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用一束光拨动神经元：2026 年诺贝尔生理学或医学奖导读

Thu, 08 Oct 2026 10:40:00 +0800

写在前面：这是一篇自己写的导读。文中的年份和数字都来自文末列出的公开资料，主要是诺贝尔奖官网的新闻稿、科普材料和诺贝尔委员会的科学背景文件，以及原始论文摘要和维基百科。引语均为中文意译，标注「大意」，原话以出处为准。

图解：光门控离子通道和光遗传学（作者原创，Grok Imagine 生成；人物形象为 AI 绘制）。更正：衣藻眼点实际位于细胞中部侧面；离子应穿过开放通道蛋白中央的孔道，而非脂质膜；图中 Ca²⁺ 重复出现，K⁺ 实际是外流而非内流；「关闭状态」通道应无蓝光照射。

2026 年 10 月 5 日，瑞典卡罗林斯卡医学院诺贝尔大会宣布，今年的诺贝尔生理学或医学奖由三位科学家共同获得，每人三分之一：

Karl Deisseroth（卡尔·戴瑟罗斯），1971 年生，美国霍华德·休斯医学研究所（HHMI）与斯坦福大学；
Peter Hegemann（彼得·黑格曼），1954 年生，德国柏林洪堡大学；获奖工作做于马普生物化学研究所（马丁斯里德）；
Georg Nagel（格奥尔格·纳格尔），1953 年生，德国维尔茨堡大学；获奖工作做于马普生物物理研究所（法兰克福）。

获奖理由是：「for their discoveries concerning light-gated ion channels and optogenetics」，即表彰他们在光门控离子通道和光遗传学方面的发现。1,200 万瑞典克朗奖金由三人平分。

简单说：Hegemann 和 Nagel 在一种绿藻里找到了「见光就开门」的蛋白质，Deisseroth 把它装进哺乳动物的神经元，让科学家第一次能用光在毫秒尺度上只开关某一类特定的神经元。这套方法叫光遗传学（optogenetics）。诺贝尔委员会主席 Per Svenningsson 的评价是（大意）：「光遗传学让我们能以过去只敢梦想的方式绘制大脑图谱。」

一、神经元怎么「发电」

人脑只有约 1.3 公斤重，却装着大约 900 亿个神经元，每个神经元又和成千上万个其他神经元相连（数字据诺奖官网科普材料）。它们之间传递信息，靠的是电信号。

这个电不是电线里那种电子流，而是离子的流动。神经元的细胞膜像一道墙，墙内外的离子浓度很不一样：钠离子（Na⁺）外面多、里面少，钾离子（K⁺）里面多、外面少。安静的时候，膜内比膜外低大约 70 毫伏，这叫静息电位。

墙上镶着各种离子通道，就是一扇扇只在特定条件下打开的小门。当神经元受到足够的刺激，膜上的钠通道成批打开，Na⁺ 顺着浓度差涌进来，膜内电位迅速升高（叫做去极化）；紧接着钾通道打开，K⁺ 流出去，电位又落回来。这一上一下，就是一个动作电位，也就是神经元「放电」一次，典型的钠依赖动作电位通常不到 1 毫秒。

所以，控制神经元就是控制它膜上的门：放正离子进来，它就兴奋；放负离子进来或正离子出去，它就安静。

二、神经科学家一直缺一把「精准开关」

二十世纪，研究者已经弄清了大脑哪些区域大致管哪些功能。但诺奖官网的说法是，那时的方法比较「钝」，没法证明某一类特定的神经元直接导致了某种感受或行为，得到的大脑图像像一张模糊的照片，缺了许多细节。

难点在于，大脑里功能不同的神经元往往紧紧挤在一起，甚至相邻的细胞管的是相反的事。传统工具各有局限：

电极能刺激，但会把电极尖附近的所有细胞一起激活，分不清谁是谁；
药物能更有选择地作用于某类受体，可它要靠扩散，起效和消退都慢，跟不上神经元毫秒级的节奏；
记录和成像能看到活动，但只能告诉你「这群细胞活跃时，动物在干什么」，是相关，不是因果。

DNA 双螺旋的发现者之一弗朗西斯·克里克（Francis Crick，1962 年诺奖）晚年转向研究意识。他在 1979 年和 1999 年的文章里设想过一种理想的工具：能让「某一类神经元全部激活或关闭，而其他神经元基本不受影响」（大意）。他还推测，要在清醒的动物身上快速开关某类神经元，「理想的信号应该是光」（大意），并承认这个想法在当时「相当牵强」（大意）。

在通道视紫红质出现之前也有人尝试过，比如 2002 年 Gero Miesenböck 团队把果蝇视觉系统里的三种蛋白装进哺乳动物神经元，第一次让本不感光的神经元对光有了反应。但这类方案要么得同时导入好几个基因、额外注入化学物质，要么信号要经过几道中转，太慢，时间上不可靠。神经科学需要的是：一个基因、一个蛋白，吸收光子就直接开门。

三、一种会游向光的绿藻

答案来自一个看起来和大脑毫不相干的问题。

莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）是一种直径约 10 微米的单细胞绿藻，靠前端的两根鞭毛像蛙泳一样划水。把它们搅进培养皿，再从一侧打光，整皿淡绿色就会慢慢「流」向光源。衣藻身上有一个小小的橙色眼点，里面含有吸光分子视黄醛（retinal），和我们眼睛里用的是同一类分子。

莱茵衣藻的扫描电镜照片，可以看到每个细胞前端的两根鞭毛（左下角标尺为 10 μm）。图：Dartmouth Electron Microscope Facility，公有领域，来自 Wikimedia Commons。

二十世纪九十年代初，在德国马普生物化学研究所工作的 Peter Hegemann 用微电极测衣藻的电信号，发现光照到眼点后仅半毫秒就出现电脉冲。作为对比，光照进人眼后要经过一长串化学反应，最后才由一个离子通道开门产生电信号，整个过程至少要 10 毫秒。衣藻快了二十多倍。

Hegemann 的解释是：衣藻里的过程简单得多，一个蛋白质同时负责感光和开门。这个假说当时遭到怀疑，因为已知的离子通道没有一个能自己对光起反应。他想把这个蛋白分离出来，却屡试屡败，眼点里的蛋白一离开细胞就不稳定。

