每年10月份，70亿地球村村民都会集体进入“诺贝尔时间”，兴奋地体验并分享着来自科学的神奇力量。
本周，2014年度诺贝尔三大自然科学奖项（医学奖、化学奖与物理学奖）逐一揭晓，不仅表彰了象牙塔里的顶尖科学家，也昭示着科学进步对人类福祉的贡献。
与往年有所不同，今年的三项大奖尤为奇妙——在此之前，它们都曾被认为几乎是“不可能实现的任务”。
医学奖得主发现了“大脑内部的定位系统”，困扰了科学家好几百年的人类大脑功能问题，有望就此解开（详见本报10月8日8版《大脑GPS领航新一轮“诺奖热”》）。
而光学显微技术，一直被认定“永远不可能获得比所用光半波长更高的分辨率”，今年的化学奖得主使光学显微技术突破到纳米尺度，科学家可以直观地看到脑部神经细胞间的突触如何形成，从而为相关疾病的攻克带来曙光。
至于物理学奖青睐的蓝色发光二极管（LED），同样是一个长期性难题，令无数科学家铩羽而归。这项只有“20岁”的年轻发明，将使照明领域迎来根本性转变：白炽灯点亮了20世纪，21世纪将由LED灯点亮。
“颠覆现有认知”、“开辟新的研究道路”、“绕过经典光学的束缚”、“在其他人已经失败的地方，取得了成功”……浏览今年三大科学奖的评定理由，可谓声声励志。一项又一项为人类健康和生活带来莫大福音的科学成果，也是诺贝尔科学奖一直被视为科学进步历史指针之一的最重要理由。
不可能的任务还在前方，科学诺奖每一次的突围行动，都在点亮人类前行的道路。
⊙记者 王宙洁 ○编辑 秦风
蓝光LED
光革命的制胜拼图
在一份被破译的农业活动摘录中，最早的人类文明缔造者——苏美尔人写道，“你的工具都应准备妥当”。
这与阿尔弗雷德·诺贝尔的应用精神不谋而合。
如果说早年的诺贝尔科学奖项主要关注的是基础科学，那么时至今日，整个世界的发展方向都越来越重视应用，这在2014年度的物理学与化学奖项上体现得尤为明显。
蓝色发光二极管（LED），让人类的视线从此多了一片色彩。它不仅带来更明亮、稳定、节电、节省材料的光源，省去10年内更换灯泡的麻烦，还能依靠太阳能照亮全球15亿没有电网接入的人们的夜晚。
而纳米级显微镜则让光线在不违反物理定律的情况下突破障碍，延伸到一个更加深邃的未知世界，那里的文明值得期待。
7号这一天的某一时刻，中村修二躺在床上有些辗转反侧。他似乎隐隐察觉到有些消息会到来。
不出所料，这位美籍日裔科学家和日本科学家赤崎勇、天野浩一起因发明蓝色发光二极管（LED）而获得了今年得诺贝尔物理奖，颁奖理由是“他们带来了新型的节能光源”。
蓝色LED的到来，仿佛是为照明工业的革命集齐了最后一片重要拼图。从此，电视、平板设备或是手机荧幕变得更为色彩鲜明，演唱会或是大型赛事的转播也因此更加生动。人们的照明成本也会越来越低，大大节约了能耗。
中村修二在获奖感言中说，“蓝色LED发明能够被授予诺贝尔奖，我感到无上荣光。希望节能出色的LED灯有助于减少全球的能源消耗，降低照明成本。”诺贝尔奖委员会则在颁奖词中说道，白炽灯泡照亮了20世纪，而21世纪将因LED灯而闪亮。
发现光革命的制胜拼图
时间退回上世纪90年代，40多岁的研究人员中村修二已经从日本德岛大学研究生院毕业并进入日亚化学工作。当时，赤崎勇、天野浩就职于名古屋大学。在此之前，红色和绿色LED都已经问世已久，而蓝色LED却迟迟没有实现，这导致白色灯光一直未能被开发出来。
在企业的支持下，中村修二开始着手进行研究。开发过程中的一个关键难题是，蓝色发光二极管的发光层——GaN膜始终无法形成。有日本媒体描述称，那时候的中村每天都很郁闷，早上第一个上班，下午六点下班，不停重复着运行装置、改造和修理设备的单调日子。
好在这段寂寞往事很快迎来出口。1990年9月，GaN膜面世。中村修二发明了可从底板的两个方向吹入气体的“Two-Flow法”，成功生长出了结晶薄膜。第二年的3月，他又试制出了pn结 型GaN发光二极管。
二极管终于发光了。但是，这种采用GaN的发光二极管发出的光线极为黯淡。中村修二的研究还在继续。1993年10月，发光二极管的亮度终于达到当时市售蓝色发光二极管的约100倍。蓝色发光二极管终于脱颖而出。
