The Cat in the Box and a Real Eureka Moment

2012 年 10 月，諾貝爾物理獎和化學獎揭曉，這兩項獎項都獎勵了以資訊傳輸為中心的工作。雖然獲獎的物理學獎不出所料地涉及大腦彎曲量子力學，但化學獎的重點不是試管反應，而是細胞生物學。

諾貝爾物理學獎共同授予法國法蘭西學院和巴黎高等師範學院的塞爾日·哈羅什（Serge Haroche），以及美國國家標準與技術研究院（NIST）和科羅拉多大學博爾德分校的戴維·維恩蘭（David Wineland）。 “突破性的實驗方法能夠測量和操縱單一量子系統。”

這些實驗涉及物理學家歐文·薛定諤(Erwin Schrodinger) 在1935 年描述的那種量子怪異。透過將量子力學外推到日常生活，他描述了一種「荒謬」的情況，其中一隻貓被放在一個裝有一瓶毒藥和一些放射性物質的盒子裡其腐爛可能會打碎燒瓶。根據量子力學，貓既是生的，也是死的；當然，如果有人打開盒子，他們只能看到一隻活貓或一隻死貓。

直到最近，人們還認為觀察可能同時處於兩種量子態的單一原子和亞原子粒子是困難或不可能的：物理學家通常同時研究許多粒子。但複雜的新技術，加上 Haroche 和 Wineland 領導的團隊的開創性工作，正在幫助我們窺探量子世界。

兩個團隊都成功地找到了捕獲粒子的方法。

Haroche 將光粒子（光子）捕捉在超導材料鏡子之間的空腔中，該超導材料的反光性如此之高，以至於照片可以被捕獲十分之一秒，這足以讓它在大約3公分寬的空間中彈跳傳播40,000 公里。然後，他發射單獨準備的原子，每個原子都與光子相互作用，導致原子波動的微小變化。

利用這種相移，Haroche 可以在不破壞光子的情況下偵測光子——這與將光子能轉換為電能的普通偵測器不同。他還監測了處於「貓狀態」的光子，基本上同時上下振盪，直到它們以一種或另一種方式振盪。

相較之下，威蘭德將帶電原子（離子）困在電場的真空中。他的小組成員使用雷射來促進能量發射，將他們的體溫降低到幾乎絕對為零，因此他們幾乎一動不動。在這裡，他也可以創造像薛丁格貓一樣的狀態，用雷射脈衝將離子同時推入兩種狀態。

Wineland 使用離子阱製造了世界上最精確的時鐘，儘管它們的壽命很短，而且很難在商店裡買到。這些可能有助於導航等應用程式。諾貝爾基金會也預計，Haroche 和 Wineland 的工作可以為創造量子電腦鋪平道路，這種電腦可以像我們今天使用的電腦一樣徹底改變生活。

了解腎上腺素等受體

化學獎頒發給那些更容易理解、但也能產生深遠影響的工作。該獎項授予美國霍華德休斯醫學院和杜克大學醫學中心的羅伯特·萊夫科維茨（Robert Lefkowitz）和美國史丹佛大學醫學院的布萊恩·科比爾卡（Brian Kobilka），“用於 G 蛋白偶聯受體的研究。”

他們的工作起源可以追溯到19世紀末，當時科學家發現腎上腺素會升高血壓和心率，但無法發現它是如何發揮作用的。腎上腺素不會進入細胞，那麼訊息是如何通過的呢？排除了涉及神經的機制。當萊夫科維茨還是學生時，他的任務是在產生腎上腺素的細胞中尋找受體。

這使得萊夫科維茨獲得了新實驗室研究團隊負責人的職位，他選擇專注於腎上腺素和密切相關的去甲腎上腺素受體。研究小組使用放射性標記從活體組織中提取受體。其他研究人員在細胞內發現了所謂的 G 蛋白，來自受體的訊號可以觸發這些蛋白，從而引起一系列改變細胞新陳代謝的反應。

科比爾卡加入了這個團隊，並幫助找到了腎上腺素受體蛋白的基因——這表明它可能蜿蜒穿過細胞壁七次。萊夫科維茨後來將其描述為“真正的頓悟時刻”，他意識到這與其他人發現的光受體中的螺旋線數量相同，並得出結論，一定存在一個看起來相似且功能相同的受體家族。

在史丹佛大學的一個新職位上，科比爾卡為自己設定了一項艱鉅的任務：創造受體的圖像。他需要使用 X 射線晶體學，該技術已成功用於水溶性蛋白質。然而受體不溶於水，科比爾卡花了二十年才終於獲得了影像。該圖於去年發表，顯示了一個受體正在向 G 蛋白傳遞訊號。諾貝爾基金會指出：“這張圖像是分子傑作，是數十年研究的成果。”

萊夫科維茨同樣處於該領域的前沿，他揭示了近千個編碼受體的基因，其中大約一半接收氣味，三分之一負責激素和其他信號物質，如腎上腺素、組胺和多巴胺。有些捕捉光線；有些則捕捉光線。一百多個功能未知。

由於大約一半的藥物透過這些受體發揮作用，它們在醫學上非常重要，對它們的研究可以幫助創造更有效的藥物。

「這一切都很好，」你現在可能會想。 “但是我怎麼才能獲得諾貝爾獎？”也許令人驚訝的是，出色的學校表現並不重要：一份關於今年諾貝爾醫學獎共同得主約翰·格登的學校報告稱，他關於成為科學家的想法「相當荒謬」。如果你是男性，那可能會更好：只有四名女性曾經獲得化學獎。另外：多吃巧克力。

是的，巧克力。本週更多的科學新聞是，《新英格蘭醫學雜誌》發表的研究結果表明，一個國家的人均巧克力消費量越高，產生的諾貝爾獎得主就越多。作者弗朗茨·梅塞利承認這可能是巧合，但建議說，“如果你想獲得諾貝爾物理學獎，那麼黑巧克力幾乎是必須的。”