如果说匠人精神是对重复的坚守，那么实验的艺术就是对“手”的信赖。信赖那双在操作中感知世界的手，信赖那些在实验中涌现的现象，信赖从动手过程中生长出来的直觉。在科学史上，有一类科学家，他们的天才不在于纯粹的逻辑推演，而在于能够与物质世界进行直接的对话。他们用手思考，用实验发声，在操作中生成思想。

朱棣文与鲍林，正是这种“实验艺术家”的杰出代表。一个从童年时代的“装配工”成长为激光冷却原子的诺奖得主，一个用一张纸条折叠出改变生物学的α螺旋结构。他们的故事告诉我们：动手不仅是验证思想的方式，更是生成思想的方式。

1. 朱棣文：从“装配工”到激光冷却技术

（1）童年：一个“装配工”的诞生

1948年2月28日，朱棣文出生在美国密苏里州圣路易斯的一个华人学者家庭。他的父亲朱汝瑾是麻省理工学院的化学工程博士，母亲李静贞是麻省理工学院的经济学硕士。在这个“一门三博士”的精英家庭中，朱棣文却是那个“拖后腿”的孩子。

他的哥哥朱筑文从小到大都是第一名，后来成为斯坦福大学医学系教授；弟弟21岁就获得了哈佛大学法学博士学位。而朱棣文呢？他不肯上汉语班，不愿意做作业，有时还逃学。连老师都奇怪：“一个肠子里居然爬出了完全不同的人！他有他哥哥一半，该多好啊！”朱棣文后来回忆说：“一大家子有十几个高等学位，那时我是朱家的败类，最笨的一个！我只对玩有兴趣。”

但这个“只对玩有兴趣”的孩子，玩的不是普通的游戏。从幼儿园毕业的那个夏天开始，他就迷上了建造塑料模型飞机和军舰。到小学四年级末，他已经达到了“装配工”的水平——卧室的地毯上经常散乱地放着数以百计的金属“梁”和小的螺母、螺杆，它们分布在半成品的周围。

稍大一些后，他的兴趣扩展到化学实验。他和一个朋友用自制的火箭和火药做实验，实验资金相当一部分来自父母给的午餐费。为了给一个火箭实验存钱，他甚至克扣生活费，连续吃了20多天的面包。一年夏天，他们的爱好又转向测量邻居土壤的酸度及其所缺少的营养物质。在旁人眼中，这是一个“不务正业”的孩子；但在朱棣文自己看来，这只是“因为热爱”。

这种热爱背后，是一种独特的学习方式。他不是从书本中获取知识，而是通过动手去触摸世界。他曾说：“我组装不是为了完成模型，而是让能动的部件都动起来，动静越大越好。”这句话道出了他科学方法的核心：不是被动地接受现成知识，而是主动地介入世界，通过操作去理解它。

（2）中学：从摆弄模型到测量引力

中学高年级时，朱棣文把物理和微积分放在重要的位置上。这两门课与早些年学过的几何课一样，不是去记忆一长串的公式，而是依据少数基本概念和一套非常自然的假设进行推理判断。这正适合他擅长的逻辑推理的思维方式。

他的物理老师托马斯·米纳是一个极富教学天才的人，讲的课既引人入胜又富有哲理。在高中的最后一个学期里，朱棣文自己动手做了一个物理摆，并用它精确地测量了引力。那些童年时代练就的“装配工”手艺，直接派上了用场。颇具戏剧意味的是，25年后，朱棣文正是应用激光冷却原子的技术，研究出高精度测量引力的方法，并因此获得诺贝尔物理学奖。从高中时代的物理摆到诺奖级的激光冷却，这条跨越四分之一世纪的道路，起点正是那双“动手”的手。

（3）大学：发现实验的乐趣

由于学习成绩不佳，朱棣文高中毕业后申请常青藤名校全部被拒，只好去了罗切斯特大学。但正是在这所大学，他找到了自己的方向。

大二时，他读了费曼的《物理学讲义》，被深深吸引：“费曼让物理看起来如此美丽，没有他的讲义，我不会做出这个决定。”尽管父亲警告他“学物理不好找工作”，他仍然坚持选择物理学。

更重要的是，在研究生阶段，他遇到了影响一生的导师尤金·科明斯。朱棣文回忆说：“绝大多数教授通常是自己坐在办公室，而让他们的研究生在实验室里忙忙碌碌，但是科明斯教授却不是这样，他在实验中找到了人生真正的乐趣。在他的影响之下，我也对实验产生了浓厚的兴趣。”

科明斯要求他做的第一件工作，是完成一篇有关质子星形成的天体物理学理论论文，但朱棣文的很多时间却都是在实验室里度过的。他后来坦言：“我终于意识到：实验室是最适合我兴趣的工作场所。”

