那些看不见的诺贝尔奖

2015年12月10日，诺贝尔奖颁奖仪式在斯德哥尔摩举行。这不仅是科技界的盛宴，也是人类自我审视的时刻。

与许多人的想象不同，诺贝尔奖并不总是宏伟、壮丽和壮丽的，而是更加关注那些在某一领域的关键环节做出突出贡献的人。换句话说，在“探索”的道路上，不时会有一些狭窄的小路、死胡同，甚至是高山和陡峭的悬崖，而有些人凭借自己的智慧和智慧，可以拓宽道路，建造一座起飞的桥梁，从这一关键的一步起飞。

他们的一些研究太难，一些涉及微观层面。他们经常在公众的视线之外徘徊，但他们永远不应该被遗忘。

诺贝尔奖颁奖典礼在斯德哥尔摩音乐厅举行

光电效应

1905年，爱因斯坦的头发没有变得凌乱，但他留着浓密的胡须。他还不是布满皱纹的“智慧的象征”，但他已经积累了足够的天赋和勇气。今年，他在《物理年鉴》上先后发表了四篇论文，分别讨论了光电效应、布朗运动、质量和能量等效以及狭义相对论。他就像一个精通少林绝学和武当心法的武学专家。他花时间练习了两次小李的飞刀，实际上“没有空盒子这样的东西…”

爱因斯坦在1905年

现在，高中毕业的人都知道光具有波粒二象性，但在20世纪初，这是一个伟大的原理问题。自从艾萨克·牛顿爵士精心诠释了薄膜传输和牛顿环之后，光的粒子理论成为了一个主导人物，并逐渐有了统一江湖的趋势。然而，有一个叫托马斯·杨的人把双缝衍射作为改造光波理论的武器。后来，泊松亮点现象使光的粒子理论崩溃了。最后，麦克斯韦对电磁理论的讨论确立了光波理论的主导地位。

至少当时人们是这样认为的。

然而，在波派太高兴之前，光电效应来了。1887年，德国物理学家海因里希·赫兹发现金属电极上的紫外线辐射有助于产生电火花。如果波动理论是正确的，那么光就是波，不管是哪种光，只要它的强度足够大，它就能从金属内部激发电子。光的频率，也就是波动的次数，决定了受激电子的数量。然而，实验结果表明，对于特定的金属，电子能否被激发仅取决于光的频率，而被激发的电子数量取决于光的强度。

如果理论推导与实验现象不一致，那么其中一个必然是错误的。

爱因斯坦在他的《光的产生和转换的启发性观点》中假设，“当一个点发出的光在不断膨胀的空间中传播时，它的能量不是连续分布的，而是由有限数量的能量光子组成，这些光子被限制在空间的某一点上。这些高能分子是不可分割的，它们只能被整体吸收或发射出来……”[1]

打个不恰当的比方，这就像骑自行车。如果你用均匀的力量踩踏你的自行车，那么自行车是否会走路只取决于你的力量。踩踏板的频率决定了自行车的速度。

三月发表的论文，像三月的春雨，融化了粒子学派和波动学派之间的冰，打破了经典力学的乌云城，诞生了量子理论，点燃了新能源的希望，开启了一个新时代。此外，它也很有价值，因为爱因斯坦因在光电效应方面的理论突破而获得了1921年诺贝尔物理学奖。

原子结构

1900年4月27日，伦敦阿尔伯马尔皇家研究所举行了一次众星云集的科学报告。备受尊敬的凯文男爵说:“动力学理论认为热和光都是运动的模式。但是现在，这一理论的美丽和清晰被两朵乌云遮住了，这两朵乌云似乎被遮住了……”

在科学史上，总有一些大师在前人的基础上，依靠自己杰出的才能，总结和发展了一套理论，如牛顿和他的经典力学。然而，历史在否定中前进。随着科学的发展，总会有一些原始理论无法解决的问题。这不是不可知论的借口，相反，它表明我们对世界的理解更进一步了。

拜伦·开尔文的两个乌云，一个是指经典力学在光学以太上遇到的困难，另一个是指黑体辐射研究中的困难。两者最终导致了相对论和量子理论的诞生。【2】

前者几乎是由阿尔伯特·爱因斯坦独立完成的，而后者则交给了玻尔和他的学生。

与爱因斯坦不同，尼尔斯·玻尔出生在一个富裕的家庭，不需要进入专利局来养家。1911年，玻尔获得了卡尔斯堡基金会的奖学金，并成为剑桥大学卡文迪许实验室的博士后研究员。后来，他遇到了欧内斯特·卢瑟福，并开始将卢瑟福的原子模型与普朗克的发现结合起来。

