2016年诺贝尔奖已授奖一半了，即生理学或医学、物理学、化学这三项科学奖已落归其主。下面后三项是和平奖10月7日公布（大概还要推迟）；经济学奖10月10日公布；文学奖10月13日公布。今年诺贝尔科学奖的成果给我的印象或特点是二点：一是，越来越使一般人难以理解；二是，越来越跨学科、跨领域交叉进行。下面分别谈谈这些体会。

一、物理学奖的成果中跳出让人陌生的拓扑学

2016年度诺贝尔物理学奖授予三位美国科学家：大卫·索利斯（占一半奖金）和邓肯· 霍尔丹和迈克尔·科斯德里茨（分享另一半）。三位获奖者使用物理学中的拓扑概念对他们揭示奇异物质的秘密起到决定性作用。一般人很难听说过高等数学方法，这三位科学家大胆地将拓扑学概念应用到物理学，对他们后来的发现起到了决定性作用。拓扑学是近代发展起来的一个数学分支，用来研究各种“空间”在连续性的变化下不变的性质。三位科学家采用拓扑学作为研究工具，这一举动在当时让同行感到吃惊。

上世纪70年代初，迈克尔·科斯德里茨和大卫·索利斯推翻了当时流行的认为超导性或超流体性不能在薄层里出现的理论。他们论证了超导性可在低温下出现，并解释高温下超导性消失的机制、相变。今年的获奖者打开了一个未知世界的大门，在那个世界里物质呈现奇怪的状态。他们使用高等数学方法研究物质的不寻常阶段或状态，如超导体、超流体或薄磁膜。

上世纪80年代，索利斯使用非常薄的导电层解释了原先的试验结果，这些导电层可用整数步精确计算导电性。他揭示了这些整数本质上是拓扑的。大约同时，邓肯·霍尔丹揭示了拓扑概念如何用于理解一些材料中发现的小磁体链的特性。我们现在知道有很多拓扑相位不仅存在于薄层和线状物种，而且存在于普通三维材料中。过去10年，这个领域促进了凝聚态物理学的前沿研究，尤其是有望将拓扑材料应用到新一代电子或超导产品，或未来的量子计算机中。如今，人类对物质的新奇相态的研究正在展开，材料科学和电子学的未来应用前景充满希望。

如何理解什么叫拓扑学？最好让我们用一段故事来理解吧，这就是18世纪古典数学问题之一的——举世闻名的七桥问题。

18世纪初普鲁士的哥尼斯堡风景秀美的普莱格尔河上有7座别致的拱桥，将河中的两座孤岛和河工岸连结起来（如下图）。城中的居民经常沿河过桥散步。城中有位青年很聪明，爱思考，有一天，这位青年给大家提出了这样一个问题：能否一次性走遍7座桥，而每座桥只许通过一次，最后仍回到起始地点。当地的市民以“一步走”为一项非常有趣的消遣活动在思考着，可是人们始终没有能找出答案——即如何解决“一笔画”的问题。

大数学家欧拉从朋友那里听到这个问题，特意在1736年访问了哥尼斯堡城。他很快便证明了这样的走法不存在。

伟大的数学家欧拉，睿智地把这样一个实际问题抽象成了一个由点线组成的简单的几何图形——把河隔开的二块陆地和两座孤岛看成A、B、C、D4个节点，7座桥表示成7条连接这4个点的线.

这样一个抽象化的过程是欧拉解决这个问题时最精彩的思考，也是最值得我们学习的地方。因为图二不能一笔画成，所以人们不能一次走遍7座桥。欧拉的这个考虑非常重要，也非常巧妙，它正表明了数学家处理实际问题的独特之处——把一个实际问题抽象成合适的“数学模型”。这种研究方法就是“数学模型方法”。这并不需要运用多么深奥的理论，但想到这一点，却是解决难题的关键。1736年，欧拉把这道题的结果发表在圣彼得堡科学院学报上，欧拉对“七桥问题”的研究是图论研究的开始，可以说，正是这个问题的研究方法使其成为人类“图论”的鼻祖。

