1999年10月12日:达曼胡尔之子看见原子运动的那天——艾哈迈德·泽维尔与飞秒化学

在埃及人家中一场小小的生日聚会上,灯光熄灭,蜡烛点燃,有人举起手机想拍下第一口气吹灭烛火的瞬间。按下快门,再看照片,却发现画面模糊:孩子的脸颊只是一团光斑,烛焰拖出一缕烟雾般的光痕。你会告诉自己,是相机太慢了,那一瞬间比快门还快。这个转念不过两秒钟的念头,恰恰正是困扰了化学家整整一个世纪的问题:怎样才能拍下一个比镜头还快的东西?

细看你身边的一切,其实都是化学反应:火柴划燃的一刻,面团在厨房毛巾下发酵,树叶借阳光制造养分,止痛药在体内解开疼痛的死结。科学早已知道故事的开头和结尾:反应物进去,生成物出来,热量可以测量。可中间究竟发生了什么——两个原子之间的化学键在最终断裂之前逐渐松动的那一瞬间——却像一扇锁着的门:我们看见它关着,又看见它开了,却从未看见是谁的手转动了钥匙。

化学家给这种转瞬即逝的构型——既不是起始物质,也不是最终产物——起了个名字:“过渡态”。几十年来,它一直只是一个理论概念,其效应可以计算,却始终无法被看见,就像沙地上的一行脚印,能让你推断有人经过,却始终看不到那个人本身。直到1999年10月12日,瑞典皇家科学院宣布,诺贝尔化学奖将授予一位名叫艾哈迈德·泽维尔的埃及科学家。诺贝尔奖官方网站发布的授奖词写明,奖项授予他是“因其利用飞秒光谱学对化学反应过渡态所做的研究”。加州理工学院(Caltech)当天发布的消息援引科学院本身的评语指出,这项工作证明了超快激光技术能够展示分子在反应过程中原子如何运动,而这些反应仅在千万亿分之一秒内完成。

“千万亿分之一秒”这样的说法听来毫无实感,不妨换成我们熟悉的尺度来理解。一飞秒就是千万亿分之一秒;它与一秒之比,大致相当于一秒与约三千二百万年之比。就连光——宇宙中最快的存在——在一飞秒内也只能前进约三分之一微米,比一根头发丝的宽度还要细上数百倍。分子内部原子的振动,恰恰就发生在这样的时间尺度上:一次振动通常耗时十到一百飞秒。也就是说,任何用来“拍摄”这场反应的“相机”,都必须比振动本身还要快,否则拍出来的照片,就会像那张烛光照片一样模糊。

飞秒化学背后的原理,精巧到足以讲给一个高中生听。超短激光脉冲被一分为二:第一束抵达分子,赋予它启动这场反应所需的能量,精确标定“零时刻”;第二束则在经过精确计算的延迟之后跟着发出——这个延迟不是靠任何电子电路来设定的,因为没有哪个电子计时器能把时间切割到这种精细程度,而是靠让光多走几微米的路程来实现,多出来的距离本身就是多出来的时间。第二束脉冲随即读取分子在那一瞬间的状态。实验在不同的延迟下反复进行,读数如胶片画面般逐帧累积,再由这些画面拼接成一部影片。

平心而论,也该说清楚没有发生的事:没有人坐在镜头前,像照镜子看见自己的脸一样,用肉眼看见一个原子。真正被记录下来的,是分子在每一瞬间吸收或释放的光留下的“指纹”——这枚指纹会随着原子排列和原子间距的变化而变化,正是从这一连串接续的指纹中,运动的图景才被重新构建出来。所以这里的“相机”一词,是对结果的一种诚实比喻,而不是对镜头和胶片的字面描述;我们坚持这一区分,是因为把科学讲得通俗易懂,绝不能变成把科学家的成就夸大成他们并未做到的事。

这项成就的意义在于:化学不再只是从“之前”与“之后”两端推断结果的科学。反应路径本身——而不只是它的两端——变得可以测量,曾经纯属假设的过渡态,也变成了一个可以被追问、能够给出答案的对象。由此诞生了一整个学科分支:飞秒化学——化学键如何断裂,反应为何走这条路而不是那条路,催化剂究竟在何处介入。谁能理解这条路径上的关键瞬间,原则上就能对它加以引导——而这,正是催化、能源和制药领域的研究者从那时起一直在努力的核心方向。