卢瑟福通过粒子轰击实验提出了他自己的假设:原子由原子核和电子组成，原子核非常小且居中，电子围绕原子核运动，就像行星围绕恒星一样。因此，这个模型也被称为行星模型。

碳原子结构示意图

这个假设可以解释轰击实验的结果，但它不能回答一个致命的问题:如果电子绕着原子核运动，那么在这个过程中，电子会辐射能量，脱离轨道，一步一步地滑向原子核，最终所有的原子都会崩溃，这显然与现实不符。

玻尔在提到普朗克对黑体辐射的研究时，提出原子核外的电子只在特定的轨道上运行，并且由于势能而稳定，这被称为稳态。如果条件改变，电子只能从一个特定的轨道转移到另一个轨道，发射恒定的能量。这个模型叫做玻尔模型。

玻尔的模型是一个折中方案，引入了量子理论，但他的一半脚仍然在经典力学上，所以它很快被一个更好的模型所取代。然而，这并不不利于他的杰出，因为玻尔模型，他获得了诺贝尔物理学奖；除了学术成就，他还是一位伟大的导师。泡利、海森堡、赫维西、兰道和加莫夫等一系列伟大人物都在他的哥本哈根研究所学习和工作。

玻尔原子模型

晶体引起的x射线衍射

如果爱因斯坦和玻尔是“求仁，求仁”，那么晶体的x光衍射就有“无心”的含义。尽管布拉格父子很快因为他们的发现获得了1915年诺贝尔物理学奖，但后来的事件表明这一发现的价值仍然被低估了——至少相当于3到5个诺贝尔奖。

喜欢扔数字产品的朋友一定知道路由器有两个频带，一个是2.4G，另一个是5G。这里的2.4G和5G指的是频率。2.4G频率低，波长长，遇到缝隙时容易衍射，所以2.4G路由器似乎有更好的“穿墙”效果。5G路由器发射较短的波长，更有可能直接通过反射。因此，5G路由器可以很好地覆盖特定的房间，但是它们“穿墙”的能力相对较差。

波，无论是可见光波还是不可见的电磁波，如x光，在遇到缝隙时都会面临选择:如果缝隙大于波长，光波就会直接进入；如果间隙等于甚至小于波长，就会发生衍射。狭缝的数量和形状影响衍射条纹的图案。三者之间的关系(波长，狭缝，衍射条纹)可以用公式来描述。这也意味着第三方可以通过澄清两者来推断。

1895年11月8日，伦琴发现了x光，这种不可见光很快引起了物理学家的兴趣。x光是一种穿透力很强的中性粒子流还是一种波长更短的电磁波？鉴于谷物派和波浪派将再次开战，劳厄用一个微妙的实验来解决争端。

晶体由一系列重复的结构组成，称为晶胞。单元电池之间有间隙。换句话说，晶体可以被看作是一个充满缝隙的三维衍射工具。那么，如果X射线是电磁波，它穿过晶体后肯定会产生衍射。

1912年4月，弗里德里希和克里彭成功地观察到了X射线穿过硫酸铜后的衍射斑点，证实了X射线的波动。这个消息传到了英国，引起了布拉格和他儿子们的极大关注。1912年暑假后，布拉格开始做x射线透射硫化锌晶体实验，发现衍射光斑的大小随底片与晶体之间的距离而变化，并确定这可能是晶面反射的聚焦结果。同年10月，布拉格推导出著名的布拉格方程。【3】

对晶体X射线衍射的研究可能会结束，但它正在酝酿的风暴刚刚开始形成。41年后，卡文迪什实验室的两个年轻人，依靠x光衍射图，解开了生命最深层的秘密——DNA分子结构。

Dna x射线衍射图

迄今为止，晶体X射线衍射仍然是结构分析的利器，在药物分析中发挥着重要作用。例如，2005年，美国加州大学的研究人员利用x光结晶学，在非典病毒基因组中发现了一个特殊的核糖核酸片段。这一片段在不同的非典病毒株中不会改变，因此这一核糖核酸片段可能成为未来抗非典药物的“靶标”。【4】

科氏公设

数学是所有学科当之无愧的母亲。除了数学，物理扮演哥哥的角色。没有凸透镜成像的研究，显微镜从何而来？没有显微镜怎么能找到致病菌？

到19世纪中叶，医生们已经建立了现代解剖学，并知道柳树皮在解热、抗炎和镇痛方面的有效成分。然而，疾病的原因仍然是个谜。希波克拉底的体液理论正逐渐失去市场。中国医生不相信阴阳和五行。

