2023年10月2日起，2023年诺贝尔奖陆续揭晓。2023年的生理学或医学奖授予卡塔琳 · 卡里科（Katalin Karikó）和德鲁 · 魏斯曼（Drew Weissman），以表彰他们“在核苷碱基修饰方面的发现，这项发现对于新冠大流行期间针对病毒的mRNA疫苗的快速研发至关重要”。物理学奖授予皮埃尔 · 阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、费伦茨 · 克劳斯（Ferenc Krausz）和安妮 · 吕利耶（Anne L'Huillier），以表彰他们“发现了产生阿秒光脉冲的实验方法，这项发现可用于物质中电子动力学的研究”。化学奖授予蒙吉 · 巴文迪（Moungi Bawendi）、路易斯 · 布鲁斯（Louis Brus）和阿列克谢 · 埃基莫夫（Alexei Ekimov），以表彰他们在“发现和合成量子点”方面的贡献。

诺贝尔生理学或医学奖归属mRNA疫苗相关研究

2023年诺贝尔生理学或医学奖得主卡塔琳·卡里科（左）和德鲁·魏斯曼（右）

诺贝尔科学奖（生理学或医学、物理、化学）的归属往往出人意料。例如，2022年的生理学奖颁给了斯万特 · 帕博（Svante Paabo），古DNA领域奠基人，其对已灭绝人类基因组的揭示工作为我们认知人类进化提供了大量线索。

帕博获奖当之无愧，不过鉴于新冠大流行的特殊情况，一些人认为2022年生理学或医学奖有更恰当的得主，那便是帮助开发mRNA疫苗的科学家。人们不会忘记，针对COVID-19的mRNA疫苗以前所未见的速度被发明、测试和部署……2023年，瑞典斯德哥尔摩卡罗林斯卡学院做出了恰当的选择。

2023年诺贝尔生理学或医学奖的获得者是卡塔琳 · 卡里科和德鲁 · 魏斯曼。他们曾经在宾夕法尼亚大学共事，目前卡里科博士主要在祖国匈牙利的塞格德大学工作。许多人都声称自己为mRNA疫苗研发贡献良多，但卡里科和魏斯曼的工作才是最重要的基石，是他们找到方法来阻止mRNA疫苗核心分子触发人体免疫反应（免疫防御将导致疫苗失效），进而为一项拯救数百万人生命的技术奠定了基础。他们的突破性成果，也从根本上改变了科学界对mRNA与免疫系统相互作用方式的理解。

简单来说，分子遗传学的工作原理涉及四个遗传 “字母”，即四种碱基。DNA的四个遗传字母分别为A、C、G、T，即腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤、胸腺嘧啶。所谓的转录，就是DNA的遗传字母序列被复制为类似DNA的mRNA分子。（RNA没有T，但有U，即尿嘧啶。）mRNA分子承载的信息——mRNA中的字母“m”指“信使”——随后被称为核糖体的分子机器读取，并用于组装所需的蛋白质。这就是所谓的翻译。

运用mRNA疫苗防治传染病的流程是这样的：创建编码抗原蛋白的mRNA，将其注入人体，接种者体内核糖体读取信息、进行翻译，得到对应的抗原蛋白。免疫系统能识别抗原蛋白，将其标记为敌人。以后若有携带此抗原的真病原体出现，免疫系统可以快速应对。

然而，生物学中无易事。生产mRNA疫苗的早期尝试遇到了困难：机体会对外来RNA产生免疫防御。细胞认定自己已被感染，将来访分子视为外敌，激活炎症，以杀死对手。

当时卡里科和魏斯曼意识到，人工创建的RNA与天然RNA之间必定存在某些显著化学差异。一系列实验揭示了这种差异在于尿嘧啶的确切化学成分。将尿嘧啶成分调整为人类版本（修改mRNA天然尿苷上的碱基，使其变成“假尿苷”），问题就解决了。

上述种种都发生在2005年。之后，这个领域缓慢而稳步地发展。到2020年初，当世界各国政府惊慌失措时，两家公司——拜恩泰科（BioNTech，卡里科博士曾担任高级副总裁）和莫德纳（Moderna）——已经在研究mRNA疫苗。他们创建了编码新冠刺突蛋白的mRNA，从而开发出有效针对新冠病毒的mRNA疫苗版本。

挽救数百万人生命的疫苗让卡里科和魏斯曼成为英雄。而2023年的诺贝尔奖委员会显然认识到了这一事实。

诺贝尔物理学奖授予观察电子运动的物理学家

原子内部的世界转“阿秒”即逝。围绕原子核运动的电子能在不到一阿秒的时间里改变其位置或能量。一阿秒是一秒的十亿分之一的十亿分之一，一秒含有的阿秒数量比现在宇宙年龄含有的秒的数量多一倍不止。

2023年诺贝尔物理学奖得主皮埃尔·阿戈斯蒂尼（左）、费伦茨·克劳斯（中）和安妮·吕利耶（右）

因此，直接观察电子的运动非常困难。不过，2023年诺贝尔物理学奖得主找到了一种观察电子世界的方法。皮埃尔 · 阿戈斯蒂尼、费伦茨 · 克劳斯和安妮 · 吕利耶引领了阿秒激光技术的发明——每个阿秒激光脉冲仅持续几百阿秒，可用于拍摄电子运动的快照。

阿秒超快激光的工作原理与闪光灯类似，能帮助捕捉日常生活中快速移动物体的运动画面。例如，蜂鸟每秒可以拍打翅膀80次，这是人眼很难分辨的，而借助高速相机和闪烁速度快于蜂鸟翅膀拍动速度的闪光灯，就可以拍摄蜂鸟在飞行中的动作细节。

