探秘2014年諾貝爾物理、化學獎

2014年的諾貝爾獎已經揭曉，物理獎和化學獎各被三名科學家摘取。這幾位科學家為世界的進步和發展作出了怎樣的貢獻？他們的發明又給人類生活帶來了怎樣的便利？讓大臉兔為大家一一解讀。

化學獎：超高分辨率熒光顯微鏡

2014年諾貝爾化學獎的獲獎者分別是美國科學家埃里克·貝齊格、威廉·莫奈和德國科學家斯特凡·黑爾，他們獲獎的理由是，超越光學顯微鏡的局限，發展了超高分辨率熒光顯微鏡，這使得光學顯微鏡技術進入納米尺度。

很長一段時間里，科學家認為光學顯微鏡有一個極限：無法獲得比半光波長（即0.2微米左右）更好的分辨率，這導致科學家們無法看到更小的物體，如常規尺寸的病毒，或單個的蛋白質。但是，今年諾貝爾化學獎的三位獲得者在熒光分子的幫助下，巧妙地繞開了這種極限。

同樣是發展熒光顯微鏡，但這幾名科學家用的方法卻不盡相同。其中斯特凡·黑爾開發的是受激發射減損顯微鏡技術。這項技術同時使用兩束激光，一束負責激發熒光分子使其發光，另一束則負責抵消大部分熒光，只留下一塊納米大小的熒光區域。這樣，通過一個納米一個納米地掃描樣品，可以獲得更高分辨率的圖像。

埃里克·貝齊格和威廉·莫奈共同開發的是單分子顯微技術。這項技術可以對同一區域進行多次“繪圖”，每次僅僅讓很少量的分散分子發光，將這些圖像疊加起來，就能產生密集的納米尺寸超分辨率圖像。

通過超高分辨率的熒光顯微鏡，科學家們就可以在細胞中觀察到單個分子的運動；可以看到分子如何在腦的兩個神經細胞之間產生突觸；可以追蹤帕金森病、阿爾茲海默癥和亨廷頓癥患者體內相關蛋白質的累積情況；還能跟蹤受精卵在分裂形成胚胎時，蛋白質的變化過程……總之，人們能更好地了解微觀世界，攻克更多的科技難題。

物理學獎：藍色發光二極管

2014年諾貝爾物理學獎獲得者為日本科學家赤崎勇、天野浩和日裔美籍科學家中村修二。他們獲獎的理由是：發現新型高效、環境友好型光源，即藍色發光二極管（LED）。通過應用藍光LED技術，人類可以使用一種全新的手段產生白色光源。如果說愛迪生的白熾燈泡點亮了20世紀，那么21世紀將閃耀在LED之下。

紅色和綠色LED在上世紀中葉已經問世，但要把LED用于照明，必須發明藍色LED，因為有了紅、綠、藍三種單色光后，才能產生白色光。但藍色LED的制備技術困擾了人類30多年。一直到1986年，赤崎勇和矢野浩兩人首次制成高質量的氮化鎵晶體，才使得藍色LED的研究取得突破。三年后，兩人又首次研發成功藍光LED。而中村修二的研究則是讓LED照明實現了實用化，引發了照明技術的革新。

那么這項技術的意義何在呢？在LED燈中，電能被直接轉換為光，這就大大提升了發光的效能。圖2是在消耗同樣能量的情況下，油燈、白熾燈、熒光燈和LED燈的發光強度對比。數據顯示，LED燈的發光效率是煤油燈的3000倍，是熒光燈的4倍多。目前，全世界大約四分之一的耗電量來自于照明，LED這一高效照明工具的出現，能夠極大地節省電能。同時，由于LED燈可以持續使用長達10萬個小時，與白熾燈泡的1000個小時以及熒光燈的1萬個小時相比，LED燈又能節省材料的消耗。

由于極大地節約了資源，LED技術使得更高效、更便宜的照明設備陸續被開發出來，這給世界上超過15億的人口帶來了直接的福利——生活在發達地區的我們可能不知道，地球上還有很多人因為貧困和缺乏電網設備，無法享受電力照明。但LED燈的出現，讓他們未來有望使用小型太陽能電站產生電力進行照明。

此外，LED是可以非常靈活運用的光源技術，人們可以根據不同的需求，合成各式各樣的色彩和亮度。如讓面積達數百平米的屏幕閃爍，變換色彩與圖形，而且這一切都可以用計算機進行控制。對光線色彩的控制還意味著LED燈可以模仿自然光源，讓我們的生物鐘能夠更好地適應。而在人工溫室內使用人工照明的方法也已經成功進行了實踐。被污染的水體可以使用紫外光LED燈進行消毒，它同樣是藍光LED技術的衍生品。

正是由于十多年來藍光LED和LED照明技術為人類社會作出如此巨大的貢獻，諾貝爾獎評選委員會才會將2014年的物理諾貝爾獎，頒給多年前開發這項技術的三名科學家。