转机出现在世纪之交。日本研究者公布了衣藻大量基因的序列数据，Hegemann 团队在里面找到两个和已知感光蛋白很像的基因。几乎同时，美国 John Spudich 团队和日本高桥（Takahashi）团队也独立找到了同样的序列。

四、Nagel 让青蛙卵「见光开门」

要证明这两个基因编码的就是离子通道，得把它们放进别的细胞里测电流。Hegemann 找到了老相识 Georg Nagel，他当时在法兰克福的马普生物物理研究所，擅长用非洲爪蟾的卵母细胞做实验：往卵里注射某个基因的 RNA，卵就会大量生产这种蛋白，并把它插到自己的细胞膜上，再用电极测量。

2002 年，Nagel、Hegemann 和 Ernst Bamberg 等人在《科学》上报告：第一个蛋白在绿光照射下产生内向电流，主要由质子（H⁺）携带。它被命名为通道视紫红质-1（ChR1），是人类认识的第一个光门控离子通道。

2003 年，同一团队在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上报告了第二个蛋白，通道视紫红质-2（ChR2）：

它对蓝光最敏感，吸收峰在 470～480 纳米左右；
它是一个非选择性阳离子通道，一价和二价阳离子（H⁺、Na⁺、K⁺、Ca²⁺）都能通过，离子顺着电化学梯度被动流动；
光照后约 0.2 毫秒就开门（据诺奖官网科普材料），持续照射时电流会从一个尖峰回落到较低的稳定水平；
放进人胚肾细胞和仓鼠肾细胞，这些细胞也变得对光敏感。

论文摘要的最后一句写得很直白：ChR2 可以用来「仅靠光照，就让或大或小的细胞去极化」（大意）。这正是神经元兴奋所需要的那一步。

需要注意的是：ChR2 虽然也让 K⁺ 通过，但神经元里 K⁺ 里多外少，开门后它倾向于往外流；真正把膜电位往上推的主要是涌入的 Na⁺（以及 H⁺）。离子走的是通道蛋白中间的孔，而不是直接穿过脂质膜。

五、Deisseroth 把开关装进神经元

Karl Deisseroth 学医时本想当神经外科医生，但在精神科轮转时被病人的痛苦打动：抑郁症患者为什么很难感到快乐？精神分裂症的妄想从何而来？他意识到，要回答这些问题，必须研究活体大脑里的神经元怎样工作。按诺奖官网的说法，当时不少人担心在一个不现实的梦想上浪费经费，而 Deisseroth 觉得自己能给病人的治疗往往效果差、副作用大，这个险值得冒。

在斯坦福建立自己的实验室后，他听说了 ChR2，写信向 Nagel 要来了编码这个蛋白的 DNA（附带一个荧光蛋白标签，方便看到它表达在哪里）。团队用慢病毒把基因送进体外培养的大鼠海马神经元。他原本担心这个外来蛋白会伤害娇嫩的神经元，结果细胞表达得好好的，没有明显毒性。

一个关键的问题是：ChR2 需要视黄醛才能感光，哺乳动物的神经元里够不够？Nagel 注意到，细胞自身微量的视黄醛就够用，不需要额外添加。这让整套方法一下子简单了：只要一个基因。

2005 年，Edward Boyden、张锋（Feng Zhang）、Ernst Bamberg、Georg Nagel 和 Karl Deisseroth 在《自然·神经科学》上发表论文：用蓝光脉冲照射表达 ChR2 的神经元，可以以毫秒级精度、可靠地触发一个个动作电位，还能控制兴奋性和抑制性的突触传递。光一闪，神经元就放一次电；闪得快，它就放得快。诺贝尔委员会的科学背景文件称这是光遗传学的里程碑。同一年前后，其他实验室也相继在鸡胚脊髓、线虫等系统中用 ChR2 控制神经活动和行为。

典型神经元的结构：树突接收信号，轴突把动作电位传出去。光遗传学就是让这样的细胞在膜上「长出」光控的门。图：BruceBlaus（Blausen Medical），CC BY 3.0，来自 Wikimedia Commons。

2006 年，Deisseroth 与 Guoping Feng、Gero Miesenböck、Alice Ting、Mark Schnitzer 等人在一篇综述里正式提出了「光遗传学」这个名字。

六、从培养皿到活老鼠

培养皿里的神经元只是第一步。大脑深处不透光，要控制活体动物，还得把光送进去。

2007 年，Deisseroth 团队开发出一套「光学神经接口」：用激光二极管连接一根细细的光纤，从颅骨上的小孔插进大脑。他们把 ChR2 只表达在小鼠运动皮层第五层的兴奋性神经元里，蓝光一照，小鼠的胡须就跟着摆动。他们还确认，即使在活体动物里，也完全不需要额外补充视黄醛。

同一年，Deisseroth 与 Luis de Lecea 合作，把 ChR2 装进下丘脑的食欲素（hypocretin）神经元，光一照，睡梦中的小鼠更容易醒来。这是最早一批用光遗传学直接证明某类神经元的放电导致某种行为的实验。

光能「开」，也得能「关」。2007 年，Deisseroth 实验室的张锋等人和 Xue Han、Edward Boyden 两个团队分别独立地，把一种来自古菌的**嗜盐菌视紫红质（NpHR）**用到神经元上。它是一个氯离子泵，黄光一照就把 Cl⁻ 泵进细胞，让膜电位更负，神经元就安静下来。由于 NpHR 用黄光、ChR2 用蓝光，两者可以装在同一批细胞里：蓝光开、黄光关。后来人们又找到了更高效的抑制工具，比如 2015 年 Spudich 实验室在一种隐藻里发现的天然光门控阴离子通道。