这项工作的主人公,1946年2月26日出生于达曼胡尔,在杜苏格长大。他以优异成绩毕业于亚历山大大学理学院,并在该校完成了光谱学——研究物质所发出光线的学科——的硕士学位,随后赴美,于1974年在宾夕法尼亚大学取得博士学位。两年后,他先在加州大学伯克利分校担任IBM研究员,继而于1976年加入加州理工学院教师队伍,并在那里担任莱纳斯·鲍林化学物理学讲席教授。2009年11月,他入选美国首批“科学特使”——三位科学家的名字同时公布——这一小组的工作范围涵盖北非、中东以及南亚和东南亚。

倘若有人想从这段生平里读出什么奇迹,那大可不必——这里面没有奇迹。有的只是一所小镇上的公立学校,一所埃及大学的理学院,以及任何地方的学生都需要的东西:一位愿意留心自己的老师,还有多年耐心面对一台第一次实验总不给出结果的仪器。艾哈迈德·泽维尔是第三位获得诺贝尔奖的埃及人,此前是1978年荣获和平奖的总统安瓦尔·萨达特,以及1988年荣获文学奖的作家纳吉布·马哈福兹,而泽维尔是其中第一位在自然科学领域获奖的埃及人。据我们所知,截至本文写作之时,他仍是唯一一位在自然科学领域获得诺贝尔奖的埃及人。

接下来登场的,是埃及人比激光本身更熟悉的篇章:泽维尔科技城。它由2012年颁布的第161号法律设立,该法于当年12月发布,当时将其定义为一个具有公法人资格、不以营利为目的的独立科研机构,总部设在吉萨省十月六日城的谢赫扎耶德区。根据2012年的法律文本,科技城下设一所科技大学,以及能源、医学、材料、环境、航天、纳米技术和信息系统等领域的多个研究院,还有一个负责把研究成果转化为实际应用的中心,当时命名为“技术金字塔”。法律将其置于中央审计署的监督之下,并将其结余及日常经营收入免征各类税费。

随后颁布了2019年第166号法律令,对该建城法进行修订,该法令签署于2019年12月22日,自其在官方公报刊登次日起施行。此次修订从法律名称中删去了“埃及国家科学复兴项目”字样,在城市名称中加入“创新”一词,使其更名为“泽维尔科学技术与创新城”;并将其总部主址固定设在吉萨省十月六日城,同时把技术转化中心的名称由“技术金字塔”改为“科学技术谷”——这也是该城官方网站上如今仍在使用的名称。修订还替换了第一条至第七条的全部条文,规定该城设董事会,由主管高等教育事务的部长担任主席,成员包括十位知名科学家和五位公众人物;另设理事会,其组成由总理决定,并由该城首席执行官担任主席,首席执行官由总理决定任命,任期四年,可连任一次。

我们提及这次修订,仅仅是作为一项立法事实;评价这座科技城的实际成绩,需要具体数字和已发布的报告支撑,而截至本文写作之时,我们手头并没有关于其在校学生、毕业生人数及科研成果的经审计数据可以提供给读者,因此这里只如实转述法律条文本身,不作延伸。对我们而言重要的是:“建一座科研之城”这个想法,如今在埃及有了一部标明编号和年份的法律依据,任何公民都可以查阅、可以阅读,进而追问——这是他的权利,而不是谁施予的恩惠——这部法律究竟兑现了多少。

艾哈迈德·泽维尔于2016年8月2日辞世,享年七十岁。每年10月12日,瑞典宣布获奖的纪念日如期而至,伴随而来的,是一个比庆祝更沉重的问题:对于一个把“注视别人看不见的瞬间”当作毕生事业的人,他留下的遗产,我们该如何对待?在我们看来,答案的起点不是预算,也不是大楼,而是一间水龙头真正能出水的学校实验室,一位允许学生把实验做错两次的老师,以及一个不会认为儿子“白白浪费了两年”的家庭——哪怕他只是因为不满意结果而重复了一次测量。

所以,下次你再翻出手机里那张模糊的烛光照片时,请记住:你面对的正是那个让一位来自达曼胡尔的科学家苦苦钻研了半个世纪的问题——在我们眼中看似单一的一瞬,其实是一个有开头、有中段、有结尾的完整故事,我们之所以看不见它,不是因为这个故事太快,而是因为我们的眼睛太慢。把这张照片给孩子看吧,告诉他们:曾有一位埃及人,想出了一种方法,能看清比这快上数十亿倍的过程——而他,当年也只是从一间和你孩子如今坐着的教室一样普通的课堂开始的。