诺贝尔奖是根据诺贝尔1895年的遗嘱而设立的五个奖项，包括：物理学奖、化学奖、和平奖、生理学或医学奖和文学奖，旨在表彰在物理学、化学、和平、生理学或医学以及文学上“对人类作出最大贡献”的人士；以及瑞典中央银行1968年设立的诺贝尔经济学奖，用于表彰在经济学领域做出杰出贡献的人。

  其中，非常关注的科学类三大奖项：物理学奖、化学奖、生理学与医学奖也已公布。那么，2023年的诺贝尔科学奖又给我们大家带来哪些意义和启示呢？快来听听吴京平老师是如何讲的吧！

  在国庆长假期间最重要的科技新闻就是2023年度的诺贝尔奖公布。我们最关心的是物理学奖、化学奖、生理学与医学奖这三个科学类奖项。

  瑞典艺术家埃米尔·厄斯特曼创作的一幅画作，描绘了诺贝尔奖创始人阿尔弗雷德·诺贝尔。图源：诺贝尔奖委员会官网

  今年的物理学奖颁发给了安妮·吕利耶、皮埃尔·阿戈斯蒂尼和费伦茨·克劳兹。表彰他们在阿秒激光方面做出的贡献。这又是个啥东西呢？您听我慢慢的说。

  阿秒是一个单位，也就是10⁻¹⁸秒 = 一百亿亿分之一秒。这个单位太小太小了，小到你根本没概念。这么说吧，一束光从房间这边飞到房间那边，需要100亿阿秒。所谓的阿秒激光，就是一个激光闪光的时间在阿秒这个量级，大约是几百阿秒的样子，这是一个时间短到不可思议的闪光。

  那么，科学家们为何需要研究这种阿秒激光呢？一个很重要的目的是为了研究原子之中电子的运动和变化。现在大家都有手机，大家都用手机拍个照，你会发现如果有个东西运动特别快，你手机拍出来的照片就是糊的，你根本就看不清楚。你要想看清楚就必须提高相机的快门速度，可是相机的快门速度终归是有限的，那你该怎么去办呢？

  我们换一个思路，我可以不去控制快门的速度，而是控制光照的速度。你有没有在夜空之中看见过闪电，在闪电亮起的一刹那，你能够正常的看到周围静止的那一瞬间。只要闪光足够短，曝光时间也就足够短。

  在原子和分子中，电子的运动非常迅速，它们的测量单位是阿秒（attosecond）。1阿秒之于1秒，相当于1秒之于宇宙的年龄。图源：诺贝尔奖委员会官网

  现在好了，我们想要看到的物质中原子的运动，闪光时间要短到什么程度呢？必须短到飞秒量级。飞秒就是千万亿分之一秒，10⁻¹⁵，也就是说，阿秒和飞秒差了1000倍。1飞秒时间，光可以飞出去0.3微米。如果你只看原子的运动，飞秒量级也就足够了。当然了，现在飞秒激光技术已走进了寻常生活了，很多人做近视眼矫正手术用的就是飞秒激光。

  如果我们想更进一步看清楚原子内部电子的运动和变化的，那么飞秒就不够了。对于电子来讲，原子核简直就是个庞然大物，电子的质量只有质子的1/1800，所以和电子相比，原子核的运动相当的缓慢。如果我们用飞秒激光对原子核内部进行观察的话就会看不清，我们不知道那个电子跑到哪里去了。要想看清楚，就必须把光脉冲的时间进一步缩短，缩短到阿秒量级。

  但是缩这么短的时间，谈何容易啊。这就是这次获奖的三位科学家所作出的贡献，其中的技术细节太过复杂。粗略的讲，他们是利用了高次谐波。这是一个无线电上的术语，我知道一讲术语大家就头疼，我们大概把它类比成琴弦振动。你如果谈过吉他的话，就知道把手指头轻轻按在琴弦的中间，就可以弹出高八度的泛音，频率翻了一倍。你要是技术好的话，还可以在琴弦上找到更多泛音点，频率能翻一倍，翻两倍，都是可以的。

  同样对于闪光脉冲来讲，我们一样可以让它穿过特殊的气体，就像波动琴弦一样，产生出丰富的泛音倍频，让它的脉冲频率不断的翻倍。这样就可以把脉冲时间不断的缩短，就可以缩短到阿秒量级。现在，阿秒脉冲可用来观测并分辨物质内部不同的过程。这些脉冲已被用于探索原子和分子内部的详细物理过程，在电子学和医学等领域都有潜在应用。

  今年最早发布的是生理学与医学奖，颁发给了卡塔琳·卡里克和德鲁·魏斯曼。表彰这二位科学家在mRNA技术方面的重要贡献。大家对新冠疫苗一点都不陌生，这几年大家想必对新冠已经了解够多的了。目前看来，mRNA技术是一大科学突破，这种技术完全颠覆了疫苗的研发流程。

  简单的说，我们对付病毒，依靠的完全是人体自身强大的免疫系统。但是，一个新的病毒出现在我们面前的时候，我们的免疫系统完全不认识这种病毒，不能针对这种病毒做到有效的防御。因此，需要让我们的免疫系统去了解和认识这种病毒。但是如何安全的让免疫系统去认识病毒呢？总不能豁出命去，感染一遍再说吧。就好比你要练习打老虎，一上来就拿真老虎练手，技术没练出来，人倒挂了，这不行。