那么欧拉是如何判断图二不可以一笔画成呢？这个图形中共有4个点7条线，每个点都是若干条路线的公共端点。如果一个点是偶数条线的公共端点，我们称这个点为双数点（即2、4、6、偶数条边连着）；如果一个点是奇数条线的公共端点，我们称这个点为单数点（即1、3、5、7有奇数条边连着）。图二中A点是5条线的公共端点，B、C、D点都是3条线的公共端点，因此图二有4个奇点。一般，我们把起笔的点称为起点，停笔的点称为终点，其它的点称为路过点。显然一笔画图形中所有路过点如果有进去的线就必须有出来的线，从而每个点连接的线数必须有偶数个才能完成一笔画，如果路过点中出现奇点，必然就会出现没有走过的路线或重复路线。因此在一笔画图形中，只有起点和终点可以是奇点，也就是说最多只能有两个奇点，以一个奇点为起点，另一个奇点为终点。因为有4个奇点，没有一点含有偶数条数，因此不能一笔画成。

也就是说，多少年来，人们费脑费力寻找的那种不重复的路线，根本就不存在。一个曾难住了那么多人的问题，竟是这么一个出人意料的答案！人们又通常把一笔画成回到出发点的欧拉路叫做欧拉回路。具有欧拉回路的图叫做欧拉图。

“一笔画”这个规律一定符合下面三条：⒈凡是由偶点组成的连通图，一定可以一笔画成。画时可以把任一偶点为起点，最后一定能以这个点为终点画完此图。⒉凡是只有两个奇点的连通图（其余都为偶点），一定可以一笔画成。画时必须把一个奇点为起点，另一个奇点为终点。⒊其他情况的图都不能一笔画出。(奇点数除以二便可算出此图需几笔画成)

法则：把图看成是由点和线组成的一种集合。图里直线的交点叫做顶点，连结顶点的线叫做边。这个图是联通的，即任何二个顶点之间都有边。很显然，图中的顶点有两类：一类是有偶数条边连着它的，另一类是有奇数条边连着它的。一个顶点如果有偶数条边连着它，这点就称为偶点；如果有奇数条边连着它，就称它为奇点。能一笔画的图形只有两类：一类是所有的点都是偶点。另一类是只有二个奇点的图形。

直观的说，关于图形的几何性质探讨，不限于它们的长度、角度等等方面的知识。拓扑学探讨各种几何形体的性质，但是其内容却与几何学的范畴不尽相同，多数的讨论都是围绕在那些与大小、位置、形状无关的性质上。例如，曲线(绳子、电线、分子链…)不论有多长，它可以是闭合或不是闭合的。如果曲线是闭合的，则它可以是“缠绕”得很复杂的。两条以上的闭曲线可以互相套起来，而且有很多型式。立体及它们的表面可以是有“孔洞”的，在不割裂、破坏孔洞下，它们允许做任意的伸缩及变形。这种变形不会减少或增加孔动数量，就叫做它的“拓扑性质”。

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根据多面体的欧拉定理，可以得出这样一个有趣的事实：只存在五种正多面体。它们是正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体、正二十面体。1852年，毕业于伦敦大学的弗南西斯.格思里来到一家科研单位搞地图着色工作时发现：每幅地图都可以用四种颜色着色，使得有共同边界的国家都被着上不同的颜色隔开。1872年，英国当时最著名的数学家凯利正式向伦敦数学学会提出了这个问题，于是四色猜想成了世界数学界关注的问题。1976年，美国数学家阿佩尔与哈肯在美国伊利诺斯大学的两台不同的电子计算机上，用了1200个小时，做了100亿种判断，终于完成了四色定理的证明。不过不少数学家并不满足于计算机取得的成就，他们认为应该有一种简捷明快的书面证明方法。

除去七桥问题，多面体的欧拉定理、四色猜想等，拓扑学中还有很多有趣并且很基本的问题。如纽结问题、维数概念、维数概念、向量场问题、不动点问题等等。例如纽结理论：空间中一条自身不相交的封闭曲线，会发生打结现象。要问一个结能否解开（即能否变形成平放的圆圈），或者问两个结能否互变，并且不只做个模型试试，还要给出证明，那就远不是件容易的事了。一个橡皮圈，在它的弹性限度内，任凭我们把它拉长、扭转，只要不把它弄断，那么它永远是一个圈圈。拉长使它的长度改变了，扭转使它的形状改变了，然而在拓扑学上不会理会这些，只是专注在“它永远有一个圈圈”上。

组合拓扑学的奠基人是法国数学家庞加莱。他是在分析学和力学的工作中，特别是关于复函数的单值化和关于微分方程决定的曲线的研究中，引向拓扑学问题的。他的主要兴趣在流形。在1895～1904年间，他创立了用剖分研究流形的基本方法。他引进了许多不变量：基本群、同调、贝蒂数、挠系数，探讨了三维流形的拓扑分类问题，提出了著名的庞加莱猜想。