吕利耶教授的工作产生了短到足以观察电子运动的光脉冲。1987年，她在巴黎附近的萨克雷核研究中心工作，试验激光和氩气或氖气等惰性气体。她发现激光将能量传递给气体原子，使它们的电子脱离原子核控制，而当这些电子最终被重新控制住时，便会以光的形式释放能量。

这些光的波依次相互作用。它们的波峰重合时，就会变得更加强烈。当波峰遇到波谷，光的强度就会下降。有时，如果光的波能以正确方式发生相互作用，它们就会产生持续几百阿秒的紫外脉冲。

2001年，同样在法国工作的阿戈斯蒂尼将吕利耶的观察结果转化为一项可操作的技术。他设计了一种能产生一系列光脉冲的方法，每个脉冲可持续250阿秒。大约同一时间，克劳斯在维也纳独立工作，成功产出一系列脉冲，每个脉冲持续650阿秒。

如今，科学家已将光脉冲进一步缩短至几十阿秒。当然，这些超快的“闪光灯”仍不够快，无法清楚定格原子核周围的电子，但拍摄得模糊总比没法拍摄强得多。在理想的阿秒光脉冲出现之前，科学家只能谈论电子在特定时间处于特定位置的概率。这些脉冲还可用于测量电子与原子核的结合程度，以及化学反应过程中电子脱离原子核所需的时间。

其他方面的应用就更遥远了。阿秒光脉冲有望应用于创造超快电子器件，这种器件的半导体在绝缘和导电状态之间的切换速度会比现在快得多。此外，它们也可用于助推大型分子发射特征辐射（由分子的精确化学组成决定）。举个例子，我们可以用它分析血液样本，寻找最细微的疾病标志物。

诺贝尔化学奖花落量子点研究

2023年诺贝尔化学奖得主蒙吉·巴文迪（左）、路易斯·布鲁斯（中）和阿列克谢·埃基莫夫（右）

量子世界充满悖论。光由粒子还是波组成？纠缠粒子如何能以比光速更快的速度相互影响？如果诺贝尔奖委员会直到颁奖当天上午晚些时候才确定获奖者——至少官方是这么说的——那么为什么有两份瑞典报纸会比官方早几个小时披露获奖者名单？

2023年诺贝尔化学奖名单提前泄露事件是史无前例的。有些人误以为报纸发了假消息。然而，最终，事实证明获奖者就是那三位——蒙吉 · 巴文迪、路易斯 · 布鲁斯和阿列克谢 · 埃基莫夫。他们发现、解释并利用了量子领域一个违反直觉的规律：材料特性有时不仅取决于化学成分，而且取决于大小。

这种挑战直觉的材料就是量子点，也就是半导体纳米晶体。当紫外光脉冲赋予量子点能量时，量子点内的电子会被激发至更高能态，脱离原子核控制，同时又被束缚于晶体结构内，直到它们再以发射光波的形式释放能量，然后回归初始状态。

然而，量子点的微小尺寸限制了电子所能发射的光的波长。光的颜色由波长决定。较小尺寸的量子点产生能量较高的蓝光，较大尺寸的量子点则产生能量较低的红光。如果量子点的尺寸超过10纳米（大约是红细胞尺寸的千分之一），能产生光的量子效应就会消失。

自20世纪30年代以来，关于量子点物理学原理的理论就已十分成熟。但应用这些知识看起来不大可能。1979年，情况发生了变化，当时任职于苏联圣彼得堡瓦维洛夫国立光学研究所的埃基莫夫开始了对量子点的首次实验生产。他生产玻璃，同时得到了形成于玻璃内部的微小氯化铜晶体——改变晶体尺寸，就可改变它们发出的光的颜色。此项工作证明了先前的理论预测。瑞典皇家理工学院的奥洛夫 · 拉姆斯特罗姆（Olof Ramstrōm）表示，埃基莫夫的实验意味着，一些中世纪的彩色玻璃制造商很可能不知不觉地开拓了量子点应用前沿。

彩色玻璃或许很有吸引力，但对科学家来说，它是一种很难使用的介质。1983年，科学家发现了一种更易于处理的玻璃制造方法。当时在美国新泽西州贝尔实验室工作的布鲁斯博士发现溶液中自由漂浮的粒子也具备材料尺寸起主要作用的量子效应。

如果要在商业上应用量子点的神奇特性，就必须开展细致的工程设计。工程问题的解决者正是第三位获奖者，来自麻省理工学院的巴文迪博士。1993年，他和研究小组经过无数次实验后发现，在特制加热溶液中注入恰好使溶液饱和且能够生成纳米晶体的物质，然后再调整溶液温度，就能得到指定大小的量子点，而且品质几乎完美。这种简单易行的生产方法开启了大规模应用量子点的大门。

之后几十年间，量子点对人类生产生活产生了深远影响。它们被用于照明、太阳能利用以及生物医学成像（标记身体部位）。所谓的QLED电视（Q即代表量子点）和电脑显示器被大批生产、广泛使用，且迅速进入大众市场，具有高色域、高亮度、不易“烧屏”、使用寿命长等诸多优点。目前，量子点在高端电视方面的应用最为大众所知，但未来甚至有望应用于量子计算机的架构中。

量子点最重大的影响可能还是在纳米科学领域。这个领域旨在利用各种量子奇异性以实现多样应用。尽管长期以来，科学家一直梦想围绕量子点开疆拓土，但鲜有人认为如此微小规模的精密工程具有可行性。2023年诺贝尔化学奖得主的工作带来了同行急需的希望。

资料来源 The Economist