  弄个死老虎先认识认识，行不行呢？答案是可以的，这是所谓的“灭活疫苗”。死老虎也未必安全啊，万一老虎没死透，又活过来了呢？干脆，弄个猫先练练手，猫和老虎长得像，这是所谓的“减毒疫苗”。最著名的减毒疫苗就是天花疫苗，也就是牛痘。牛痘病毒和天花病毒是一家子，长得非常相似，但是牛痘非常弱，不像天花那样要人命，牛痘只会让你身上长点小脓疱，偶尔发烧，很快就好了，这时候你身体的免疫系统不但能认识牛痘病毒，而且也能认识天花病毒，因为这两个家伙长得太像了嘛。这样，人就可以防御天花病毒的进攻了。

  但是，如果我对付的病毒不是老虎，我们找不到和这个病毒长得非常像，威力又小的类似病毒怎么办呢？我们能不能自己制造一个弱鸡病毒出来呢？这是可以的。我们不是有转基因技术嘛，腺病毒最多能让我们得感冒，也是很轻微的，甚至没啥明显症状。我们把新冠病毒的某些特征转移到腺病毒身上，让我们的免疫系统去识别，去练手。这不就OK了吗？没错，这种疫苗叫做病毒载体疫苗。

  新冠病毒外形长得像个蒺藜球，浑身长着一大堆小蘑菇一样的刺突蛋白。就是这个刺突蛋白导致病毒能顺利的钻进我们的人体细胞里不出来。只要让我们的免疫系统直接能认识这个刺突蛋白就行。只要让腺病毒的外观上也带上这种刺突蛋白就行了。这个刺突蛋白是怎么长出来的呢？实际上的意思就是靠DNA编码，也就是我们所说的遗传物质。

  生物的细胞就像是一座巨大而复杂的化工厂，细胞核里面有很多结构，比如核糖体、染色体、线粒体……多了去了，这些部分各司其职。染色体就是遗传基因的主要载体，我们常说的DNA就在这里面。DNA是由4种碱基构成的一个超级复杂的大分子，形状就像一条长长的拉链，两条长链互相咬合配对。这个DNA就是生成各种蛋白质的总模板。细胞这个巨大的化工厂就是按照DNA提供的图纸在工作。就是生产各种各样复杂的蛋白质，然后由蛋白质再去实现千奇百怪的功能，我们的肌肉就是蛋白质构成的，人体里的各种酶也是蛋白质。自然，新冠的那个刺突蛋白也是这个化工厂加工出来的。我们只要把负责生产刺突蛋白的基因片段找出来，腺病毒的基因里面就行了。

  再进一步，我们能不能把基因片段直接提取出来，让我们的人体细胞自己去生产刺突蛋白，是只有刺突蛋白，没有病毒本体哦。这样一来，我们就可以让免疫系统认识这个刺突蛋白了。这种被提取出来的基因片段就是mRNA，也叫信使RNA。

  思路是可行的，但是技术上难度太大。人体的免疫系统不是那么好糊弄的，外来的遗传物质会被清理掉。清理的过程是所谓的“发炎”。如何让外来的遗传物质不引发炎症呢？这就是卡塔琳·卡里克和德鲁·魏斯曼最主要的贡献了。说白了就是对mRNA做个修饰，就能骗过人体的免疫系统，自己混进去了。这个技术上的突破是在2005年完成的。但是真的得到普遍应用，还是在新冠大流行期间。

  mRNA包含四种不同的碱基，分别简写为 A、U、G 和C。诺贝尔奖获得者们发现，经过碱基修饰的mRNA（Base-modified mRNA）能够在传递至细胞时阻止炎症反应（inflammatory reactions）的激活，并增加蛋白质的产生。图源：诺贝尔奖委员会官网

  mRNA疫苗的优点就是方便快捷，因为mRNA就是一个化学物质。是可以大规模生产的，不需要借助于生物体。而且还可以搞“合订本”，一段mRNA分子可以负责生产一大堆不同的蛋白质，从而获得广谱免疫能力。应对病毒的变异也很方便，不就是改一改分子嘛。这是对疫苗研发的一个重大突破，所以，这几年mRNA技术获得诺奖的呼声很高，所以，这两位科学家获奖也是实至名归。

  这一次的诺贝尔化学奖颁发给了蒙吉·巴文迪、路易斯·布鲁斯和阿列克谢·叶基莫夫，最后这位一听就知道是个俄罗斯人的名字，没错他是俄罗斯人。这三位科学家为纳米技术的蓬勃发展播下了种子。

  他们的贡献都跟量子点有关系。量子点是一种非常小的颗粒，尺寸在2~10纳米，就等于用几千个原子堆成了一个足球的模样，别忘了，体积和尺寸之间是三次方关系，几千个原子捏成个球，其实尺寸才20~50个原子这么大。

  在这个尺度内，量子点显示出一切奇特的性质。不同颗粒直径，可以反射出不同的颜色。用在发光材料上，就可以发出不一样的颜色的光。所以，这种技术也已经走进了寻常百姓家，常见的LED里面，其实就有不少已经用到量子点技术了。

  研究人员相信，未来量子点可以为柔性电子科技类产品、微型传感器、更纤薄的太阳能电池以及加密的量子通信做出贡献。有一点是肯定的——关于令人惊奇的量子现象，还有很多东西需要了解。

  量子点是通常由几千个原子组成的晶体。就尺寸而言，它与足球的关系，相当于一个足球与地球大小的关系。图源：诺贝尔奖委员会官网

  这三位科学家的具体研究过程，我们就不详细讲了，因为这里充满了令人生畏的学术名词。

  最后，我们在留下一个思考题：到底诺贝尔奖偏爱什么样的科学家呢？我们中国何时再会得诺贝尔奖？

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