二、获生理学与医学奖的“细胞自噬”是人类细胞一个重要机制

今年的诺贝尔生理学或医学奖获奖者为日本科学家大隅良典，表彰阐释了“细胞自噬机制方面的发现”，而细胞自噬过程是细胞成分降解和回收利用的基础。细胞自噬是什么？自噬的意思非常明确，那就是“吃掉自己”。虽然人们早就知道细胞自噬存在，但是只有在大隅良典的精巧实验之后，人们才意识到它的机制、懂得了它的重要性。

20世纪50年代中期，科学家观察到细胞里的一个新的专门“小隔间”（这种隔间的学名是细胞器），包含消化蛋白质，碳水化合物和脂质的酶。这个专门隔间被称作“溶酶体”，相当于降解细胞成分的工作站。在溶酶体内部有时可以找到大量的细胞内部物质，乃至整个的细胞器。因此，细胞似乎有将大量的物质传输进溶酶体的策略。进一步的生化和显微分析发现，有一种新型的囊泡负责运输细胞货物进入溶酶体进行降解。细胞自噬这一概念最早提出于20世纪60年代，比利时科学家克里斯汀·德·迪夫因为溶酶体的发现，在1974年被授予诺贝尔生理学或医学奖，成为“自噬”这个词的命名人。

但是研究这种现象困难重重，人们对其一直所知甚少，直到20世纪90年代早期，日本科学家大隅良典做了一系列精妙的实验。他主要研究蛋白质在液泡中降解的过程了。液泡也是一种细胞器，它在酵母中的地位和人体中溶酶体的地位类似。在实验中大隅推论，如果他能在自噬行为发生的时候阻断液泡中蛋白质分解的过程，那么自噬体将在液泡中累积，从而在显微镜下可见。因此，他培育出因突变而缺乏液泡降解酶的酵母细胞，并通过使细胞饥饿激发自噬。实验结果非常惊人！几个小时内，液泡中就充满了细小的、未被降解的囊泡，这些囊泡就是自噬体。大隅的实验证明酵母细胞中也存在自噬现象，然而更重要的是，他发现了一种方法，能够识别和鉴定涉及这些过程的关键基因。在他发现酵母自噬一年内，大隅良典就鉴定出了第一批对自噬至关重要的基因。在接下来的众多巧妙研究中，他对这些基因所编码的蛋白质的功能进行了研究。结果显示，自噬过程是由大量蛋白质和蛋白质复合物所控制的。每种蛋白质负责调控自噬体启动与形成的不同阶段。

在识别出酵母自噬的机制之后，依然还有一个关键问题。其他的生物里有没有对应的机制来控制自噬过程呢？很快人们发现，我们细胞里也有几乎一样的机制在运行。现在我们有了探索人体内细胞自噬所必需的研究工具。大隅良典的发现是人类理解细胞如何循环利用自身物质的典范。他的发现为理解诸多生化过程——例如适应饥饿以及对感染的免疫应答——中细胞自噬的重要性打开了一扇窗。细胞自噬基因突变会导致疾病，在严重的疾病包括癌症以及神经系统疾病中都包含了细胞自噬过程。细胞自噬与细胞凋亡、细胞衰老一样，是十分重要的生物学现象，参与生物的发育、生长等多种过程。细胞自噬的异常导致癌细胞的出现。

得益于大隅良典及后来者的贡献，我们现在知道，自噬控制着重要的生理功能。自噬能快速地为体内能量提供燃料，因此对“细胞对饥饿的响应”、及其他类型的压力至关重要。被感染之后，自噬能消灭掉入侵的细胞菌和病毒。自噬还影响着胚胎的发展和细胞变异。此外，细胞还利用自噬来消除受损的蛋白质和细胞器。这是一种高质量的控制机制，对抵抗年老所导致的不良影响至关重要。

这一研究成果将对于未来的应用意义十分深远：遭到扰乱的自噬过程与帕金森氏病、2型糖尿病和老年人体内其他疾病都有所关联。自噬基因的突变可以导致遗传病，而自噬机制被干扰还可能导致癌症。目前，研究人员已经正在进行紧张的研究，根据不同疾病的自噬现象来研发、开发药物，能够在各种疾病中利用自噬机制起到作用。

