世纪的科学与技术

21世纪的科学与技术——我的诺贝尔成长之路

艾哈迈德·泽维尔

1999年诺贝尔化学奖得主

主持人：万象更新，思想为先，欢迎收看世纪讲坛。今天讲演的嘉宾是1999年诺贝尔化学奖得主艾哈迈德·泽维尔教授。

演讲

今天，我（在复旦大学）演讲的内容，将是非常令人激动，同时又是非常复杂的。我说它非常令人激动，是因为它与将来的科学与技术有关，即与21世纪的科学与技术有关，而你们将有机会目睹其中的大部分成为现实。同时它又是富于挑战的，因为一些问题的复杂性导致科学家们还无法给出答案。

在世界上任何一个重要的科研机构中，科学技术的发展都存在我称为“研究构架”的概念。首先是基础研究，这是产生有新意的观点与想法所必需的，然后是技术的发展。在基础研究中会有一些发现或发明，但你并不一定知道为什么会有人雇你做这些，但是我们将看到这些基础研究延伸出来的技术上的发展，一旦进入社会将引起很大的关注，你们可以看到这样的例子有许多。社会将会衡量基础研究的商业和文化价值，并对基础研究的重要性进行反馈，之后这个循环将继续下去。可能最好的例子就是多利羊的克隆，这是人工克隆动物的第一次成功。

对于克隆技术，大多数人并不了解它的发展历史，克隆技术不是某个人说今天下午我要克隆一只羊就能在实验室诞生克隆羊了，完全不是那么一回事。在幻灯片左边的图中可以看到，科学工作者正在实验室里用老鼠做实验。克隆技术的发展首先要发展基因工程中新的技术，新的成像技术，之后对DNA进行测序、剪切等，而所有这些都是基础研究的成果或是从基础研究开始的，然后基础研究转变为一种产业，就是利用基因工程及其技术回答诸如，“我们能否把克隆技术应用在除羊外的其他物种上？”的问题，这就是我说的“研究构架”中的第二层次。

一旦有了克隆技术，社会就会提出一个非常严肃的问题，是否存在把克隆技术应用于其他物种，比如说人类的可能？这样社会的力量就开始从宗教的、文化的和道德的角度影响这项技术的发展了。这个例子比较复杂，但是我把它提出来只是想通过它说明，基础研究可以通过一系列步骤满足社会的需要，只不过这需要基础研究、技术发展和社会认可三方面和谐统一才能达到。科学史家总结出有两类人能推动科学技术的发展。第一类人能创造新的概念、想法，如重力、相对性、一致性，在科学中有很多概念都可以通过研究得到；同时还有另一类聪明的研究者，他们创造新的研究工具，发展新的技术，新的观察宇宙的方法，可以称为“工具的研究”。伽利略用他自制的望远镜观察宇宙，这一过程可以分为两部分，开始当然是“工具的研究”，然后他利用望远镜提出许多新的概念与想法。科学史家倾向于把这两者区分开，但是我不喜欢这样。你可以先创造概念后发展工具，也可以先发展工具，再提出对科学或社会有益的概念。

以下我将以我过去十年在加州理工学院实验室所进行的研究为例，带大家进入微观世界，这是一个原子和分子的世界，我将与大家分享我对这一领域研究的经历和一些成果，以及反思这些成果对科学和技术发展的意义。

在进行这项研究的过程中，首先我们遇到了一些传统信条的阻碍，这里的信条的意思是一些这一领域的资深人士，认为某些想法不可能实现，他们认为不可能的原因或是概念上的问题或是技术上的问题。正如我刚刚提到的，我在这里不想讲得太详细，但是实际上他们错了，这也暗示年轻的研究者不要轻易放弃，而是要勇往直前。在物理学中有一条不确定原理，它使你不能在不考虑其他因素的情况下无限的研究某一因素，比如说时间和能量或位置和动量，所以一些科学家认为，因为存在不确定原理，所以在飞秒尺度上的研究不能实现。他们没有意识到的是，如果把一致性这个新概念应用到研究中，我们就可以在不违反不确定原理的情况下，实现在飞秒尺度上的研究。在物理中，不确定原理是由两个等式注解组成，如果你把这两个等式用一致性的概念关联起来，就能延伸得到我们现在所知道的飞秒化学，这些都是概念层次上的研究。

