从搞笑诺贝尔奖到诺贝尔奖

高存远

搞笑诺贝尔奖虽然也叫诺贝尔奖，但其实与真正的诺贝尔奖―点关系都没有，它就是一个搞怪的闹剧，这从它每年的得奖项目中就能看出端倪，诸如“几乎所有哺乳动物的尿尿时间都一样”“用腌猪肉来治疗小孩子流鼻血”“将炸药制作成钻石的方法”等获得搞笑诺贝尔奖的项目，没一个是严肃的研究项目。

不过，搞笑诺贝尔奖虽然有其戏谑成分，但得主中不乏充满创意的科学实验设计。俄罗斯裔荷兰物理学家安德烈·海姆，2000年因为“磁悬浮青蛙”而获得搞笑诺贝尔奖，当年还参加了颁奖典礼。2010年，他以“在二维石墨烯材料的开创性实验”而与其学生康斯坦丁·诺沃肖洛夫―同获得了2010年诺贝尔物理学奖，从而成为迄今为止唯――位“双料诺贝尔奖得主”。

海姆先生与“磁悬浮青蛙”

安德烈·海姆，1958年10月出生于俄罗斯西南部城市索契，父母是德国人。1987年，他在俄罗斯科学院固体物理学研究院获得博士学位，毕业后在俄罗斯科学院微电子技术研究院工作3年，之后在英国诺丁汉大学、巴斯大学和丹麦哥本哈根大学继续研究工作，现为英国曼彻斯特大学教授。2017年11月，他还当选中国科学院外籍院士。

海姆先生是真正的至情至性之人，脑中装着丰富的知识的同时又天马行空、妙趣橫生。他的研究论文语言通俗易懂，即使非专业人士也可以浏览阅读。而他本人也有许多有趣的发明，看似与严肃的科学研究无关，却又能给真正的科学发现带来灵感。

“磁悬浮青蛙”就是―个著名案例。2000年，“搞笑诺贝尔物理学奖”授予了海姆和英国人迈克尔·贝瑞，他俩使用磁性克服了重力作用，使一只青蛙悬浮在半空中，并推测使用类似的方法可以克服一个人的重力作用，让他可以飘浮在半空中。

这背后的科学依据是：反磁性物体会被磁场排斥。当场强足够大时，斥力就可以平衡重力，物体就能在磁场中稳定悬浮。“磁悬浮青蛙”实验其实就是利用青蛙体内水的反磁性来让青蛙悬浮，在外加磁场中，青蛙体内的水表现出很强的反磁性，让青蛙能够悬浮。其实这个实验的难点并不是如何让青蛙悬浮，而是让青蛙稳定、平衡地悬浮在磁场中，而不旋转或偏出磁场掉下来，这是需要很高的技术水平的，因为这需要在青蛙这个系统中使各种力量保持平衡，而不单单是―种磁力的平衡。

“磁悬浮青蛙”被美国《大众机械》杂志评选为18年来“搞笑诺贝尔奖”最受欢迎的十大成果之一。

星期五晚上的实验

或许只有这样寓科研于娱乐的人，才能开辟出不同寻常的科学发现之旅。“磁悬浮青蛙”实验是如此的有趣，甚至让人上了瘾。从那以后，海姆先生开始尝试一些不合常规的实验，并且无端地称它们为“星期五晚上的实验”。当然这个名字并不准确，它其实意味着利用周末业余时间来做。因为没有什么深入的研究工作可以在一个晚上完成，实际上，它需要好几个月的横向思考，毫无明确目的地查阅不相关的文献。

2003年，海姆偶然读到一篇文章描述了壁虎超强的攀爬能力背后的原理。壁虎的脚趾上覆盖着许多细微的绒毛，每一根绒毛能够和它要攀爬的表面产生微弱的范德瓦尔斯力（一种分子间的作用力），亿万根这样的绒毛就足以产生巨大的吸附力，从而可使壁虎爬上任何物体表面，甚至玻璃做的天花板。于是，他又打定主意想模仿壁虎脚上的绒毛。海姆设计出了一种有着极小绒毛的材料，使其达到壁虎脚上绒毛的效果。将1平方厘米的“模拟壁虎脚绒毛材料”安在垂直平面上，居然可以支撑起1千克的重量。

不幸的是，这种人造的材料比不上壁虎的脚趾，经过几次粘贴和分离之后，它的黏附力就完全消失了。但是，这仍不失为一个重要的验证性实验，它启发了更多人在这个领域中的深入研究。也许某一天，人们能够复制出像壁虎脚趾那样的结构和具有自我清洁功能的胶带，这样这项研究就可以转化成产品了。