（4）贝尔实验室：在失败中磨砺技艺

1978年秋天，朱棣文进入贝尔实验室。这个被誉为“实验科学天堂”的地方，让他感到从未有过的兴奋。除了做最热爱的研究工作之外，无须做任何事情，献身科学的兴奋气氛充满着每一个角落。

但一年后的成就评论会上，领导要求他“不能满足于任何低于‘开创一个新领域’的成绩”。这正是他的心愿。

他很快找到了一个关于电子偶素的实验项目。这个项目难度极大，在他开始实验之前，有不少人从事过这项工作，但都以失败而告终。经过两年的实验，朱棣文也没有取得成果。但面对失败，他没有放弃。他后来在采访中说：“不要放弃尝试。只有通过不断的摸索，你才会获得提高，你才会找到解决问题的办法。”

他顽强地坚持自己的设想，并与合作者相互取长补短，充分发挥各自的优势，最后取得了实验的成功。这段经历让他深刻体会到：实验技巧来自于经验和实践。过去需要花好几个月才能完成的实验，现在只需几天至多几个星期便能完成。当在实验中遇到新情况时，就能及时想出恰当的解决办法。

（5）光学粘胶：在操作中生成的图像

1983年秋天，朱棣文成为量子电子学研究部门的主任。这时他无论在实验技术、科学素养还是心理素质方面都具备了“开创一个新领域”的能力。他把目光转向了利用激光冷却和捕获原子的研究——一个因为屡遭失败而陷入了绝境的项目。

朱棣文的突破，源于一种独特的思维方式。当被问及“光学粘胶”这个术语是如何创造出来时，他说：“它百分之百来自工作的图像。当我思考问题的时候，我通常把它简化成我能够理解的非常基本的模型。在我初次涉猎这个研究领域的时候，我对此并不十分了解。为了弄懂弄通并且有所作为，我必须将它简化成一些简单的模型。一旦变成简单的模型，我就能在脑子里对它进行反反复复的思考和研究，像‘光学粘胶’等形象化的模型就是我将其简化而得到的。”

这种将所研究问题具体化的方法，直接影响了他的实验研究。他说：“在物理学实验中，一个装置能产生什么结果，你自己会有一个感觉。因为一些先入为主的概念，你会产生一个直觉。但是在你的脑海深处，你总会有一个关于事物如何发展和事物应该如何发展的模型。在某些情况下，它是一个简化了的模型。在你的脑子里，你可以轻而易举地对这个模型进行拆卸、组合以及其他改变。因此这对设计实验和完成实验都非常有帮助。”

1985年，朱棣文利用互相垂直的3对激光束，在其交会区域内使原子受到6束驻波场的作用而形成对原子运动的粘滞性约束。这种光束安排被他命名为“光学粘胶”。它有效地将微量气体束缚在一定的空间，大大降低了气体原子的运动速度，为进一步冷却原子使之更接近绝对零度奠定了坚实的基础。

1997年10月15日，瑞典皇家科学院宣布，将本年度诺贝尔物理学奖授予朱棣文教授。曾经那个被家人视为“败类”的孩子，终于可以和家里的博士们“平起平坐”了。

（6）从动手到洞察

回顾朱棣文的成长历程，可以看到一条清晰的线索：童年时代的“装配工”经历，塑造了他对物质世界的亲近感；中学时代的物理摆制作，让他体验到通过动手测量未知的乐趣；研究生阶段科明斯教授的引导，让他真正爱上了实验；贝尔实验室的磨砺，让他的实验技艺日臻成熟；最终，他用激光冷却技术开创了一个新领域。

朱棣文将自己的成功归因于对实验的执着。他说：“从钟情于物理实验的角度来说，我确实非常努力、非常用功，我已经在实验室里呆了好多年了。”但更重要的是，他在动手的过程中生成了一种独特的洞察力——那种将抽象问题转化为“可拆卸、可组合”模型的能力。这种能力，不是从书本中读来的，而是从无数次的实验中生长出来的。

2. 鲍林：用纸条折叠出α螺旋结构

如果说朱棣文的故事展示了“动手”如何贯穿一个科学家的成长历程，那么莱纳斯·鲍林的经历则揭示了一个更惊人的事实：有时，最伟大的发现就诞生于最“简单”的操作之中。

（1）1948年的那个夜晚

1948年，鲍林已经是世界顶尖的化学家。他正在试图确定一种在许多生物大分子中都存在的成分的三维结构。当时，蛋白质结构的秘密尚未揭开，科学家们对多肽链如何折叠成一团感到困惑。

