功發(fā)明出治療梅毒的砷制劑“606”，開辟了一條用化學(xué)藥物殺死病菌的嶄新道路。1908年，歐立希獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。4年后，他又成功地制成一種更加安全有效的治梅毒新藥——“914”。

發(fā)現(xiàn)胰島素、維生素和青霉素

在歷史上，糖尿病作為一種慢性疾病曾嚴(yán)重危及人類健康。直到1922年，加拿大醫(yī)藥學(xué)家班廷和蘇格蘭生理學(xué)家麥克勞德用他們所提取的胰島素成功控制住了糖尿病的病情，引發(fā)全球轟動(dòng)，他們也因此獲得1923諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

35年后的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，同樣與胰島素有關(guān)——英國生物化學(xué)家弗雷德里克·桑格因成功定序胰島素氨基酸序列而獲獎(jiǎng)。

19世紀(jì)末，荷蘭軍醫(yī)艾克曼從腳氣病的研究中得到啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)第一種維生素——維生素B1并因此獲得1929年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

無獨(dú)有偶，1956年，英國女化學(xué)家霍奇金精確測(cè)定了抗惡性貧血藥物——維生素B12的分子結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)了維生素B12的人工合成，由此摘得1964年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)桂冠。

1945年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，則由“青霉素三元?jiǎng)住备トR明、弗洛里和錢恩共享。

英國細(xì)菌學(xué)家弗萊明于1928年首次發(fā)現(xiàn)了青霉素——這是人類發(fā)現(xiàn)的第一種抗生素。1940年，牛津大學(xué)病理學(xué)家弗洛里和病理化學(xué)家錢恩等人成功研制出最早的青霉素制品。青霉素的發(fā)現(xiàn)，大大增強(qiáng)了人類抵抗細(xì)菌性感染的能力，在二戰(zhàn)中挽救了許多傷員的生命；同時(shí)，它也開創(chuàng)了用抗生素治療疾病的新紀(jì)元。

繼青霉素之后，第二個(gè)被發(fā)現(xiàn)的抗生素是鏈霉素。1943年，美國微生物學(xué)家瓦克斯曼從鏈霉菌中析離得到鏈霉素。鏈霉素的發(fā)現(xiàn)，開創(chuàng)了結(jié)核病治療的新篇章，瓦克斯曼因此獲得1952年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

集成電路帶來數(shù)字革命

今天，電視機(jī)、電腦、微波爐、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、汽車等，已成為人們生活中不可或缺的重要部分，而它們的存在，都離不開集成電路（又稱微電路、芯片）。集成電路被視為信息時(shí)代最重要的一項(xiàng)發(fā)明，在它的基礎(chǔ)之上衍生了幾代電子裝置和控制系統(tǒng)。

1947年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的約翰·巴丁、布拉頓、肖克萊三人發(fā)明了晶體管，這是集成電路發(fā)展中的第一個(gè)里程碑，他們?nèi)艘虼朔窒砹?956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

此后40余年間，集成電路技術(shù)飛速發(fā)展，場(chǎng)效應(yīng)晶體管、光刻工藝、CMOS集成電路、80386微處理器、奔騰處理器、酷睿處理器等相繼問世。此間，美國物理學(xué)家杰克·基爾比、赫伯特·克勒默和俄羅斯物理學(xué)家若爾斯·阿爾費(fèi)羅夫，因發(fā)明集成電路（芯片）、激光二極管和快速晶體管而獲得2000年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

芯片的問世，使微電子技術(shù)成為所有現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ)，帶動(dòng)了從臺(tái)式機(jī)和主機(jī)到通信設(shè)備的全系列技術(shù)的發(fā)展。

此外，從汽車到精密機(jī)械和診斷設(shè)備均由處理器控制。芯片還將人們帶入了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)時(shí)代，并持續(xù)為因特網(wǎng)、下一代高速數(shù)字通信、衛(wèi)星傳輸和多功能無線手持裝置的發(fā)展提供動(dòng)力。

從這個(gè)意義上來說，集成電路正開啟著人們信息世界的未來。

光纖通訊實(shí)現(xiàn)高效傳輸

2009年，華裔物理學(xué)家、“光纖之父”高錕因?yàn)椤霸诠鈱W(xué)通信領(lǐng)域光在纖維中傳輸方面的突破性成就”而與發(fā)明半導(dǎo)體成像器件電荷耦合器的威拉德·博伊爾和喬治·埃爾伍德·史密斯共享諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

早在1966年，高錕就發(fā)表了論文《光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》，開創(chuàng)性地提出光導(dǎo)纖維在通信上應(yīng)用的基本原理。他認(rèn)為，只要解決好玻璃純度和成分等問題，就能利用玻璃制作光學(xué)纖維，從而高效傳輸信息。

這一設(shè)想提出后，有人認(rèn)為是匪夷所思，也有人對(duì)此大加褒揚(yáng)。在爭(zhēng)論中，高錕的設(shè)想?yún)s逐漸變成了現(xiàn)實(shí)：1981年，第一個(gè)光纖系統(tǒng)成功問世。此后，利用石英玻璃制成的光纖應(yīng)用越來越廣泛，在全世界掀起了一場(chǎng)光纖通信的革命。

114年來，電子的發(fā)現(xiàn)、心電圖機(jī)的問世、低溫超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)、核能的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用、骨髓移植治療白血病方法的問世、小兒麻痹癥疫苗的發(fā)明、光合作用的“卡爾文循環(huán)”、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)、CT掃描儀的發(fā)明……無數(shù)獲得諾貝爾獎(jiǎng)的發(fā)明、發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造，照亮了人類科技發(fā)展的星空。展望未來，諾貝爾獎(jiǎng)也必將為人類貢獻(xiàn)更多偉大的發(fā)明、發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造，引領(lǐng)我們步向更加美好的生活。