1864年，伟大的生物学家巴斯德设计了著名的烧瓶实验。他把肉汤倒进烧瓶，然后把烧瓶放在火焰上，拉出长长的弯曲的脖子，让它站着。结果表明，肉汤不会长时间变质。一旦去掉长脖子，肉汤很快就会腐烂变酸。

巴斯德的实验表明空气中有一些微生物。虽然这些微生物看不见也摸不着，但它们对肉汤有真正的影响。

那么，这些微生物是一些疾病的原因吗？

在前人的基础上(凯西·米尔达·韦纳发现炭疽可以在牛之间直接传播)，罗伯特·科赫以他卓越的智力解决了血液净化和细菌培养的难题。最后，在1876年，他发现了炭疽杆菌的致病性，并成为人类历史上第一个发现病原体的科学家。后来，他利用染色、纯化、培养等技术发现了结核杆菌——结核分枝杆菌，并因此获得了1905年诺贝尔生理医学奖。

在研究微生物的过程中，科赫总结出一套判断致病菌的方法，称为科赫定律。这套规则有四条。首先，在患者或受感染部位可以发现一些微生物，但是在健康个体中不能发现这种微生物。其次，病原体可以被分离和培养，并且它的各种特征应该被同时记录。第三，将分离和纯化的病原菌接种到健康个体中，所述健康个体应该具有与患者相似或相同的症状。最后，这个新病人应该能够分离出与以前完全相同的病原菌。

无论是分离纯化技术、培养基的发明和制造，还是这套判断原则，都在生物和医学领域产生了巨大的影响。他也被认为是细菌学的创始人，因为这一系列杰出的贡献，巴斯德说。

当然，技术和方法总是在进步。随着新的检测方法和新的致病菌的出现，科勒定律不再是黄金法则。然而，这种方法所体现的严谨精神和智慧将永远是宝贵的财富。

炭疽杆菌

心电图

谈到检测技术，人们不能不提到心电图。

1791年的一个阳光明媚的日子，意大利解剖学家路易吉·阿洛伊西奥·加尔瓦尼在测试台上挥动青蛙。在闪电石火中，他突然发现被切断的青蛙腿在被电火花接触时会抽搐。后来，他发现即使他不直接接触电源，他也可以只用一把金属手术刀来复制抽搐。因此，他得出结论，动物体内存在肌肉电流。

虽然这种说法是错误的，但生物学家的兴趣已经被成功点燃，神经电生理学的研究也不能停止。

时间流逝，1832年，意大利生理学家对青蛙肌肉进行了一系列实验，发现不是肌肉产生电流，而是收缩的肌肉产生电流。接下来，德国同事重复了他们的实验，并用动作电位描述了这种肌肉收缩的电反应。通过这种方式，自然地，科学家们正一步一步走向人体中最神秘的肌肉——心肌。

现在我们知道，在静止状态下，带正电的阳离子排列在心肌细胞的细胞膜外，带负电的阴离子以相同的比例排列在细胞膜内。当细胞的一端受到刺激时，细胞膜的渗透性发生变化，细胞膜内外的正负离子分布在受刺激的位置发生逆转。这种逆转沿着心肌细胞传递并形成电流。

由于心脏是由心肌构成的，并且每次心肌收缩时都会产生电生理变化，我们能通过检测这种电生理变化来推断心脏的健康状况吗？

1887年，皇家学会玛丽医院举行了划时代的科学演示:医院的生理学教授沃勒用毛细管静电计记录了狗和人类心脏的心电图。在演示过程中，沃勒当场成功记录了第一个人体心电图。虽然从现代的角度来看，这种心电图非常粗糙，甚至没有心房的P波，但是，0比1的突破已经完成。

沃勒的实验吸引了许多人，从那时起，许多科学家致力于心电图的改进，试图减少外部环境的干扰，创造出有临床意义的测量工具。

16年后，威廉·爱因斯坦·芬恩提出了自己的计划。

受阿德于1897年发明的弦线电流计的启发，他把镀银的应时画成了悬在两边磁铁之间的细绳(直径只有2.1μm，只有放大镜才能看到)。当体表心电图稍有变化时，弦就会摆动。通过这个装置，他将振荡放大了近500倍，最终得到了清晰的心电图，并将每一个波命名为P波、Q波、R波、S波、T波和U波。这些名字至今仍在使用。【5】