此后工具箱越来越丰富，有反应更快的、对光更敏感的、被红光激活的（红光能照得更深）等变体，不少出自 Hegemann 和 Deisseroth 两个实验室的合作。

七、光遗传学让我们看到了什么

有了这把开关，研究者终于可以做「如果只打开（或关掉）这一类细胞，会发生什么」的因果实验。诺奖官网和科学背景文件列举的例子里，有几项特别有代表性：

记忆：2012 年，利根川进（1987 年诺奖得主）实验室与 Deisseroth 合作，给小鼠海马里在恐惧学习时活跃过的那批神经元装上 ChR2。之后在安全的环境里光一照，小鼠照样表现出恐惧。这是第一次证明激活一小群特定的神经元，就足以唤起一段特定的记忆。2013 年，同一实验室还用类似方法给小鼠「植入」了一段错误的恐惧记忆。
奖赏与厌恶：中脑腹侧被盖区的多巴胺神经元过去被笼统地和奖赏联系在一起。光遗传学发现，混在一起的多巴胺神经元其实按连接对象分成不同的通路，有的输入驱动奖赏，有的驱动厌恶（2012 年）。
恐惧与焦虑：在杏仁核里，激活某一条投射通路能显著减轻小鼠的焦虑，激活另一条则让焦虑加重。情绪并不是由一整块脑区笼统地掌管，而是由一条条按投射划分的回路拼出来的。
大脑以外：Deisseroth 证明，强迫心脏跳得更快会加重焦虑感。

诺奖官网还提到，光遗传学帮助人们找到了控制痛觉、社交、口渴、进食、注意力乃至发烧的神经回路，也加深了对抑郁、精神分裂症、帕金森病等疾病的理解。

八、走向临床：让盲人重新「看见」

光遗传学首先是一个研究工具，但它也在试着走进临床，最前沿的是眼科。

视网膜色素变性是一种遗传病，视网膜上感光的视杆和视锥细胞逐渐死亡，最终致盲，但视网膜里的其他神经元往往还活着。2006 年，Zhuo-Hua Pan 团队往视网膜色素变性模型小鼠的眼内注射携带 ChR2 基因的病毒，让剩下的视网膜神经节细胞对光有了反应，光信号重新传到了视觉皮层。

2021 年 5 月 24 日，José-Alain Sahel、Botond Roska 等人在《自然·医学》上报告了第一例人体病例。他们给一位因视网膜色素变性失明的患者，往一只眼睛里注射了携带 ChrimsonR（一种对红光敏感的通道视紫红质）基因的病毒，再让他戴上一副特制眼镜：眼镜上的摄像头捕捉外界光线的变化，实时把相应的光脉冲投射到视网膜上，激活那些已经「装上开关」的神经节细胞。经过训练，患者只用这只眼睛、戴着眼镜，就能察觉、定位、数出并触摸桌上的物体；脑电记录显示他看东西时视觉皮层出现了与物体相关的活动。注射前无论戴不戴眼镜，或注射后不戴眼镜，他都看不见这些物体。论文称这是神经退行性疾病中第一例光遗传治疗后部分恢复功能的报告。

需要说清楚的是，这只是一位患者的部分视力恢复，诺贝尔委员会成员 Anna Wedell 在发布会上也称之为「非常早期」的进展（大意）。目前已有多项相关临床试验在进行，研究者还希望用光代替电流刺激听神经，改进人工耳蜗。

九、这次诺奖的意义

第一，它奖励的是好奇心驱动的基础研究。 发布会上 Anna Wedell 特意强调，Hegemann 和 Nagel 是做基础研究的科学家，研究的不是人，而是一种绿藻；起点只是 Hegemann 好奇「一个小小的藻类怎么会游向光」（大意）。当时谁也想不到，这个问题的答案会改变整个神经科学。

第二，它奖励的是一种方法。 诺贝尔委员会在科学背景文件里把光遗传学放进一条「方法改变学科」的谱系：高尔基的染色法让卡哈尔提出了神经元学说（1906 年诺奖），内尔和萨克曼的膜片钳让人们第一次看清单个离子通道（1991 年诺奖）。光遗传学让神经科学从被动地「读」大脑活动，变成可以主动地「写」进去，从而建立起神经回路与行为、情绪、认知之间的因果联系。

第三，科学是接力。 这条路上还有许多重要的名字：克里克、Miesenböck、Bamberg、2005 年论文的第一作者 Boyden、独立找到同样基因的 Spudich 和高桥团队……2013 年欧洲的「大脑奖」就同时颁给了 Bamberg、Boyden、Deisseroth、Hegemann、Miesenböck 和 Nagel 六人。诺贝尔奖每项最多三人，这次选的是从「发现这种蛋白」到「把它变成神经开关」这条主线上的三位。

从一皿游向光的绿藻，到一根插进小鼠大脑的光纤，再到一副让盲人看见桌上杯子的眼镜，这束蓝光走了三十多年。

延伸阅读与参考来源

诺奖官方资料

诺贝尔奖官网新闻稿：Press release: The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2026
诺贝尔奖官网获奖概要（奖金份额）：Nobel Prize in Physiology or Medicine 2026 – Summary
诺贝尔奖官网科普材料：A light-sensitive algal protein energised neuroscience
诺贝尔委员会科学背景（PDF）：Optogenetics – Discovery of a neuronal switch
颁奖发布会文字记录：Prize announcement
卡罗林斯卡医学院新闻：The 2026 Nobel Prize in Physiology or Medicine to Peter Hegemann, Georg Nagel and Karl Deisseroth

关键论文

Nagel, Ollig, …, Bamberg, Hegemann，Science 2002, 296, 2395–2398（ChR1：绿藻中的光门控质子通道，DOI）
Nagel, Szellas, …, Hegemann, Bamberg，PNAS 2003, 100, 13940–13945（ChR2：直接光门控的阳离子通道，DOI）
Boyden, Zhang, Bamberg, Nagel, Deisseroth，Nature Neuroscience 2005, 8, 1263–1268（毫秒级、基因靶向的神经活动光控，DOI）
Aravanis 等，Journal of Neural Engineering 2007, 4, S143（光纤光遗传接口，活体小鼠运动皮层）
Zhang 等，Nature 2007, 446, 633–639（NpHR 光抑制，DOI）
Liu 等，Nature 2012, 484, 381–385（光激活海马记忆印迹）
Sahel 等，Nature Medicine 2021, 27, 1223–1229（光遗传治疗后盲人部分恢复视觉功能，DOI）
Crick, Scientific American 1979, 241, 219–232；Crick, Phil. Trans. R. Soc. B 1999, 354, 2021–2025

维基百科（英文）

图片版权：头图为作者原创（Grok Imagine 生成，人物形象为 AI 绘制）；衣藻电镜照片为公有领域，神经元示意图为 CC BY 3.0，作者和来源已在各图说明中注明。