把研究视为游戏却得诺奖

“星期五晚上的实验”在大约15年的时间里一共做了二三十个奇奇怪怪的实验，可以想象，大部分实验彻底失败了。但是有3个成功案例：磁悬浮、壁虎胶带以及石墨烯。其中最值得大书特书的就是石墨烯——它为安德烈·海姆及其学生康斯坦丁·诺沃肖洛夫赢得了2010年度诺贝尔物理学奖。

碳是最重要的元素之一，它有着独特的性质，是所有地球生命的基础。纯碳能以截然不同的形式存在，可以是坚硬的钻石，也可以是柔软的石墨。2010年诺贝尔物理学奖所指向的，是碳的另一张奇妙脸孔：石墨烯。

想象有那么一张单层的网，每一个网格都是一个完美的六边形，每一个绳结都是一个碳原子。这张网只有一个原子那么厚，可以说没有高度，只有长宽，是二维而不是三维的。这就是石墨烯，它是二维的碳，人类已知最薄的材料，一种为物理学和材料学带来许多新发现的东西。

由于这种材料是从石墨中制取的，而且包含烯类物质的基本特征——碳原子之间的双键，所以被称为石墨烯。实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。层与层之间附着得很松散，容易滑动，使得石墨非常软、容易剥落。

科学家在20世纪40年代就对类似石墨烯的结构进行过理论研究，但在此后很长的时间里，制取单层石墨烯的努力一直没有成功，有人认为这样的二维材料是不可能在常温下稳定存在的。2004年10月，发表在美国《科学》杂志上的一篇论文推翻了这种认知。在英国曼彻斯特大学工作的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用普通胶带完成了他们的“魔术”。

石墨烯的实验，也是“星期五晚上的实验”中的一个。这个疯狂的实验最初交给一位新来的中国博士生来做，海姆教授买了一大块高定向裂解石墨，让这位博士生在一台很好的抛光机上研磨，越薄越好。3个星期后，博士生跑来说成功了。但实际上，获得的石墨片仍然厚达10微米，相当于1000层。

海姆要求这位中国留学生再研磨得薄一点，但他没办法做到了，于是在这个关键时刻打了退堂鼓。这时他们组里的博士后康斯坦丁·诺沃肖洛夫在某个周五的闲聊中知道了这件事情，突发奇想，要用透明胶帶从石墨上粘下薄片，这样的薄片仍然包含许多层石墨烯。但反复粘上10到20次之后，薄片就变得越来越薄，最终产生只有一层碳原子的石墨烯。最终他们就是用这样一个很“山寨”的点子，提取出了世界上第―个二维的晶体物质。

这个实验的关键性设备就是透明胶带。牛津大学物理学教授保罗·拉达埃利对这俩人采用的如此简单的研究方法感到惊讶：“在这个复杂的年代，有许多像超级对撞机一样的设备，但他们居然成功地用透明胶带赢得了诺贝尔奖。”

石墨烯：前景光明的材料

石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义，它使一些此前只能纸上谈兵的量子效应可以通过实验来验证，例如电子无视障碍、实现幽灵一般的穿越。但更令人感兴趣的，是它那许多“极端”性质的应用前景。

石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高出百倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，可以承受一只猫的重量，而吊床本身重量不足1毫克，只相当于猫的一根胡须。

石墨烯的导电性比铜更好，导热性远超其他一切材料。它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使氦原子——最小的气体原子也无法穿透。

科学家认为，利用石墨烯制造晶体管，有可能最终替代现有的硅材料，成为未来的超高速计算机的基础。晶体管的尺寸越小，其性能越好。硅材料在10纳米的尺度上已开始不稳定，而石墨烯可以将晶体管的尺寸极限向下拓展到1个分子大小。海姆和诺沃肖洛夫已于2008年制造出1个原子厚、10个原子宽的晶体管。

石墨烯还可用于制造透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。在塑料里掺入1%的石墨烯，就能使塑料具备良好的导电性；加入1‰的石墨烯，能使塑料的抗热性能提高30℃。在此基础上可以研制出薄、轻、拉伸性好和超强韧性的新型材料，用于制造汽车、飞机和卫星。由于具备完美结构，石墨烯还能用来制造超灵敏的感应器，即使最轻微的污染也能被察觉。

再也没有什么比海姆和康斯坦丁的传奇经历更能诠释研究与游戏之间的“鸿沟”的了。以往我们都觉得游戏就是游戏，研究就是研究，趣味和严肃无论如何也不能硬拼到一起的，可是现在，海姆和诺沃肖洛夫却向我们作了最强有力的反证：把游戏的趣味融入科学研究当中，不受任何拘束地尝试无数种可能，未必就出不了伟大成果。当年诺贝尔奖评审委员会在新闻公告里还特意提到，把研究工作视为“游戏”是海姆和诺沃肖洛夫团队的特点之一，“在游戏中学习，或许有一天真的会中大奖”。