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「人类向自然追问」
本年度诺贝尔奖的几个科学奖项展示了人类在实验科学领域的最高成就。从观察自然，到理解自然，再到主动干预和控制自然，科学不断拓展着人类能够触及的世界。
在文明初期，人类睁开蒙昧的双眼，开始带着好奇打量周围的一切。天空充满神秘；四处可触碰的东西同样奇特，人似乎可以通过捶打、加热、冶炼等方式改变物质的形态，由此逐渐发展出了绵延数千年的各种工艺传统；最奇特的则是人类自己——人类的肉身究竟如何生长，又该如何面对病痛、衰老和死亡？在大约公元前1600年抄写的一卷《埃德温·史密斯纸草书》上，就记录了48个伤病案例，并逐一写下治疗步骤，在同一卷纸草书的背面，则写着咒语，包括使老人恢复年轻的配方。
几千年之后，人类文明度过了懵懂无知的时期。人类开始以更加自信的眼光看待周围的一切。不过，这个古老的问题依然存在：人类究竟应该如何理解与天空、周围物质以及自身的关系？
2026年刚刚揭晓的三个诺贝尔奖的科学奖项，恰好为这个问题提供了三个不同的视角。在化学实验室中，科学家发现了微小的分子手性差异如何通过非线性效应和自催化不断被放大，进而帮助人类理解自然界如何在两种互为镜像的分子结构之间形成选择；在生命科学实验室中，研究人员借助光遗传学技术，利用光精确地干预神经细胞的活动，从而探寻复杂生命系统的运行机制；而在南极冰层深处，科学家利用庞大的探测装置捕捉来自遥远宇宙的高能中微子，试图了解人类无法直接观察的宇宙极端环境。
从分子合成到非线性放大
进入20世纪下半叶之后，因为学科和研究对象的区别，实验科学逐渐发展出不同的研究路径。精密仪器和大型计算机的应用、国家大规模的科研资助、大型实验室和跨学科合作等新型研究模式的出现，也极大地改变了科学研究的规模和形态。
化学家可以在实验室中构建反应体系，通过改变反应条件和催化剂研究物质如何发生变化，并尝试控制反应的方向和产物；神经科学家面对已经存在的复杂生命系统，需要尽可能保留系统的整体功能，同时对其中的特定组成部分进行精确干预，以揭示神经活动与生命行为之间的因果关系；而研究遥远宇宙天体的物理学家，因为无法直接操纵研究对象，只能通过不断提高探测装置的灵敏度和规模，从极其微弱、稀少的自然信号中获取信息。这三种不同的研究路径，在今年诺贝尔奖的三个科学奖项中被体现得淋漓尽致。
10月6日，瑞典斯德哥尔摩，瑞典皇家科学院宣布将 2026 年诺贝尔物理学奖授予美国物理学家弗朗西斯 · 哈尔岑（视觉中国 供图）
虽然化学家对于复杂化学反应的控制能力越来越强，可以有目的地制造一些自然界中原本不存在的物质，但能够制造出某种分子，与精确控制它们的空间结构，仍然是两个不同的问题。对于那些具有手性的分子来说，即便原子的种类和连接方式完全相同，只要空间排列互为镜像，就可能在生命体系中表现出截然不同的性质。化学家需要能更加精确地控制化学反应，让反应按照预先设计的方向进行。
1963年，德国化学家卡尔·齐格勒（Karl Ziegler）和意大利化学家朱利奥·纳塔（Giulio Natta）因为“在高聚物的化学性质和技术领域的研究发现”共同获得诺贝尔化学奖。他们发展的催化体系，不仅能够将简单的小分子连成长链，还可以控制聚合物的空间结构。1965年，美国化学家罗伯特·伍德沃德（Robert Woodward）因为“在有机合成领域的杰出贡献”获奖。他的研究表明，通过精心设计的一系列化学反应，科学家可以从相对简单的原料出发，逐步合成具有复杂结构的天然有机分子。
随着化学合成技术不断发展，化学家开始将目光转向一个更加精细的问题：如何让反应有选择地产生某一种手性分子，而不是同时产生两种空间结构互为镜像的产物？2001年诺贝尔化学奖被授予威廉·诺尔斯（William Knowles）、野依良治（Ryoji Noyori）和巴里·夏普莱斯（Barry Sharpless）三人，以表彰他们在催化不对称合成领域的贡献。他们的突破正是利用具有特定手性结构的催化剂，使化学反应更加倾向于生成所需要的手性分子。到了2021年，本杰明·利斯特（Benjamin List）和戴维·麦克米伦（David MacMillan）因为发展不对称有机催化获奖，进一步扩展了化学家获得某种特定手性分子的手段。
2001年诺贝尔化学奖得主之一美国化学家卡尔 · 夏普莱斯（IC photo 供图）
一些化学家开始意识到，化学反应并不总是简单地按照初始条件的比例产生结果。在某些反应体系中，极其微小的初始差异，也可能通过反应过程中的相互作用被显著放大。法国化学家亨利·卡根在研究不对称催化时发现，催化剂的手性纯度与最终产物的手性纯度之间，并不总是存在简单的线性关系。日本化学家硖合宪三则在1995年报告了一种不对称自催化反应：反应产生的手性分子本身能够成为催化剂，促进更多相同手性分子的形成，从而不断放大最初的手性差异。