在实际的测量中，我们知道怎样确定历法，怎样测量日、月和年，我们也知道怎样测量分和秒，但是我们在1880年之前都还不知道怎样观察马在飞奔过程中的每一步，这需要一秒以下的时间分辨率，大概是在千分之一秒的尺度上，这些都是在1880年之后才知道的。但是我们仍然不知道怎样对原子做同样的事，因为马是肉眼可以看到的，如果你的对象是你看不见的原子，人们认为这样做几乎是不可能的。这张幻灯片只是想让大家对1876年所能做的事有一个概念，在一百多年前，人们可以对飞奔的马进行抓拍，这需要的时间分辨率大概在千分之一秒。Muybridge在加利福尼亚州做这个实验时同时确定距离和时间，而最短的时间单位是一毫秒，也就是千分之一秒。他是这样做的：他在实验场所放了十二台照相机，每台照相机都有一条线，当马跑到每台照相机对应的线时，就打开快门进行抓拍，就这样不停地抓拍。之后如果把这些照片组合起来像电影一样的放出来，你就可以看到马的跑动过程。这是1879年他在加利福尼亚州做这个实验时所用的照相机。

你是这样观察猫或者马，最短的时间间隔是千分之一秒，但如果你想观察运动着的原子，所需要的时间分辨率就需要这里所列出来的那么多“0”了，与前者的千分之一秒相比，这里需要的时间间隔将是一千万分之一秒，需要这样的时间间隔是因为原子本身的尺度和它们的运动速度。那么我们怎样在技术层面解决这个问题，开辟一个新的领域呢？

还有一个大家必须意识到的问题，要拍一张一匹马、一只猫或一个人的照片很容易，但是在实验室里研究的原子的数量将会是几十亿个。现在你想象一下子有三匹马，只是三匹而不是三十亿匹，向不同的方向运动，如果你想拍一张三匹马运动的照片，照片就会很模糊，一匹在这里一匹在那里，因此这样做很难。现在你想象一下我们的对象是数十亿个原子或分子，这个问题会复杂许多，我们所得到的照片将会是完全模糊的，所以我们必须要做的是使所有的原子分子在时间上同步，这个想法的产生可以追溯很多年。要实现原子和分子在时间上的同步，就需要用一个激光脉冲来开始这种变化，这样我们可以使所有的分子、原子处于同样的相位中，这也就是我们所谓的“一致性”，然后我们就可以开始拍摄原子分子运动过程中的照片了。这相当于你有成千上万匹马，而你精确地在同一时间打开门，这样你就可以认为这成千上万匹马的行为等同于一匹马的行为，我们可以用这种方法对原子进行实验，对原子拍照，我们可以通过拍照记录下变化过程。实际上这项工作是由一位研究生完成的（他就是复旦大学的毕业生，现在他已经是俄亥俄州的一位教授了）。他当时做这个实验，是为了观察原子在飞秒尺度上如何在分子里运动，也就是我们现在看到的，现在已经可以实时地观察到这种运动，因为可以把这些小照片组合起来编辑成一段电影，现在首先让激光激发分子，我们可以看到飞秒尺度的激光脉冲激发分子，可以实时地看到原子的运动，但现在的时间单位是一千万亿分之一秒。我们可以看到一个原子从分子中离开了，另一个又与分子结合，这在之前从来没有被观察到过，这是第一次实时地观察到原子的运动。现在在加州理工学院有一个飞秒化学博物馆，在实验室里本科生甚至高中生也可以做一些实验，他们可以像我们处理原子一样在飞秒尺度上定格一个物体。现在有了一个飞秒科学领域，包括飞秒化学、飞秒物理学和飞秒生物学等，这些学科使我们可以观察到原子在不同的相位，不同的物质和不同的复杂系统中的运动。现在我想与大家分享一下飞秒科学中的一些实例，以飞秒生物学为例。你的眼睛，正如现在你看见我，在视网膜上有一种分子，它能在感受到光的时候改变形状，当它改变形状时就会向你的神经系统发出信号，这个信号经过处理之后你就可以看见东西了。但是这整个过程中的第一步在两百飞秒内就完成了，也就是两百个一千万亿分之一秒，对此的一个很好的证据是如果这一步不是那么快完成的话，你将不能看清楚我了，所以视觉系统必须以一种非常高效的方式，对每一个到达视网膜的光子做出反应，才能使大家即使在黑暗的房间里也能看清楚。

另一个例子也是令人激动的，这是DNA是遗传物质。现在我们已经可以设计这样的体系，并可以改变这些碱基对的距离，因为我们想要知道电子是怎样在DNA中移动的。遗传物质中碱基的顺序是ApG，大家不要在意这些名字，现在我们在两个碱基之间嵌入一个、两个或三个A碱基，大家可以看到令人惊奇的是在飞秒尺度内，在不同碱基顺序的遗传物质中，电子移动能力表现出巨大的差别，从这一结果我们可以得到一些电子在DNA中移动能力的信息，比如电子是以接近光速的速度运动，还是从一个碱基对跳到另一个碱基对，这是个在上一个十年里很有争议的问题。