让化学学会「挑一只手」：2026 年诺贝尔化学奖导读

Thu, 08 Oct 2026 10:30:00 +0800

写在前面：这是一篇自己写的导读。文中的年份和数字都来自文末列出的公开资料，主要是诺贝尔奖官网、瑞典皇家科学院的科普与科学背景材料、日本科学技术振兴机构的新闻和维基百科；引语均为中文意译，原话以出处为准。

图解：不对称有机合成中的非线性效应与自催化（作者原创，Grok Imagine 生成）。更正：Soai 反应原料为嘧啶-5-甲醛，只在环的 5 号碳上连一个醛基，氮原子上不连基团；正非线性效应曲线从原点起就位于对角线上方，呈向上凸的弧线；ee 从 0.00005% 升至 99.5% 以上需连续三轮反应。

2026 年 10 月 7 日，瑞典皇家科学院宣布，今年的诺贝尔化学奖授予两位化学家：

Henri B. Kagan（亨利·卡冈），1930 年生于法国布洛涅-比扬古，原巴黎南大学（现并入巴黎-萨克雷大学）荣休教授；
硖合宪三（日文写作「硤合憲三」，读作 Soai Kenso，英文名 Kenso Soai），1950 年生于日本广岛，东京理科大学荣休教授。

获奖理由是：「for the discovery of non-linear effects and autocatalysis in asymmetric organic synthesis」，即表彰他们发现不对称有机合成中的非线性效应和自催化。1,200 万瑞典克朗奖金由两人平分。按日本科学技术振兴机构的报道，宣布时 Kagan 95 岁、硖合 76 岁，硖合是日本第 10 位诺贝尔化学奖得主。

这个奖听起来很专业，但它要回答的问题其实很朴素：为什么生命只用「一只手」的分子？化学家能不能让反应也学会只挑一只手？

一、左手和右手：什么是手性

把左手放到镜子前，镜子里的像就是一只右手。可不管怎么翻转，你都没法让左手和右手完全重合。化学上把这种「和自己的镜像无法重合」的性质叫做手性（chirality），这个词来自古希腊语里的「手」。

很多分子也是这样。最常见的情形是一个碳原子连着四个各不相同的基团，于是同一种分子有两种互为镜像的结构，叫一对对映异构体（简称对映体）。它们的成分完全一样，熔点、沸点这些物理性质也一样，主要差别有两个：让偏振光往相反的方向偏转；遇到另一个有手性的东西时，表现会不一样。

氨基酸的两种对映体就像左右手：成分相同，互为镜像，却无法重合。图：原图出处不详，矢量化 πϵρήλιο，公有领域，来自 Wikimedia Commons。

我们的鼻子和舌头本身就是「有手性的」检测器。例如 R 型香芹酮闻起来像留兰香，S 型却像葛缕子；L 型阿斯巴甜是甜的，D 型几乎没味道。

最早看出分子有左右之分的是巴斯德。1848 年前后，他在显微镜下发现酒石酸的晶体有两种互为镜像的形状，就用镊子把它们一颗颗挑开，分别溶解后发现：一种让偏振光右旋，一种左旋，混在一起则互相抵消。两种对映体等量混合的状态叫外消旋体。

路易·巴斯德，Paul Nadar 摄，公有领域，来自 Wikimedia Commons。

化学家用 ee 值（对映体过量，enantiomeric excess）衡量一份样品「偏向一只手」的程度：多的那种对映体比例减去少的那种。外消旋体的 ee 是 0%，纯的单一对映体是 100%；70% 对 30% 的混合物，ee 就是 40%。后面会反复用到这个数。

二、生命为什么只用一只手

1857 年，巴斯德又发现，细菌只愿意发酵葡萄里那种右旋的酒石酸，对它的镜像分子毫无兴趣。生命的化学「偏手」，这是最早的线索之一。后来人们发现，构成蛋白质的氨基酸几乎都是 L 型，DNA 里的糖则是 D 型。化学上把这种整齐划一叫做同手性（homochirality）。

麻烦在于，在实验室里不借助任何手性因素合成氨基酸，得到的永远是左右各半的外消旋体。那最初的偏向从哪儿来？诺贝尔化学委员会主席 Heiner Linke 在发布会上的说法是（大意）：两位得主为一个超过百年的化学谜题提供了答案，即同手性如何自发出现。

这个问题也有很现实的一面。药物分子要和体内同样有手性的蛋白质打交道，两种对映体的效果可能完全不同。常被提起的例子是沙利度胺（「反应停」）：它 1957 年在西德上市，被当作镇静剂和孕吐药，结果导致一万多名婴儿出生缺陷，1961 年撤市。瑞典皇家科学院的科普材料说，事后分析发现致畸的是有效成分的镜像分子；不过要补充一点，按维基百科的介绍，沙利度胺的两种对映体在人体内会相互转化，所以即便只服用「好」的那一种，也不能消除风险。不管细节如何，这类教训让「只生产需要的那一种对映体」成了制药业的硬要求。

沙利度胺的 R 型（上）和 S 型（下）对映体。图：Vaccinationist，公有领域，来自 Wikimedia Commons。

三、不对称催化，与一个 1953 年的数学模型

想多造一种对映体，最好用的办法是手性催化剂：典型做法是一个金属原子负责驱动反应，再给它配上有手性的「配体」，让反应偏向一边。二十世纪初，德国化学家 Marckwald 就做出了第一个不对称反应，只是偏差很小。

Kagan 是这个领域的先驱之一。他 1971 年报道的 DIOP，是第一个 C2 对称的双膦手性配体，此后衍生出大量同类配体。2001 年诺贝尔化学奖授给了 Knowles、野依良治和 Sharpless，表彰催化不对称合成。当时 Kagan 没有入选，法国科学界还颇有争议，但诺贝尔奖每项最多只能给三人。2021 年，不对称有机催化又获了一次化学奖。

还有一条更早的理论线索。1953 年，布里斯托大学的理论物理学家 Charles Frank 发表了一个数学模型，说明只要一个反应同时满足三个条件，最初极小的不平衡就能被放大成同手性：