三、化学奖似乎更跨越不同学科不同领域的界线

2016年诺贝尔化学奖由三位科学家共享：让-皮埃尔·索维奇(法国)，J·弗雷泽·斯托达特(美国)，伯纳德·L·费林加(荷兰)，表彰他们在“分子机器设计合成”做出的贡献。他们将共同分享800万瑞典克朗（约合616万人民币）的奖金。因为他们从分子水平上揭示了细胞是如何修复损伤的DNA以及保护遗传信息的。他们的研究工作为我们了解活体细胞是如何工作提供了最基本的认识，并有助于很多实际应用比如新癌症疗法的开发。

每一天，我们的DNA都会在紫外辐射、自由基和其他致癌物质的作用下发生损伤，但即使没有这些外部伤害，DNA分子也天生就不是个安分的家伙——细胞的基因组中天天都要发生数千次的自发变化。而且，每当细胞产生分裂、DNA发生复制时，缺陷都会产生，这样的事情每天都在人体中重演上百万次。而我们身体内的各种遗传物质并不会瓦解、演变成为一场化学混乱的原因则在于，一系列的分子机制持续监视并修复着DNA。这三位先驱科学家从分子水平上分别详细揭示了若干个此类修复是如何运行的原理而做出的贡献。

在20世纪70年代早期，科学家们认为DNA是一种非常稳定的分子，但让-皮埃尔·索维奇却发现，DNA会以一定的速率发生衰变——按此速率，地球上的生物甚至都不该存在并发展下来的。这让他揭示了一种分子机制——碱基切除修复——该机制不断地抵消了DNA的崩溃。

伯纳德·L·费林加绘制出了核苷酸切除修复机制，细胞利用切除修复机制来修复UV造成的DNA损伤。天生缺失这种机制的人暴露在太阳光下，可导致皮肤癌的发生。细胞还可利用此机制修复致突变物或其他物质引起的DNA损伤。

J·弗雷泽·斯托达特证明了细胞在有丝分裂时如何去修复错误的DNA，这种机制就是错配修复。错配修复机制使DNA复制出错几率下降了一千倍。如果先天缺失错配修复机制可导致癌症的发生，例如遗传性结肠癌的发生。

细胞是如何工作的，掌握了这些知识，就可以用来研发新型治疗癌症的方法。简单来说，这是一个有关在分子层面的微观尺度上设计机器的故事。这几位获奖人开发出了比人类头发丝直径还要小1000倍的分子机器。他们的获奖在于成功合成了各类分子机器，从微型马达到微型汽车再到微型肌肉。正如一位诺奖委员会成员所言：“他们掌握了在分子层面上控制运动的技术。”

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你能够将机器做到多小？对未来的展望——分子机器将在未来25~30年内出现。

对此一种可能的设想是我们先制造一双比我们自身的手更小的机械手，然后用这双机械手再制造更小的机械手，然后再进一步制造更小的机械手，以此类推，直到这双手足够小，从而能够设计同样微小的机器。

在20世纪中叶，作为开发更复杂分子结构努力的一部分，化学家们开始合成一些分子链，其中一些环装分子被连接到了一起。成功做到这一点的人不仅将创造出一种美妙的全新分子，还将创造出一种全新的化学键。正常情况下，分子是由共价键牢牢连接到一起中，在共价键中，相邻原子之间会共享一部分电子。现在化学家们的设想则是创造一种机械键——分子之间相互处于机械锁定状态，而原子之间并不发生直接相互作用。在1950~1960年代，几个研究组均报告他们在实验室中合成了分子链，但是他们得到的量非常少，并且采用的方法极为复杂，应用价值非常有限。因此这样的进展更多被视作是某种对于好奇心的满足而非严肃的化学进展。

　　在经历数年的停滞徘徊之后，很多人开始放弃希望，从1980年代开始，整个研究领域开始陷入低迷困境。然而这样的场景并未持续很久——1983年，一项重大的突破性进展出现了。借助普通的铜离子，一个由让-皮埃尔·索瓦领衔的法国研究组掌握了对分子的控制技术！

　　正如在研究工作中时常会出现的那样，启发往往来自一个完全不相关的领域。让-皮埃尔·索瓦的工作专长是光化学领域，该领域的化学家们关心的是合成某种分子化合物，期望其能够捕获太阳光中的能量并利用这些能量驱动化学反应过程。当让-皮埃尔·索瓦建立起一种这类化学物的模型之后，他突然之间意识到这类分子与分子链之间存在的相似性：两个分子围绕一个中间的铜离子交缠在一起。