现在大家看到的在DNA分子中的化合分子，就是化疗中用到的药物分子，这种药物分子能够识别DNA中的特定区域而不是其他区域。我们会问，为什么这种药物分子具有这样的分子识别能力？它的基础就是在飞秒尺度上在周围水分子的存在下，药物分子的识别过程，这是我们一年之前发表的工作，现在我们还在继续深入地研究这个问题，即转录抗终止基因（transcription antitermination）。转录抗终止基因可以把DNA的信息转录到RNA上合成蛋白质，我有一个非常能干的博士后，他已经做到用RNA以及结构的多肽合成这种结构的分子，然后我们可以用基因工程的方法把RNA与蛋白质分离。通过这种方法可以合成许多种不同结构的分子，这样我们可以研究如果改变分子中的某一特定部分，其他官能团会受到什么影响。我们用一些细菌作为研究对象，来确定我们的实验是否达到了目的。我们尝试把细菌的活性与以飞秒为单位的时间进行关联，发现它们之间有很好的对应关系，在任何时候我们都可以得到一个RNA与多肽或者蛋白质的对应函数，我们对这个结果非常满意，因为我们认为这个结果可以拓展到许多其他系统里去。以上的几个例子使大家了解了一些飞秒化学的情况，现在称之为飞秒显微镜，因为它可以使我们实时观察原子分子的运动。

现在你可能会问，为什么会有人给你钱去研究这些？研究这些能得到什么新的知识？首先我们开辟了一个新的领域，在那里我们可以直接看到分子，观察它们的行为；其次我们提出了一些科学上基础的问题。从基础的角度来看，原子这个概念首先是由希腊哲学家德谟克利特在两千多年前提出的，同时他也提出这个著名的论断：除了原子之外只有空虚。在两千五百年前能有人说出这样的话是令人敬佩的，但是在这之后的两千多年里，我们从来没有看到过原子的运动，所以我们的工作对基础研究来说意义是相当重大的。我们的工作另一个非常重要的原因是，描述原子运动的语言是量子力学，量子力学描述的原子是无处不在的，但是在飞秒尺度上，我们可以很好地确定原子的位置，它们可以像行星一样按照一定的轨道运动，现在大至行星小到原子我们都可以清楚的实时地观察了。我刚刚提到过不确定原理的限制，现在我们知道即使对象是原子，在飞秒时间尺度上，它们也可以被看成像你我一样大的物体，可以实时地被观察到。

刚刚讲的都是科学方面的问题，那么这项基础研究是如何影响技术发展的呢？仅靠技术我们无法预测会发生什么。虽然飞秒科学存在的时间确实很短，但是已经被很多人相信了，一个例子是对自己的成像，而原理就是飞秒成像显微镜，利用脉冲激光等手段你甚至可以对人脑中的肿瘤进行成像，这是一种已经广泛应用的技术了，在微电子学中，我在北京大学里看到可以利用飞秒脉冲激光，制作图案或者刻下名字，你可以在这里用扫描飞秒脉冲激光写下“复旦”，可以得到很清晰的图案，但如果你用纳秒激光就不会得到图案，因为如果等待的时间太长，就不会有这种高选择性的图案，这是一种Terahertz成像技术，可以直接检测树叶里的水分含量，这是一片经过两天的树叶，而这是一片新鲜的树叶，可以看到新鲜的树叶里有很多水分，而经过两天的树叶里就没有多少水分了，这些都可以利用Terahertz成像技术直接检测，在“技术”这一部分的最后一个例子是脑部成像术，这种技术就是对头部不同的位置进行探测之后，用电脑进行处理得到头部完整的图像，包括大脑。