自催化：产物会催化生成更多的自己；
不对称催化：生成一种对映体比另一种多；
相互拮抗：一种对映体会压制另一种的生成。

Frank 在文末淡淡地写了一句：实验室里演示出来「也许并非不可能」。此后几十年，这成了化学家之间流传的一道谜题。前两个条件分别都有人做到过，但第三个条件，以及自催化加不对称催化的组合，直到 Kagan 和硖合的工作之前都没人实现。

四、Kagan：催化剂里的「左右搭档」

八十年代以前，大家默认一条直线关系：产物的 ee = 纯配体能达到的最高 ee × 配体的 ee。配体只有一半纯，产物也就只有一半纯。

Kagan 没有把这条线当成理所当然。他想：金属原子往往同时抓住不止一个配体分子。假如一个金属抓两个配体，而配体又是左右混合的，那催化剂就会有三种：右-右、左-左两种「同手性」组合，还有一种左-右的「异手性」组合（也叫 meso 型）。右-右和左-左会造出互为镜像的产物，关键在于这个左-右搭档的表现。

如果左-右组合更懒（活性更低），少数派的配体就被它「拖住」了，干活的主要是多数派组成的同手性催化剂，产物的 ee 会高于直线预期，曲线落在对角线上方，叫正非线性效应（+NLE）。
反过来，如果左-右组合更活跃，产物 ee 就会低于预期，叫负非线性效应（−NLE）。

1986 年，Kagan 和同事在《美国化学会志》上一口气报告了三个反应：硫醚氧化成亚砜、香叶醇的 Sharpless 环氧化，以及脯氨酸催化的 Hajos–Parrish 反应。三个都不是直线，其中 Sharpless 环氧化表现出正非线性效应，另外两个是负的。这是第一次证明「催化剂不纯」并不一定意味着「产物不纯」，手性可以被放大。换成 Frank 的语言，这相当于第一次实现了第三个条件「相互拮抗」：一方被增强，另一方被压制。

后来 Kagan 又提出「储库效应」（reservoir effect）：不活泼的左-右复合物像一个仓库，把少数派配体锁起来，剩下参与催化的配体反而更纯。野依良治团队研究过一个经典例子：用二乙基锌和苯甲醛反应，配体 DAIB 的 ee 只有 15%，产物的 ee 却能达到 98%。默克公司在合成一种白三烯拮抗剂时也用到了类似效应：原料蒎烯的光学纯度只有 70%，关键产物的 ee 却达到 95%。

今天，非线性效应还是化学家研究反应机理的一件常用工具：看曲线弯向哪边、弯多少，就能推测催化剂到底是几个分子凑成的、哪种组合在干活。

五、硖合：让产物自己当催化剂

硖合宪三当时在研究二烷基锌加到醛上的不对称反应。他注意到，这类反应的催化剂和产物在结构上很像，于是冒出一个想法：能不能设计一个反应，让产物本身就是催化剂？

1990 年，他发现二异丙基锌加到吡啶-3-甲醛上时，产物醇确实能催化自己的生成，而且偏向同一种手性。但问题是 ee 越传越低：用 ee 86% 的产物做催化剂，新产物只有 35%。道理不难理解：如果每一代都只能「复制」出 90% 的纯度，那么下一代就是 81%，再下一代更低。光有自催化不够，还得有 Frank 说的那种放大机制。

1995 年，硖合团队在《自然》上发表了转折性的结果。底物换成嘧啶-5-甲醛（含两个氮原子的嘧啶环，醛基连在环的 5 号碳上），和二异丙基锌反应，产物是一种嘧啶基醇。用 ee 只有 5% 的这种醇做催化剂，第一轮产物的 ee 就到了 55%；拿新产物继续当催化剂，第二轮到 87%，几轮之后稳定在 90% 左右。Frank 的三个条件第一次在同一个反应里同时满足了。这个反应后来就被称为 Soai 反应（硖合反应）。

之后的改进更惊人。2003 年的一项工作里，团队把底物换成带炔基的嘧啶醛，起始催化剂的 ee 只有 0.00005%，也就是两种对映体几乎各占一半，只多出极微小的一点。连续反应三轮后，产物 ee 超过了 99.5%，两种对映体的比例被放大了约 63 万倍。

再往前一步：完全不加任何手性物质行不行？2003 年前后，硖合团队和美国的 Singleton 团队各自证明可以。反应开始时，体系里两种对映体的数量会有随机的微小涨落，Soai 反应的放大能力足以把这点涨落「捡起来」放大。硖合做了 37 次实验，18 次偏向 R 型，19 次偏向 S 型，产物 ee 在 15% 到 91% 之间。结果是左还是右，完全由开头的偶然决定。瑞典皇家科学院的科普材料说，这是自生命诞生以来，第一次有人从没有手性的分子组合中造出了手性。

Soai 反应还对各种「微弱的手性线索」极其敏感：圆偏振光照射过的物质、有手性的矿物晶体表面，甚至只靠 ¹⁴N 和 ¹⁵N 同位素差别形成手性的分子，都能当它的「种子」。至于它的放大机制具体是怎样的，研究者至今仍有两套主要模型在争论，并没有完全定论。

六、为什么值得一个诺奖

第一，它回答了一个原理问题。 在一个封闭体系里，从几乎没有偏向、甚至完全没有手性的起点出发，化学反应能不能自己走到几乎单一的手性？Kagan 和硖合用实验给出了肯定的答案。

不过也要说清楚，诺贝尔委员会的科学背景材料特意强调：Frank 模型不是生命同手性起源的答案，只是可能的解释之一；生命起源大约发生在 35 亿到 40 亿年前，我们大概永远拿不到定论。委员会也指出，Soai 反应依赖二烷基锌这类试剂，与水环境中生命同手性的出现并不直接相关。它更像一个「概念证明」，让各地的研究者开始尝试用类似思路造出同手性的氨基酸和糖。

第二，它是化学家手里的实用工具。 非线性效应已经成为分析和优化不对称催化反应的基本概念，帮助人们拿到尽可能纯的单一对映体。这对制造药物、香精香料、农药的企业都至关重要，在一些新材料的生产中也用得上。

硖合在发布会上通过电话说，这是他人生中最激动的一天，能和有机化学界的名家 Kagan 先生一同获奖，非常高兴（大意，据日本科学技术振兴机构报道）。从巴斯德用镊子挑晶体，到 Frank 1953 年的那句「也许并非不可能」，再到 1986 年和 1995 年的两篇论文，这条线索走了一个半世纪。