又过了21年，1924年，爱因斯坦·芬因其心电图的发明获得了诺贝尔生理医学奖。一百多年来，心电图因其价格低廉、检测准确、对患者无痛苦而成为临床上最常用的检测方法。今天，心电图技术正朝着更小、更智能的方向发展。例如，今年三星宣布开发一种新型生物信息处理器。该处理器专为可穿戴设备(如智能手表)设计，具有心电图监测和血流记录等功能。随着时间的推移，它可能会取代方方正正的心电图仪，成为医生们可靠的新一代“雷达”。

一种装有生物信息芯片的可检测心电图的智能手表

g蛋白偶联受体

马克思曾经说过:“哲学家只是用不同的方式解释世界。问题是要改变世界。”然而，对医生来说，生命的奥秘太难合理解释了。

古诗词中有一句话:“长江围郭，鱼之美；好竹连山，笋之香。”人们是如何获得嗅觉和味觉的？

不同的人有不同的答案。喜欢读书的孩子可能会说，“气味从食物中散发到鼻子里，人们闻到了。”大学生对神经系统有基本的了解，并且知道神经元之间存在突触。神经元通过突触释放神经递质。神经递质刺激邻近的神经元，一个接一个循环，最终将神经冲动传递到嗅觉中心。

问题是，气味分子进入鼻腔后，神经元兴奋前会发生什么？

这需要专业人士来回答。

2012年诺贝尔化学奖授予了美国科学家罗伯特。莱夫科维茨和布莱恩·K·科比尔卡对g蛋白偶联受体研究的杰出贡献。其中，罗伯特·J·莱福特霍维茨首先详细阐述了β2肾上腺素及其相关受体的序列、结构和功能。同时，他还发现了两个可以调节其功能的蛋白质家族，即g蛋白偶联受体(GPCR)和β-抑制素。布莱恩·K·科比尔卡以研究GPCR的结构和活动而闻名。【6】

g蛋白偶联受体是一类膜蛋白受体的总称。所谓的膜蛋白，顾名思义，生长在细胞膜上。g蛋白偶联受体有许多不同的类型，每一种都有不同的结构，但是不管是哪一种，它们都会穿过细胞膜七次。这也是G蛋白偶联受体最典型的特征之一。

当某些化学物质，如气味分子、药物中的活性成分和G蛋白偶联受体结合在一起时，G蛋白偶联受体的结构将发生改变，进而改变其他物质，在分级传递下产生各种生物效应。目前，与G蛋白偶联受体相互作用的已知化学物质或活化因子包括气味、信息素、激素、神经递质、趋化因子等。这些受体可以是糖、脂类、多肽的小分子，也可以是蛋白质等生物大分子。

这就像工厂里的装配线。各种原材料通过分选机进行分析和转移，最终通过许多工人的手成为成品。g蛋白偶联受体起分拣机的作用，它不仅重要，而且用途广泛。

由于G蛋白偶联受体的广泛功能及其与癌症等相关信号通路的密切联系，G蛋白偶联受体作为药物设计靶点具有非常广阔的应用前景。

G蛋白偶联受体生理作用示意图

如果你能在小学、中学和大学的许多考试中脱颖而出，如果你能经受住基本技能培训、专业技能培训和实验室事故的冲击，如果你认为金钱能带来死亡或死亡，名誉对你来说就像一朵云，那么你就有可能成为一名科研工作者。

爱因斯坦和贝尔代表了一种科学研究者。他们的崇高品格和严肃态度是毋庸置疑的，但他们更注重科学本身，而不是国民经济和民生。对未知事物的好奇心支撑着他们，并将他们引向人类智慧的顶峰。

爱因斯坦·芬恩和其他人代表了另一条道路。他们在知识和实践之间找到了平衡。

你呢，你会选择哪一个？

1927年，在萨尔温江会议上拍摄了一张集体照。出席会议的29人中有17人获得或后来获得了诺贝尔奖。

参考

1.关于光的产生和转换的启发性观点，安。德。物理，17(1905)132 .

2.曹天元。量子物理学史:上帝会掷骰子吗？[。2008.

3.麦真红。晶体X射线衍射的发现及其深远影响[。现代物理知识，2003，15(5): 555。

4.美国[发现非典病毒特异性核糖核酸片段。中国生物技术，2005，25(1): 95。

5.郭。百年辉煌，许多人在床上翱翔——记心电图百年发展史。中国医学论坛，2014年10月13日

6.肖鹏，杨乐，张春，等.蛋白质偶联受体家族的发现与结构机制研究——解读2012年[诺贝尔化学奖.生物化学与生物物理学进展，2012，39(011): 1050-1060。