最后我想讲的也是很令人激动的，早在1980年我们预测如果我们能达到飞秒的时间分辨率，因为我们在那时还达不到这样的分辨率，我们就可以控制物质，换句话说就是可以按照我们的意志，把一种物质转变成另一种物质，现在称为“量子控制”。我以前曾提到过，日本在未来的五年里计划花巨资（一千两百五十万亿英镑），研究把一种物质转变成另一种或制造新物质的技术。通过这个科学和技术的旅程，大家已经看到了一些科学和技术进步的方式，首先你要有一个“研究构架”，一些大学和科研院所声称它们是作基础研究或者应用研究，其实不是那么一回事，大部分的时候科学和技术是不可分割的，很多成果可以最终为社会造福。在这里，我把科学和技术的特点分为三个方面，第一是不可预测性，在我们开始研究的时候我们并不知道结果，可能我们的预测与结果是截然不同的，我们在作任何研究时都要牢牢地记住这一点；第二是全球化，科学是全人类的财富，而且从我个人的经历来看事实就是这样的；第三是科学的繁荣，这是由前两点引起的。关于不可预测性及其影响我给大家举两个例子，在我还是研究生的时候，很多人研究量子力学在固体中的应用，我们怎样才能了解固体的运动呢？电子是怎样在物质中移动的？就在人们提出和尝试解决这些问题的时候，晶体管在贝尔实验室被发明了，一场技术革命爆发了，随后集成电路出现了，之后半导体产业出现了，最后出现的是计算机革命以及我们看到的因特网，现在的因特网是源于人们提出的电子是怎样在物质中移动的这个问题；类似的事情还有，我的一位朋友因为研究激光得到了诺贝尔奖。他写过一本书，他刚开始研究的是微波波谱，有一些人因为他研究微波波谱并用此探测分子而嘲笑他，他们认为这是非常没有意义并且令人厌烦的，但是对微波的研究导致了微波激射器的出现，之后出现了激光，而激光的出现是光纤通信的基础，之后是现在大家熟知的信息技术产业，从以上的例子可以看到，基础研究的不可预测性，以及出色的研究人员对科学的发展是至关重要的。全球化趋势大家可以在这张幻灯片上清楚的看到，这是从我1999年获得诺贝尔奖时的演讲中摘出来的，我想说明的是从我在加州理工学院开始我的研究，到1999年我获得诺贝尔奖，有来自世界各地的许多研究人员加入我的工作，他们有的来自中国，我有很多中国的学生，有的来自韩国、美国或者澳大利亚等，这就是科学的全球化的特点，被全世界所共享。大家可以看到这是我们在加州理工学院的照片，（这个董平就是复旦大学毕业生），这是另一张我们研究组在加州理工学院的合影，这张图就可以表现出科学的繁荣，就是我认为的科学的第三个特点。我们一开始有一些关于一致性的想法，只是想由此做一些有趣的事，但当研究深入下去，我们又产生了新的想法，而其他人在此基础上继续研究，这样科学就繁荣起来了，这张图是我的一个学生给我的，我觉得非常珍贵。这是引自弗朗西斯·培根的一句话，“智者创造的机会比他发现的机会更多”，这就是科学技术的实质。必须要有合适的中介，必须要给那些聪明的研究者以支持，让他们有所发现并且影响社会，这自然也是我自己的科学旅程、我的信仰，从亚历山大开始，之后到美国，在加州理工学院我的研究组，这一直是我的科学哲学观。

对于今后也就是本世纪科学研究的前沿，我这里只包括了其中的一部分，同时还有对外层空间的研究，我认为这将是一个全新的研究方向，我们将在地球之外可能是在其他行星上，甚至在其他星系里研究物理、化学、生物等，这将是非常令人激动的。我也想给大家一些警示，特别是对老师们，同学们现在也许还用不着考虑这些。对老师来说，现在研究科学似乎已经有所变化，以前的评价标准是纯粹的科研成果，而现在有很多其他的东西掺杂到评价标准里面来了，比如说申请经费、科学商业化等，都已经成为我们文化的一部分，我认为这是非常危险的。这应该引起有关部门的关注，因为如果越来越多的科学工作者成为商人，他们花很多时间在用科学盈利上，那么有创造性的成果就会越来越少，因为创新需要自由的思想去思考前人没有涉足过的领域。我同时也很担心科学和商业的结合，在美国与欧洲很多大学，我不知道中国的情况，在美国和欧洲科学与商业已经结合得非常紧密了，这就会导致除非有商业上的利益，不然就不去研究科学的风气，当然我们对飞秒化学的研究不是因为有商业利益，但我知道许多其他研究却不是如此，这样的风气会把科学工作者引向歧途，我对此非常的担心。现在有很多国家，特别是发展中国家还没有意识到支持基础研究的重大意义，他们认为这是一种奢侈的行为，只适合那些有钱的国家，事实上不是这样的，事实上只有对科学技术有坚定的信仰，才能使经济繁荣。有人称之为一个“恶性循环”，如果你认为你不需要基础研究，因为可以从发达国家买到，但是你会变得越来越落后，因为发达国家会卖给你但你不知道你买的是什么，所以对科学研究的支持以及坚定的信仰是非常重要的。

以上是我对21世纪的科学与技术的一些看法，我在这里做一下总结。毫无疑问，21世纪的科学与技术的发展肯定会和20世纪一样振奋人心，事实上在21世纪在很多方面有非常巨大的机会，比如生命科学正在进行革命，努力弄清楚基因序列以及由此引发的对生物学和药学的重大推动和影响；外层空间也是一个研究的热点，有许多宇航员在空间站工作，包括天体物理学的研究，这对了解我们的未来将走向何处是非常重要的；还有我刚刚提到的微观世界，我们应该怎样控制这些分子和原子，创造出新的物质和材料，搞清楚它们的性质以及它们运动背后的物理规律，这就是21世纪等待我们去研究的。最后我想指出的是，虽然21世纪的科学技术的前景是令人振奋的，但是我们应该理智的对待一些新生事物，同时作为21世纪的研究工作者也应该谨慎，（我相信复旦大学会积极地参与其中的），谢谢大家！

（翻译：徐冰君）