延伸阅读与参考来源

诺奖官方资料

诺贝尔奖官网新闻稿：Press release: The Nobel Prize in Chemistry 2026
瑞典皇家科学院科普背景：They solved chemistry’s asymmetric mystery
诺贝尔化学委员会科学背景（PDF）：Non-linear effects and autocatalysis in asymmetric organic synthesis

新闻报道

日本科学技术振兴机构 Science Portal：ノーベル化学賞に硤合憲三氏ら2氏
东京大学理学部：硤合憲三先生のノーベル化学賞受賞をお祝いして

关键论文

Puchot, Kagan 等，J. Am. Chem. Soc. 1986, 108, 2353–2357（首次报道非线性效应）
Soai, Shibata, Morioka, Choji，Nature 1995, 378, 767–768（DOI，不对称自催化中的手性放大）
Frank, Biochimica et Biophysica Acta 1953, 11, 459–463（同手性生成的数学模型）

维基百科（英文）

关于硖合教授的名字：日文正式写法为「硤合憲三」（石字旁加「夾」），简体中文对应写作「硖合宪三」。

图片版权：除头图为作者原创外，文中图片均来自 Wikimedia Commons，授权（公有领域）和作者已在各图说明中注明。

穿过地球的「幽灵」：一篇中微子导读（写在 2026 年诺贝尔物理学奖之后）

Thu, 08 Oct 2026 10:10:00 +0800

写在前面：这是一篇自己写的导读，不是转载。起因是读到机器之心在知乎发的一篇诺奖解读（链接见文末），觉得这个题目值得从头讲一遍。文中的年份和数字都来自文末列出的公开资料，主要是诺贝尔奖官网、瑞典皇家科学院的科普材料、IceCube 官网和维基百科；引语均为本文的中文意译。

图解中微子（作者原创，Grok Imagine 生成）

2026 年 10 月 6 日，瑞典皇家科学院宣布，今年的诺贝尔物理学奖授予美国威斯康星大学麦迪逊分校的 Francis Halzen 一人，获奖理由是：

「for decisive contributions to the IceCube Neutrino Observatory and the discovery of high-energy neutrinos of astrophysical origin」（表彰他对 IceCube 中微子天文台的决定性贡献，以及发现来自天体的高能中微子。）

IceCube 是埋在南极冰盖下面的一台「望远镜」，它不收集光，收集的是中微子。要明白这件事为什么值一个诺奖，得先说说中微子到底是什么东西。

一、你每秒都被几百亿个中微子穿过

先来一个数字：按瑞典皇家科学院的说法，每一秒钟，大约有 650 亿个来自太阳的中微子穿过你的小拇指指甲。你毫无感觉，它们穿过你和脚下的地球，继续往前飞。

中微子之所以这么「隐身」，是因为它几乎和什么都不打交道：

不带电，所以电磁力抓不住它；它也不参与把原子核粘在一起的强相互作用。
极轻。物理学家很长时间都以为它没有质量。现在知道它有，但小得离谱：德国 KATRIN 实验给出的电子反中微子质量上限是 0.45 eV，比下一个最轻的物质粒子（电子）至少轻五个数量级；宇宙学观测则要求三种中微子的质量加起来不超过约 0.12 eV。
它只通过作用距离极短的弱相互作用（和引力）与物质打交道，撞上原子核的概率小得可怜。1934 年贝特和派尔斯就算过：中微子能轻松穿过整个地球。

中微子有三种「味道」：电子中微子、μ 中微子和 τ 中微子，各自对应一种带电的「兄弟」粒子（电子、μ 子、τ 子）。后面会讲到，它们还会在飞行途中相互变身。

二、一个「为了救能量守恒」而发明的粒子

中微子是先被「想」出来、几十年后才被「抓」到的。问题出在 β 衰变上：二十世纪一二十年代，人们发现原子核放出的电子能量是连续分布的，如果只有原子核和电子两个角色，这违反能量守恒。连玻尔都一度考虑过，能量守恒在微观世界也许只是统计意义上成立。

1930 年，泡利给出了另一个答案：有一个看不见、不带电、很轻的粒子跟着电子一起跑掉了，带走了那部分「失踪」的能量。他在一封写给同行的公开信里提出这个设想（信的开头就是著名的「亲爱的放射性女士们先生们」）。

1932 年查德威克发现了中子，「neutron」这个名字被占了，意大利物理学家阿马尔迪就开玩笑地管泡利的粒子叫「neutrino」（意大利语「小中性子」），经费米之口传开。1933 到 1934 年，费米写出了 β 衰变理论，中微子在其中是不可或缺的角色。有意思的是，这篇论文最初投给《自然》时被拒稿了，理由大意是「推测离现实太远」。

理论很成功，可中微子本身怎么测？它几乎不和物质反应。1942 年，中国物理学家王淦昌提出了用 β 俘获来探测中微子的思路。

真正抓到它的是美国的考恩（Clyde Cowan）和莱因斯（Frederick Reines）。 他们给项目起名「Project Poltergeist」（闹鬼计划）。最早的方案相当疯狂：用一颗原子弹爆炸产生的中微子流，把探测器丢进离爆心 40 米的坑里。后来他们改用核反应堆，因为反应堆源源不断地产生大量反中微子。

1955 年底，实验搬到南卡罗来纳州的萨凡纳河反应堆。原理很巧妙：反中微子撞上水里的质子，变出一个正电子和一个中子；正电子马上湮灭放出一对伽马光子，几微秒后中子被溶在水里的氯化镉吸收，又放出一个伽马光子。两个信号按固定时间差先后出现，这个「指纹」几乎不可能是别的东西冒充的。

几个月的数据显示，探测器里平均每小时发生大约三次中微子反应。结果发表在 1956 年 7 月 20 日的《科学》杂志上。考恩在 1974 年去世，莱因斯在 1995 年获得诺贝尔物理学奖，这时离泡利写信已经过去了 65 年。

考恩（Clyde Cowan）与莱因斯（Frederick Reines），1956 年在萨凡纳河反应堆证实了中微子的存在。图：Savannah River Site，公有领域，来自 Wikimedia Commons。