卡根与硖合宪三因为发现不对称有机合成中的非线性效应和自催化现象，最终共同获得了今年的诺贝尔化学奖。他们的研究揭示了化学反应中一种特殊的反馈机制：体系最终的结果并不一定与最初的条件成正比，微小的差异可以在适当条件下被不断放大，最终形成明显的选择。
随着控制手段越来越多，化学家可以通过在实验室中构建反应体系，改变催化剂、反应物和实验条件，反复研究化学反应如何发生。这种研究模式的核心，是通过人为设计和控制实验条件去探索物质的反应规律。从早期催化剂对于反应速度的控制，到不对称催化对于产物空间结构的控制，再到非线性效应与自催化对于微小差异的放大，化学家不断深入研究物质发生变化的过程。这些发现也为人类理解生命为什么选择特定手性的分子提供了新的线索。
10月7日，瑞典斯德哥尔摩，瑞典皇家科学院宣布将 2026 年诺贝尔化学奖授予科学家亨利 · 卡甘和硖合宪三（视觉中国 供图）
光遗传学与对大脑的精细操纵
与化学家不同，研究生命系统的科学家面对的是一个已经存在的、结构极其复杂的对象。尤其是人类大脑，由近千亿个神经元构成，这些细胞通过复杂的连接网络相互作用，共同产生感觉、记忆、情绪和行为。科学家不仅想了解单个神经元如何工作，更希望知道，究竟是哪些神经元的活动，让生命表现出某种特定的行为。
从20世纪下半叶开始，神经科学研究也取得了一系列的重要突破。1963年，英国科学家艾伦·霍奇金（Alan Hodgkin）和安德鲁·赫胥黎（Andrew Huxley）因为揭示神经细胞膜上离子活动与神经冲动产生的机制，与约翰·埃克尔斯（John Eccles）共同获得诺贝尔生理学或医学奖。伯纳德·卡茨（Bernard Katz）、乌尔夫·冯·奥伊勒（Ulf von Euler）和朱利叶斯·阿克塞尔罗德（Julius Axelrod）因为对神经递质的研究在1970年获奖。这些发现逐渐揭示了神经元如何产生电信号，以及如何通过化学物质向其他细胞传递信息。
与此同时，科学家也在不断发展记录神经活动的技术。1991年，德国科学家埃尔温·内尔（Erwin Neher）和伯特·萨克曼（Bert Sakmann）因为发展膜片钳技术、研究细胞膜上的单离子通道获得诺贝尔生理学或医学奖。这种技术使研究人员能够测量极其微弱的离子电流，研究单个离子通道的活动。神经元内部原本难以观察的电活动，逐渐成为可以精确测量和分析的实验对象。
10月5日，德国柏林洪堡大学教授彼得 · 黑格曼获诺贝尔生理学或医学奖后，其团队成员向记者介绍实验室的实验细节（IC photo 供图）
问题在于，观察到某些神经元在动物产生特定行为时变得活跃，并不意味着这些神经元就是产生该行为的原因。它们的活动可能只是与这种行为同时发生，或者受到其他神经活动的影响。要真正理解大脑如何工作，科学家不仅需要更精确的记录技术，还需要能够主动干预神经元的工具。
光遗传学（Optogenetics）的出现改变了这种局面。科学家利用某些微生物中对光敏感的蛋白质，通过基因工程手段，让特定类型的神经元表达这些蛋白质。当特定波长的光照射这些细胞时，光敏蛋白可以改变细胞膜上的离子流动，从而激活或抑制神经元的活动。这方面的技术在2005年取得了关键突破，研究人员逐渐能够在活体动物中利用光控制特定神经元，并观察由此产生的行为变化。可以说，通过这项技术，科学家给神经元装上了“开关”。
2026年颁发的诺贝尔生理学或医学奖将光遗传学的发展推向了新的历史节点。这项技术的重要性，不仅在于让科学家获得了一种控制神经元的工具，更在于它改变了神经科学研究问题的方式。过去研究人员主要通过记录神经元的活动，寻找大脑活动与行为之间的联系；而现在，他们可以主动激活或抑制某些神经元，观察动物的感觉、记忆或者行为是否随之改变，从而更加直接地检验神经活动与生命行为之间的因果关系。
10月5日，2026 年诺贝尔生理学或医学奖授予卡尔·戴塞罗思、彼得·黑格曼、格奥尔格 · 内格尔三位科学家，屏幕上展示了光控离子通道示意图（IC photo 供图）
这种研究模式的核心，是通过对复杂生命系统中特定组成部分的精准干预，理解整个系统的运行机制。与化学家可以从简单原料出发构建新的反应体系不同，神经科学家必须尽量保留生命系统原有的复杂结构，在其中选择特定的研究对象进行干预。光遗传学将人类对于神经系统的研究，从观察神经元、记录神经信号，推进到主动操纵神经活动的新阶段。不过，能够控制某些神经元，并不意味着科学家已经完全理解了大脑。神经系统中仍然存在大量未知的连接与反馈机制，人类距离理解意识的本质、记忆和复杂行为的产生，还有很长的路要走。
