今年諾貝爾獎(jiǎng)的三大自然科學(xué)獎(jiǎng)“塵埃落定”。英國(guó)理論物理學(xué)家彼得·希格斯、比利時(shí)理論物理學(xué)家弗朗索瓦·恩格勒特因成功預(yù)測(cè)希格斯玻色子（又稱(chēng)“上帝粒子”）而獲得2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；三名美科學(xué)家分別為：馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特和阿里耶·瓦謝勒因在開(kāi)發(fā)多尺度復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)模型方面所作的貢獻(xiàn)而獲得了本年度的化學(xué)獎(jiǎng)；美國(guó)科學(xué)家詹姆斯·羅思曼、蘭迪·謝克曼以及德國(guó)科學(xué)家托馬斯·祖德霍夫三人“共同揭示了控制細(xì)胞貨物進(jìn)行精確轉(zhuǎn)運(yùn)的分子機(jī)制”而獲得了醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

三大自然科學(xué)諾獎(jiǎng)獲得者到底解決了什么問(wèn)題？解決這些問(wèn)題的價(jià)值何在？能給我們的生活帶來(lái)什么？為此，記者采訪(fǎng)了有關(guān)專(zhuān)家，給您一一解讀。

基本粒子是如何獲得質(zhì)量的

一年一度的諾貝爾物理獎(jiǎng)揭曉，英國(guó)人彼得·希格斯和比利時(shí)人弗朗索瓦·恩格勒特因?yàn)樗麄兊睦碚擃A(yù)言——“希格斯玻色子的存在”而獲此殊榮，并且在2012年得到了歐洲核子中心實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。

希格斯玻色子是什么？為什么找到它如此重要？復(fù)旦大學(xué)物理系教授吳詠時(shí)說(shuō)：“該發(fā)現(xiàn)奠定了粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的基石，如果希格斯理論被證明是錯(cuò)誤的，希格斯粒子根本不存在，那么標(biāo)準(zhǔn)模型理論將被推翻，整個(gè)物理世界的理論都有可能要重新改寫(xiě)。”

在標(biāo)準(zhǔn)模型里，宇宙由62種不可再分的基本粒子構(gòu)成，分為兩大類(lèi)：構(gòu)成物質(zhì)“實(shí)體”的費(fèi)米子和傳遞基本相互作用的玻色子?；玖Ｗ油ㄟ^(guò)強(qiáng)力、弱力及電磁力這三種基本作用力組合成各種復(fù)合粒子，進(jìn)而構(gòu)成物質(zhì)世界。

顯然，物質(zhì)世界是有質(zhì)量的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也清楚表明，除了光子以外的基本粒子都是有質(zhì)量的，但按照標(biāo)準(zhǔn)模型理論，粒子是沒(méi)有質(zhì)量的。吳詠時(shí)說(shuō)：“標(biāo)準(zhǔn)模型的缺陷，就是該模型無(wú)法解釋物質(zhì)質(zhì)量的來(lái)源。”這給科學(xué)家們帶來(lái)了很大困擾。

1964年，希格斯等人提出了“希格斯機(jī)制”的概念，在理論上解決了這個(gè)問(wèn)題。希格斯等人認(rèn)為宇宙間遍布“希格斯場(chǎng)”，基本粒子在與希格斯場(chǎng)的相互作用下獲得了質(zhì)量，而形成希格斯場(chǎng)的就是一種新的粒子，被命名為希格斯粒子，且根據(jù)對(duì)希格斯粒子性質(zhì)的預(yù)言，希格斯粒子的自旋為零，是一種玻色子。

然而，粒子物理學(xué)模型預(yù)言的62個(gè)基本粒子中的61個(gè)都已經(jīng)得到了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持與驗(yàn)證，但希格斯粒子仿佛一個(gè)幽靈，仍然游離在這座輝煌的大廈之外。由于希格斯粒子未被發(fā)現(xiàn)，重要問(wèn)題懸而未決，因此一直成為科學(xué)家們苦苦追求的目標(biāo)。而希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，最終為這一標(biāo)準(zhǔn)模型畫(huà)上了完美的句號(hào)。

“如果沒(méi)有希格斯粒子，其他的基本粒子就會(huì)仍然以光速運(yùn)行，不能聚合在一起，我們的宇宙將仍然是一鍋沸騰的基本粒子湯，根本不能組成物質(zhì)，生命也無(wú)從談起。”參與發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”的中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授劉衍文此前表示，從科學(xué)意義上講，發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子比人類(lèi)登上月球更重要，該理論解釋了粒子為何擁有質(zhì)量，從而演化為萬(wàn)事萬(wàn)物，“人類(lèi)距離了解宇宙誕生之謎或許將要邁進(jìn)一大步”。

發(fā)現(xiàn)希格斯粒子，只是整個(gè)過(guò)程的第一步。哈佛大學(xué)物理學(xué)家麗薩·蘭德?tīng)柋硎?，這將進(jìn)一步為更深層次的問(wèn)題提供解決的線(xiàn)索，比如為什么這些粒子擁有這一質(zhì)量數(shù)值？這個(gè)值是如何確定的？“這是一個(gè)大得多的問(wèn)題。”