　　这一发现让让-皮埃尔·索瓦的研究方向发生了重大转折。利用他的光化学化合物模型，他的研究组创建出一种环状以及一类新月状分子，并使其被铜离子吸引。在这一结构中，铜离子实际上提供了某种类似粘合剂的作用，将两个不相关联的分子联系到一起。紧接着，研究组利用化学方法将另外一个新月状分子粘合上去，从而用两个新月状结构拼接成另一个圆形分子，如此便得到了环形分子链中的第一个环。然后研究组撤走铜离子，因为后者已经达成了它的使命。

　　在化学上，非常讲究反应效率，也就是说你投入的分子量与你最后合成得到的目标分子数量之间的比值。在此前的研究中，这样的比值一直很不理想，一般只能达到几个百分点。但借助铜离子的帮助，让-皮埃尔·索瓦的研究组将这一效率提升到了令人印象深刻的42%！突然之间，分子链研究已然不再只是满足好奇心的领域了。

借助这一革命性的方法，让-皮埃尔·索瓦重新为拓扑化学的研究领域带来了活力。该领域化学家们的主要工作就是将分子不断相互缠绕锁定（通常需要借助金属离子的帮助），构成越来越复杂的结构——从长分子链条到复杂的环节结构，不一而足。让-皮埃尔·索瓦和詹姆斯·弗雷泽·司徒塔特爵士是这一领域的领军人物，他们的研究组合成了许多经典符号，如三叶形纽结、所罗门结或博罗梅安环。但是，2016年的诺贝尔化学奖的获奖成果并非这种美丽结构的合成，而是分子机械。迈向分子马达的第一步。

　　让-皮埃尔·索瓦不久之后便意识到分子链并非仅仅是一种新型分子，并且自己实际上已经迈出了通往构建分子机器的第一步。为了让机器能够实现其功能，它必须包含数个能够相互协调工作的部件。而两个相互勾住的分子环是可以满足这样的条件的。在1994年，让-皮埃尔·索瓦的研究组成功合成出一种索烃，其中的一个分子环是可以受控方式旋转的，当施加外部能量时，它会围绕另一个环转动。这是非生物分子机器的第一个雏形。分子机器的第二个雏形则是由一个在苏格兰的一片没有电力供应也没有任何现代设施的偏远农场上长大的化学家完成的。

在另一个引人注目的实验中，伯纳德·费灵格的研究小组利用分子马达旋转一个28微米长的玻璃缸（比分子马达大10000倍）。在实验中，他们把马达整合到液晶（一种拥有晶体结构的流体）中。但只有百分之一的液晶由分子马达组成，当研究人员开始旋转时，马达就改变了液晶的结构。当研究人员把玻璃缸放在液晶上面时，电机运动就带动了它的旋转。

索瓦、司徒塔特和费灵格在研发分子机器过程中所采用的一些突破性步骤最终形成了一个化学结构工具箱，目前已被全世界研究人员在进行先进的化学结构创作时所采用。其中一个最突出的例子是一个可以抓取和连接氨基酸的分子机器人，于2013年基于轮烷而建造。

　　其他研究人员还将分子马达与长聚合物相连接，形成一个复杂的网络。当分子马达被暴露在光线中时，就会把聚合物吹成一个杂乱的管束。通过这种方式，光能量被储存在分子中。如果研究人员找到一种能获取这种能量的技术，则一种新型电池就将被开发出来。当电机将聚合物搅拌在一起时，材料就会收缩，这可以用于开发光反应传感器。

　　这项技术发展的一个重要组成部分是，研究人员推动了分子系统远离所谓的平衡。所有的化学系统都力求达到平衡，这是一种低级的能量状态，但也是一个僵局。以日常生活为例，当我们吃饭时，身体的分子从食物中提取能量，并推动我们的分子系统远离平衡，到更高的能量水平。然后，生物分子使用能量来驱动身体工作所需的化学反应。如果身体处于化学平衡状态，人类就会死亡。

　　就像生命分子一样 ，索瓦、司徒塔特和费灵格的人工分子系统执行一项受控任务。时间已经证明了小型化计算机技术革命所带来的影响，而我们也只是看到了机器小型化可能带来影响的初始阶段。从发展阶段来看，分子马达目前所处阶段相当于19世纪30年代的电子马达。当时，研究人员的想法还处于实验室阶段，并未想到后来会引发出电气火车、洗衣机、电风扇和食物处理器等。

我们现在仍是只能继续猜测这项技术令人兴奋的未来发展前景。但是，我们现在已经能够回答最初的一个问题了——我们能够制造的最小的机器究竟有多小？至少比一缕头发小1000倍。