之后，另外两种味道陆续现身：1962 年莱德曼、施瓦茨和斯坦伯格发现了 μ 中微子（1988 年诺奖）；τ 中微子的首次直接探测要等到 2000 年，由费米实验室的 DONUT 实验宣布。

三、太阳中微子去哪儿了：一桩三十年的悬案

太阳的核聚变会产生大量电子中微子，它们从核心直接飞到地球，是观察太阳内部的窗口。二十世纪六十年代，雷蒙德·戴维斯（Raymond Davis Jr）和理论家巴考尔（John Bahcall）在美国霍姆斯特克金矿里做了第一个测量太阳中微子的实验，用的是一大罐含氯的液体。结果测到的中微子只有标准太阳模型预言的三分之一到二分之一。

这就是「太阳中微子问题」。此后约三十年，其他实验（包括日本神冈）都确认了亏损，日震学又证明太阳模型本身靠谱。两边都没错，问题只能出在中微子身上。

答案是中微子振荡。庞蒂科夫（Bruno Pontecorvo）1957 年就提出过类似想法，1968 年又明确指出：如果中微子有质量，它就能在不同味道之间来回变换。太阳只产生电子中微子，但它们在飞往地球的路上有一部分变成了 μ 或 τ 中微子，而早期探测器只认电子中微子，于是看起来「少了」。

决定性的证据来自两个实验：

日本超级神冈（Super-Kamiokande），1998 年发现大气中微子的味道会改变；
加拿大萨德伯里中微子天文台（SNO），建在地下 2100 米的矿井里，装着 1000 吨重水，能同时测「只认电子中微子」和「三种味道都认」两种反应。2001 年前后的结果显示，三种味道加起来的总数和太阳模型对得上，只是一部分电子中微子变了身。

这桩悬案换来了两次诺奖：2002 年授予戴维斯和小柴昌俊（小柴的神冈探测器还在 1987 年捕捉到大麦哲伦云里一颗超新星的中微子，至今仍是唯一一次），2015 年授予梶田隆章和麦克唐纳。中微子会振荡，意味着它一定有质量，这一点超出了粒子物理标准模型最初的设定。

中国在这个故事里也写下了重要的一笔。 广东大亚湾中微子实验位于香港东北约 52 公里，用 8 个探测器测量附近 6 座核反应堆放出的反中微子。2012 年 3 月 8 日，大亚湾合作组宣布以 5.2 倍标准差的显著性发现了一种新的振荡模式（混合角 θ13 不为零），而且数值出乎意料地大。

大亚湾反中微子探测器内壁密布的光电倍增管，看上去像一颗颗水珠。图：Roy Kaltschmidt / 劳伦斯伯克利国家实验室，公有领域，来自 Wikimedia Commons。

它的后继者是广东江门开平的江门中微子实验（JUNO）：埋在地下 700 米的直径 35.4 米透明球体，装着 2 万吨液体闪烁体，距阳江、台山两座核电站各约 52.5 公里，2025 年 8 月 26 日开始取数，主要目标之一是确定三种中微子质量的排列顺序。

四、为什么要用中微子看宇宙

宇宙里有一类神秘的「天然粒子加速器」。地球上一直有宇宙线落下来，大部分是质子，其中能量最高的那些，比地球上任何加速器能达到的高出一百万倍左右。它们来自哪里、怎么被加速的，一百多年来都没有定论。

为什么不直接追踪这些质子？ 因为质子带电，在宇宙中飞行时会被一路上的磁场掰弯，到达地球时的方向和来源方向早就对不上了。

为什么不看光？ 高能伽马射线确实也会在这些地方产生，但它在长途旅行中会被物质和背景光吸收；而且很多极端天体被厚厚的气体和尘埃包着，光根本出不来。

中微子正好补上这两个短板：

不带电，不被磁场偏转，沿直线飞来，箭头直指源头；
几乎不和物质作用，能从被尘埃包裹的核心里钻出来，跨越几十亿光年也不衰减；
产生高能质子的过程必然也会产生高能中微子，所以找到高能中微子的源头，就很可能找到了宇宙线的加速器。

难点还是老问题：宇宙高能中微子极其稀少，要多碰到几次，探测器就得大得惊人。

五、把南极的一立方公里冰变成望远镜

一个大胆的点子

二十世纪六十年代前后，就有物理学家提出可以用大体积的水来抓宇宙中微子：中微子偶尔撞上原子核，会产生一个高速飞行的带电粒子，它在水里的速度超过光在水中的速度，就会发出一圈淡蓝色的光，叫切伦科夫辐射（原理类似飞机超音速飞行时的音爆）。带电粒子基本沿中微子原来的方向飞，记录下光的走向，就能反推中微子的来处。

八十年代，Halzen 听说苏联科学家打算在南极用无线电捕捉中微子信号，由此想到：何不把光传感器直接埋进冰川？他联系了当时正在夏威夷外海做类似深海项目 DUMAND 的 John Learned，两人在 1988 年的一次波兰学术会议上首次提出了南极冰下中微子天文台的构想。

南极冰的好处是：深处永远漆黑，没有会发光的海洋生物，放射性杂质少，没有地震，南极点还有现成的科考站。缺点是施工只能挤在 11 月到次年 2 月的南极夏季。

冰里的气泡差点毁掉一切

1992 年，第一批研究人员开始尝试把光传感器放进南极冰层。他们用一种类似「高级花洒」的热水钻在冰里融出公里级深孔，再把串着传感器的长缆放进去。Halzen 回忆过，1993 年平安夜他守着电脑，等第一根缆入冰成功的消息。

这个先导项目叫 AMANDA。一开始结果令人失望：浅层冰里全是气泡，把光散射得乱七八糟。好在更深处的冰异常纯净透明，到了 1400 米以下，光可以走 300 米才被吸收，远超所有人的预期。AMANDA 一直建到 2000 年 1 月，证明了方法可行，但体积还是太小。

IceCube：5160 只「反向灯泡」

于是有了 IceCube。它从 2005 年开始施工，2010 年 12 月完成最后的建设，2011 年起以完整规模运行，总造价约 2.79 亿美元。整个探测器包括：