而赤崎勇、天野浩的研发小组当时则带来两大研发成果，其中包括导入“低温缓冲层”技术，在蓝宝石基板上成功生长出了高品质GaN结晶，以及成功制作出了p型GaN，由此实现了pn结。
三位科学家发明了从半导体中产生高亮度蓝色光的方法，为光技术领域带来了根本性的变革。
美国电视艺术与科学学院曾于2012年1月公布“第63届科技与工程艾美奖”，在户外大型影像装置技术方面的获奖者名单中，时任美国加州大学圣塔巴巴拉分校教授的中村修二赫然在列，获奖的技术正是在日亚化学任职期间所开发的蓝色LED。
对于中村修二的摘得诺贝尔奖，美国加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校称，“这是在过去30年半导体材料科学领域中，最为重要的成就之一”。该校还介绍说，中村在转入该校后仍在继续研究GaN薄膜技术，并在7年前开发出了全球首例非极性蓝紫色激光器。
点亮更高效清晰的世界
蓝色激光器的实用化使得录制高清影像节目的蓝光成为现实。由于将蓝光加入绿光和红光中就能产生白光，而高亮度蓝色LED通过与红色和绿色LED组合还可以制造出各种颜色，由此带来一个巨大的新一代节能照明市场。
Allied市场研究公司的报告预计，包括芯片和组件在内的LED市场将在2014年至2020年间，以13.5%的复合年增长率增长。其中，亚太地区将主导LED市场，占据全球电子制造行业四分之三的份额。
具体到应用方面，中村修二首先完成的是蓝绿色发光二极管。目前，采用这种发光二极管的交通信号灯已经实用化，此后便是对激光器以及高亮度绿色发光二极管的研究。
从上世纪90年代中期的超大屏幕全彩显示器，到21世纪初的彩色手机屏幕，再到如今形形色色演出场合的大屏幕，高亮度蓝色发光二极管的功不可没。
瑞典皇家科学院称之为“照亮世界的新光源”：今年的诺贝尔奖选择了能源效率和环境亲和性较高的新光源、也即蓝色LED为授奖对象。遵从阿尔弗雷德?诺贝尔的精神，该奖项奖励的是给人类带来巨大好处的发明。利用蓝色LED，能够以全新的方法制造白色光。随着LED灯的诞生，我们获得了与以往相比寿命更长、效率更高的光源。
LED灯还有助于提高全球15亿尚未用电人群的生活质量，因为LED功耗低，能以当地的廉价太阳能为电源。
目前，其特性还在不断得到改善。日本媒体评论称，LED照明在技术上迎来了第二个发展阶段，这些革新性技术将开拓白炽灯泡和荧光灯以外的新照明用途。包括利用蓝紫色LED治疗金黄色葡萄球菌（MRSA）感染等。
就在上个月，大阪府立大学公开了“绿色生物钟新一代（GCN）植物工厂”的内部情况。该工厂采用飞利浦电子日本开发的植物培育用LED，可发出红光、蓝光、白光及远红外光4种光，更有助于植物的光合作用。
此外，日本Outstanding Technology公司正在利用办公LED照明实现网络通信的系统。该公司建立了通过LED的闪烁来传输信息的网络通信系统“VisiLink”，在技术上解决了原来使用电波通信存在的带宽不足、电磁干扰及安全性等课题。
纳米级显微镜
没有什么物质小得无法研究
如果不是因为熟悉诺贝尔评委会主席的声音，德国学者斯特凡·黑尔差点错失一通重要电话。
“我接到一通由斯德哥尔摩打来的电话，对方自称是诺奖委员会。我原以为这是一个玩笑。”不过，他最终确定，自己确实获得了今年的诺贝尔化学奖。
瑞典皇家科学院8日宣布，将2014年诺贝尔化学奖授予斯特凡·黑尔以及美国科学家埃里克·贝齐格和威廉·莫纳，以表彰他们为发展超分辨率荧光显微镜所作出的贡献。
遥想16世纪末，一位荷兰的眼镜商用两片透镜制造出了世界第一台显微镜。从此，一个崭新的世界呈现在人们的面前。如今，对于微小世界的探索仍在不断深入。从光学显微镜到能探知纳米世界的超分辨显微镜，单个细胞内的活动已经得以被人类追踪。
探索的脚步没有停下，这种微观生物的界限仍旧在不断被拓展。上述三位科学家的研究变突破了以往物体观测尺寸的界限，打开了DNA等微小世界的窗口，这些纳米级的透视眼让人类治疗阿尔茨海默症等疾病多了一种可能。