大科学装置与宇宙深处的回响
以宇宙为研究对象的物理学家面临着一种完全不同的困境：在探索宇宙深处的物理现象时，研究者无法改变研究对象。物理学家只能尽量收集这些天体自然产生的信号，然后试着重建其中发生的物理过程。
来自宇宙深处的剧烈天体活动可能会释放出大量的光子和高能带电粒子——物理学家相信此前探测到的高能宇宙线大多来自这些神秘的宇宙事件。问题在于，带电粒子的运动轨迹很容易被磁场扭曲，而光子很容易受到气体和灰尘的干扰。想要研究宇宙线的来源和形成过程，物理学家需要另辟蹊径。
幸运的是，来自宇宙的信息并不只有可见光和其他电磁波，一种习惯于“独来独往”的基本粒子给物理学家带来了新的希望。最初，为了解决放射性衰变的能量守恒问题，奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）在1930年提出可能存在一种中性粒子。他随后懊恼地表示，人类有可能永远都无法探测到这种粒子。但物理学的发展最终超出了泡利当时的预想。
1912年8月7日，奥地利物理学家维克托 · 赫斯结束气球科考飞行归来（高品图像 供图）
这种被物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）命名为“中微子”（neutrino）的粒子虽然与普通物质发生相互作用的概率极小，但只要探测器建设得够大，人类仍然有希望记录到它与普通物质作用产生的信号。美国物理学家弗雷德里克·莱因斯（Frederick Reines）和克莱德·考恩（Clyde Cowan）在1956年首次获得了中微子存在的直接实验证据。这种基本粒子也逐渐成为粒子物理学和天体物理学研究的焦点。
算上今年获奖的美国物理学家弗朗西斯·哈尔岑，与中微子相关的研究已经五次被授予诺贝尔物理学奖。其中1988年和1995年的两次获奖，是物理学家分别通过实验证明了存在不同类型的中微子，以及通过实验手段直接证明了中微子的存在；而在随后的2002年、2015年和2026年的三次诺贝尔物理学奖，则都堪称人类“大科学”研究项目的典范——其中涉及霍姆斯特克太阳中微子探测器（Homestake）、神冈中微子探测器（Kamiokande）、超级神冈探测器（Super-Kamiokande）、萨德伯里中微子观测站（Sudbury Neutrino Observatory）和冰立方中微子天文台（IceCube Neutrino Observatory）。
超级神冈探测器是日本建造的大型中微子探测器（视觉中国 供图）
根据中微子的运动不容易受到周围环境影响的特点，物理学家反过来将它作为探索宇宙剧烈天体活动发生地点的工具，从而建设了各种巨大的探测装置，甚至是将巨大规模的纯水或冰层当作天然的探测器，以捕捉极其稀少而微弱的信号，逐渐开拓出了“中微子天文学”（Neutrino Astronomy）。可以说，中微子是最适合通过“大科学项目”进行研究的对象——想要探测到中微子的信号，科学项目动辄花费巨大，数百人参与，持续数十年，逐渐积累探测结果，才能将几乎不可探测的粒子变为可以探测的，将原本不可理解的现象变为逐渐被理解的。
10 月 7 日，意大利都灵，诺贝尔物理学奖得主弗朗西斯 · 哈尔岑在新闻发布会上向媒体发言（视觉中国 供图）
有了中微子天文学的帮助，物理学家如今可以通过电磁波、各种带电高能粒子、中微子乃至引力波等多种手段对宇宙深处发生的各种事件进行全方位探测。人们希望能够结合所有探测手段，真正理解宇宙中一些剧烈天体活动的原因，解释这些高能宇宙线的来源。
随着中国科研实力逐渐增强，中国也加入了“大科学项目”的建设。本刊此前曾经报道过中国花费十年时间，投资超过20亿元人民币建设的位于地下700米的江门中微子实验（Jiangmen Underground Neutrino Observatory，JUNO）。这个设计寿命为30年的大科学项目有一个更加宏伟且重要的科学目标：花费五到六年的时间，完成对于三种中微子的质量顺序（Mass Ordering）的测定——也就是说，确定三种中微子质量本征态的大小关系。
人类对自然的探索还在继续。我们得到的理解越多，所面对的未知也就越丰富。在几千年的时间里，人类一直在追问：我们生活在一个怎样的世界之中？自然遵循怎样的规律？我们自己又在其中处于怎样的位置？相比于几千年前，如今我们已经不再仅仅是自然现象的旁观者。科学改变着人类与自然的关系，也在不断改变着我们对自身的认识。
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