目前我國(guó)在粒子物理研究的某些領(lǐng)域也做出了很有影響的工作。比如，在大亞灣進(jìn)行的中微子振蕩實(shí)驗(yàn)，得出了一個(gè)重要的參數(shù)，這顯示我國(guó)對(duì)中微子振蕩領(lǐng)域的研究，在國(guó)際上已占有一席之地。此外，我國(guó)正在進(jìn)行尋找暗物質(zhì)的研究。“但是，中國(guó)在這些粒子物理前沿領(lǐng)域的理論研究上，還需要進(jìn)一步努力，去趕超國(guó)際領(lǐng)先水平。”吳詠時(shí)說(shuō)。

化學(xué)反應(yīng)是如何“歷歷在目”的

“過(guò)去，化學(xué)家們利用塑料球和小棍來(lái)建造分子的模型，而現(xiàn)在，建模則是由計(jì)算機(jī)完成。”瑞典皇家科學(xué)院給出的新聞通稿中這樣寫(xiě)道。

馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特和阿里耶·瓦謝勒這三位科學(xué)家因在20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)出“多尺度復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)模型”而摘得了今年諾貝爾獎(jiǎng)化學(xué)獎(jiǎng)桂冠。因?yàn)檫@項(xiàng)研究，科學(xué)家得以用計(jì)算機(jī)揭開(kāi)神秘的化學(xué)反應(yīng)的面紗，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序模擬，讓復(fù)雜化學(xué)過(guò)程中肉眼不可見(jiàn)的每一個(gè)細(xì)微步驟都“歷歷在目”。

化學(xué)反應(yīng)像閃電般快速發(fā)生，在數(shù)百萬(wàn)分之一秒間，電子已經(jīng)完成從一個(gè)原子核向另一個(gè)原子核的遷移，科學(xué)家的肉眼無(wú)法觀察。“在這種情況下，要想借助實(shí)驗(yàn)方法去描繪化學(xué)過(guò)程中的每一個(gè)小步驟幾乎已經(jīng)是不可能的任務(wù)。”北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授高毅勤說(shuō)。

而此前，經(jīng)典物理學(xué)與量子力學(xué)分屬于互相對(duì)立的世界?？茖W(xué)家們?cè)陔娔X上模擬時(shí)，他們擁有的軟件要么是基于經(jīng)典物理的，要么則是基于量子物理學(xué)的。前者的優(yōu)勢(shì)在于計(jì)算簡(jiǎn)便，但只能用于大分子，無(wú)法模擬化學(xué)反應(yīng)；后者則只能用于小分子并且計(jì)算量龐大。

2013年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)在這兩個(gè)世界之間打開(kāi)了一扇門(mén)，并帶來(lái)了活躍的合作前景。諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審團(tuán)說(shuō)，三位科學(xué)家的開(kāi)創(chuàng)性在于，他們讓經(jīng)典物理學(xué)與迥然不同的量子物理學(xué)在化學(xué)研究中“并肩作戰(zhàn)”。

上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授孫淮舉例說(shuō)，一個(gè)蛋白質(zhì)分子里有成百上千個(gè)原子，但化學(xué)反應(yīng)往往發(fā)生在其中的一個(gè)小區(qū)間。量子物理學(xué)能夠精確描述如酶催化等小區(qū)間的化學(xué)反應(yīng)，但小區(qū)間不是孤立的，整個(gè)環(huán)境也需要納入研究考量。今年獲獎(jiǎng)的三位科學(xué)家，將量子物理學(xué)和分子力學(xué)計(jì)算相結(jié)合，用量子化學(xué)計(jì)算小區(qū)間的化學(xué)反應(yīng)，用分子力學(xué)處理環(huán)境的影響，彌補(bǔ)了分子力學(xué)無(wú)法模擬反應(yīng)過(guò)程及量子化學(xué)無(wú)法完成海量計(jì)算的缺陷。

多尺度復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)模型的出現(xiàn)無(wú)疑翻開(kāi)了化學(xué)史的“新篇章”，讓傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)走上了信息化的快車(chē)道。如今，反映真實(shí)情況的計(jì)算機(jī)模型已經(jīng)成為現(xiàn)在化學(xué)界大多數(shù)新進(jìn)展的關(guān)鍵；化學(xué)家在計(jì)算機(jī)上所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)幾乎與在實(shí)驗(yàn)室里做的一樣多，從計(jì)算機(jī)上獲得的理論結(jié)果被現(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，之后又產(chǎn)生了新的線(xiàn)索，引導(dǎo)我們?nèi)ヌ剿髟邮澜绻ぷ鞯脑怼?/p>

“多尺度模型的意義在于其具有普遍性，可用來(lái)研究各種各樣的化學(xué)過(guò)程，從生物分子到工業(yè)化學(xué)過(guò)程等。”孫淮說(shuō)。人們發(fā)現(xiàn)，借助三位科學(xué)家的研究工作，自然界的許多疑問(wèn)被解答了。例如，綠葉如何進(jìn)行光合作用？催化劑如何加快化學(xué)反應(yīng)？藥物如何在人體中發(fā)生作用？科學(xué)家們可以以此優(yōu)化藥物設(shè)計(jì)，制造出更高效的太陽(yáng)能電池，還可以通過(guò)研究催化水分子的分解來(lái)開(kāi)發(fā)更多清潔能源等等。

孫淮介紹，目前中國(guó)科學(xué)家也在相關(guān)領(lǐng)域積極參與研究，但對(duì)多尺度模型的建立研究還在初始階段。他認(rèn)為，計(jì)算化學(xué)必將在生物科學(xué)、材料科學(xué)、化學(xué)化工等領(lǐng)域帶來(lái)新的突破。

細(xì)胞是如何組織“貨物”運(yùn)輸?shù)?/strong>