86 根缆，每根挂着 60 个数字光学模块，一共 5160 个光传感器，分布在冰面下 1450 到 2450 米深处；
被仪器覆盖的冰约 1 立方公里，相当于大约 10 亿吨；
中间有一块传感器排得更密的区域 DeepCore，用来研究能量较低的中微子；冰面上还有探测宇宙线空气簇射的 IceTop 阵列。

Halzen 把这些传感器形容为「反过来的灯泡」：把光变成电信号。

IceCube 结构示意：冰面上的 IceTop 和实验室，冰下 1450–2450 米的 86 根传感器缆，以及前身 AMANDA 和中心的 DeepCore。右下角的埃菲尔铁塔（324 米）用来对比尺度。图：Karen Andeen、Matthias Plum / IceCube Collaboration，CC BY 4.0，来自 Wikimedia Commons。

在一亿个噪音里找一个信号

难点在于背景太多。宇宙线打进地球大气，会产生大量 μ 子，其中有些能一直钻到传感器所在的深度，每天被记录到的就超过一亿个。大气里也会产生中微子，每天有几百个从北半球那一侧穿过整个地球，来到 IceCube。

办法是多管齐下：从下往上穿出来的信号可以排除大气 μ 子（它们穿不透地球）；起点在探测器内部的事件更可能是中微子；能量特别高、统计分布又和大气中微子不同的那批，就很可能来自宇宙深处。μ 中微子留下一条长「轨迹」，方向定得准；其他味道多是一团球状「级联」光，方向差些，但能量测得更全。

南极冬季夜空下的 IceCube 实验室（ICL），2021 年 8 月摄。冰面以下才是真正的「望远镜」。图：John Hardin，CC BY 4.0，来自 Wikimedia Commons。

六、IceCube 看到了什么

2013 年：宇宙中微子确实存在。 IceCube 分析了 2010 年 5 月到 2012 年 5 月的数据，找到 28 个能量在 30 TeV 到 1200 TeV 之间的事件，而大气背景预计只有约 10.6 个；其中最高的两个达到 PeV（千万亿电子伏特）量级，是当时人类观测到的能量最高的中微子。它们的能量、味道和方向都不像大气产物，以约 4 倍标准差排除了「纯属大气来源」；几年后数据更多，发现被坐实。但它们从哪儿来，当时还不知道。

2017 年：第一个源头。 2017 年 9 月 22 日，IceCube 记录到一个能量约 290 TeV 的 μ 中微子（编号 IceCube-170922A），作为对比，大型强子对撞机的最高对撞能量约 13 TeV。不到一分钟，系统就向全球天文台发出警报。望远镜们转向那片天区，发现猎户座方向一个正处于伽马射线爆发期的耀变体 TXS 0506+056（喷流正对地球的活动星系核，远在数十亿光年外）。回查历史数据，2014 到 2015 年间同一方向也来过一批中微子。这是人类第一次用中微子定位高能天体源，成果在 2018 年公布。

2022 年：看进被尘埃遮住的黑洞附近。 2022 年 11 月，IceCube 在《科学》上报告了来自活动星系 NGC 1068（M77） 的中微子证据。它距离约 4700 万光年，中心黑洞的质量是太阳的几百万倍以上，被厚厚的尘埃环挡住，大部分高能光出不来。按瑞典皇家科学院的介绍，有 79 个中微子看起来来自这个方向，但证据还不足以把它确定为中微子源，需要更多数据。

哈勃空间望远镜眼中的 M77（NGC 1068）。光学图像里看不到被尘埃包裹的核心，中微子却可能从那里钻出来。图：NASA、ESA、A. van der Hoeven，Wikimedia Commons 标注为公有领域，来自 Wikimedia Commons。

2023 年：用粒子给银河系拍照。 2023 年 6 月，IceCube 用 10 年间约 6 万个中微子事件，借助机器学习改进对「级联」事件的识别和方向重建，第一次看到了来自银河系盘面的高能中微子。这些中微子被认为来自宇宙线撞上星际稀薄气体的过程。Halzen 当时的评论很耐人寻味（大意）：和任何波段的光都不同，在中微子的天空里，遥远宇宙比银河系里的近邻还亮。

七、这个诺奖奖励的到底是什么

如果只看获奖理由，是两件事：一台仪器，和一项发现。

前者奖励的是一种近乎固执的远见。诺贝尔物理学委员会主席 Mark Pearce 在新闻稿里评价，Halzen 带领一支国际团队，给了人类一台出色的仪器，他的坚韧和科学远见为一种新的天文学铺平了道路（大意）。从 1988 年提出构想，到 2013 年拿到证据，这条路走了二十多年；一个原本做理论的粒子物理学家，成了南极大工程的首席科学家。如今 IceCube 合作组有约 450 位科学家，来自 14 个国家的 58 个机构。

后者奖励的是打开了一扇新窗户。人类过去看宇宙，靠的是各种波段的光；IceCube 让「高能中微子天文学」从设想变成了日常观测，带回一些任何光都带不回来的信息。

Halzen 获奖后说，这首先是一种如释重负：终于能让这个伟大的合作组得到应有的认可（大意）。

这个故事还远没有结束。2025 到 2026 年，IceCube 完成了建成以来的第一次升级，在阵列中心加装了更密集、更灵敏的传感器；规划中的 IceCube-Gen2 光学阵列体积将是现在的 8 倍。北半球也在贝加尔湖、地中海、南海和加拿大西海岸外建设水下中微子望远镜，和南极互补。下一个十年，我们很可能会知道那些宇宙加速器究竟是什么。

延伸阅读与参考来源

诺奖官方资料

诺贝尔奖官网新闻稿：Press release: The Nobel Prize in Physics 2026
诺贝尔奖官网发布会实录：Prize announcement
瑞典皇家科学院科普背景：Ice at the South Pole reveals cosmic particle accelerators

IceCube 官方

维基百科（英文）

本文的灵感来源

本文受机器之心在知乎发表的《诺贝尔物理学奖给到中微子天文学，IceCube之父Francis Halzen独享》（2026-10-07）启发，内容和结构为本站重新撰写。推荐阅读原文：https://zhuanlan.zhihu.com/p/2090959911651906694

图片版权：文中图片均来自 Wikimedia Commons，授权方式（公有领域或 CC BY 4.0）和作者已在各图说明中注明。