显微镜步入纳米领域
微小生物体的世界常常被赋予神秘色彩，凭借肉眼，人们难以洞悉它们的生存及活动规律。此时便需要有光学显微镜的帮忙。然而，衍射极限光学基本定律指出，显微镜的分辨率不会小于观察所用光源波长的一半。
19世纪，德国显微镜学家恩斯特·阿贝通过计算发现，显微镜测量的分辨率在光的波长中会受限，光学显微镜无法观测到整体尺寸小于0.2微米的物体，相比之下，人头发的直径是这个极限的1270倍。在显微镜中，一个细菌是个轮廓模糊的小点。
在很长一段时间内，研究人员都无法打破物理定律，光学显微镜不得不被这样的物理局限性所束缚。诺贝尔化学奖评选委员会当天声明说，长期以来，光学显微镜的分辨率被认为不会超过光波波长的一半，这被称为“阿贝分辨率”。
但是，有三位科学家开始意识到，如果能够使分子部分发光的话，他们可以绕过这一极限。上世纪90年代，斯特凡·黑尔从德国海德堡大学毕业，他开始研究新型显微镜，并一直在寻找突破极限的方法。1994年，黑尔有了设想：是否可以用一束激光让荧光分子发光，用另一束激光消除所有“大尺寸”物体的荧光？2000年，这种设想被验证获得成功，继而出现了受激发射损耗（STED）显微技术。
与黑尔一同获奖的威廉·莫纳在1989年任职于美国IBM研究中心时，成为世界上第一个能够测量单个分子的光吸收情况的科学家，这是另一种显微镜技术——单分子显微镜成功的关键。这种方法是反复扫描同一区域，每次扫描只让分散的分子中的几个发出荧光，然后再换一批发光的分子，最后将所得到的多张扫描图像叠加起来形成纳米级分辨率的图像。另一位获奖者美国科学家埃里克·贝齐格在2006年证实这一微观成像方法可用于实践。
这些科学家们的设计，让光线在不违反物理定律的情况下突破障碍。显微镜学家恩斯特·阿贝指出，他们取得的成就，使光学显微镜进入了纳米领域。瑞典皇家科学院称，这三位科学家的研究令实时研究分子过程成为可能。“由于他们的成就，光学显微镜现在能够探索纳米世界”，瑞典皇家科学院在声明中称。
探索DNA的复杂世界
瑞典皇家科学院称，光学显微镜以前能观测到整个细胞和某些细胞器轮廓，但无法再看到更小的物体，相当于只能看到城市的建筑，却无法看清在这些建筑中生活的人们。要更好地研究细胞功能，就必须追踪如蛋白质分子大小的目标。这三位科学家的研究令实时研究分子过程成为可能。借助荧光分子的帮助，今年获奖者们的研究成果巧妙地绕过了经典光学的这一“束缚”，他们开创性的成就使光学显微镜能够窥探纳米世界。
如今，纳米级分辨率的显微镜在世界范围内广泛运用，人类每天都能从其带来的新知识中获益。而这对于医学世界的探索而言是一个大力助手。莫纳最早发明这一技术时，将其用于研究与亨丁顿舞蹈症有关的蛋白质，而贝齐格则在2006年首度使用此技术，追踪胚胎的细胞分裂。
此外，三位科学家的技术还能够以单分子水平细致观察DNA及蛋白质等生物体分子动态。瑞典皇家科学院评价说，这项技术有助于查明帕金森氏病、阿尔茨海默症等疑难病症，并观察各种生命现象。
就在人们为这项微观世界的技术惊叹时，埃里克·贝齐格已经开始向下一个里程碑启程。据外媒报道，他正在研发新的“层光显微镜”，这种显微镜将可更清楚看见立体且快速活动的细胞内部结构。
他们的研究成果成功实现了活细胞内各个分子的运动可视化。借助这样的技术，研究人员能够观测到突触是如何在脑神经细胞之间形成的；观察到与帕金森病、阿尔茨海默症及亨廷顿病相关的蛋白质是如何聚集的；看到受精卵变成胎儿时受精卵内的蛋白质是如何变化的……
“生物学变成了化学，”诺贝尔奖化学委员会主席、隆德大学无机化学教授斯文·列丁感叹道，“化学变成了生物学。”
斯特凡·黑尔在接受德国媒体采访时说，“光学显微镜的存在非常重要，它有助于了解活体细胞内的状况。这对所有人都至关重要，因为只有在清楚知道细胞内的活动时，才能了解疾病。如今人们能更清楚分辨活体细胞，就能更好地知道细胞内的状况，从而知晓疾病是在何种情况下发生。我相当确信，这个如今获得奖项肯定的成果，中期内将有助于在医学上发展出更好的治疗方法。”