转机发生在一个再普通不过的夜晚。鲍林因感冒卧病在床，百无聊赖中，他拿起了手边的一张纸。他在纸上画了一条多肽链的草图，然后随手将纸折叠成筒状。

当他看着手中折叠的纸条时，一个结构清晰地呈现出来——螺旋。这正是后来被称为“α螺旋”的蛋白质二级结构。1951年，鲍林正式发表了他的发现，这篇论文成为结构生物学的里程碑。

（2）为什么是纸条？

这个发现过程如此简单，以至于后人难以置信：一个改变生物学的重大发现，竟然源于一张纸条的折叠？

但仔细思考便会发现，这正是鲍林天才的体现。他不是用复杂的数学推导，不是用昂贵的实验设备，而是用最直观的方式——让模型自己“说话”。纸条的折叠，模拟了多肽链在空间中的走向；纸条的扭曲，揭示了氢键如何稳定螺旋结构。在这个过程中，他的手先于大脑理解了结构的奥秘。

鲍林对物理模型的偏爱贯穿整个科学生涯。在蛋白质结构研究中，他坚持用实物模型来构建分子结构。1951年，他和罗伯特·科里发表了一系列论文，系统阐述了α螺旋和β折叠的结构。这些工作奠定了结构生物学的基础，也为后来沃森和克里克用模型方法破解DNA结构提供了范式。

（3）手与模型的智慧

鲍林的方法之所以有效，是因为它利用了人类最原始的认知能力——空间直觉。当我们用手折叠一张纸时，我们不仅在操作物体，更在调动大脑中处理空间关系的神经网络。这种“具身认知”的方式，往往能够捕捉到纯粹抽象思维难以触及的洞见。

正如一篇教育论文所总结的那样：“借鉴早期实践者（特别是Linus Pauling）在蛋白质生物化学中使用物理模型的丰富历史背景，培养学生对蛋白质二级结构的动手、直观的感觉，并补充基于计算机的结构描述。”当学生亲手折叠纸条时，他们将“更好地掌握多肽折叠成二级结构时分子内氢键是如何形成的，以及这些氢键是如何指导螺旋结构和片状结构的整体形状的”。

鲍林的纸条实验告诉我们：动手操作不仅是验证思想的方式，更是生成思想的方式。在操作中，手引导着眼，眼反馈给大脑，大脑再指挥手——这个循环本身就是一个探索的过程。在这个过程中，思想不是事先存在的，而是在操作中涌现的。

3. 马丁·查尔菲：从“无用的绿色”到“生物学的灯塔”

（1）一次偶然的“遇见”

1989年，哥伦比亚大学的神经生物学家马丁·查尔菲正在研究线虫的神经发育。线虫是一种透明的微小生物，体长仅1毫米，共有302个神经元——查尔菲想要“看见”这些神经元的活动。

一天，他在一次学术研讨会上听到日本科学家下村脩的报告。下村脩从1960年代就开始研究一种来自水母的奇怪蛋白质——它在紫外光下会发出绿色荧光。当时，几乎所有科学家都认为这不过是水母的一种“生物怪癖”，毫无实际用途。下村脩自己也不知道它有什么用，只是被这个现象本身吸引，坚持研究了三十年。

查尔菲听到这个报告时，脑中闪过一个念头：如果能把这个发光的蛋白质装到线虫的神经元里，不就能直接看见它们了吗？

这个想法在当时几乎被认为是天方夜谭。一位同事听说后直言：“你疯了吗？水母的东西怎么可能在虫子身上工作？”

（2）动手：从零开始的实验

查尔菲没有争辩，而是回到实验室，开始动手。

当时，GFP的基因还没有被克隆。查尔菲联系了下村脩和另一位研究者道格拉斯·普拉舍，获得了GFP的基因材料。他的计划很简单：把GFP基因转入大肠杆菌，看看它会不会发光。

这个“简单”的实验，在当时却充满技术挑战。没有人知道GFP是否需要水母特有的辅助因子才能发光，没有人知道它能否在其他生物体内正确折叠。查尔菲的学生吉塞拉·莫斯开始动手尝试。

1992年，普拉舍终于克隆出GFP的完整基因。莫斯将基因转入大肠杆菌，然后小心翼翼地放在紫外灯下观察。那一刻，所有人都屏住了呼吸。

大肠杆菌发出了明亮的绿色荧光。

这个结果震惊了整个实验室。它证明：GFP不需要任何水母特有的辅助因子，完全可以在异源生物中自主发光。这意味着，它可以成为一种通用的荧光标记工具。

（3）信赖现象：线虫的奇迹

大肠杆菌的成功让查尔菲更加确信自己的直觉。他立即开始下一步：将GFP转入线虫。

这一次，他想要标记的是线虫的触觉神经元。他和学生经过无数次尝试，终于成功将GFP基因与线虫触觉神经元的特异性启动子连接在一起，转入线虫体内。

1993年的一个深夜，查尔菲独自坐在显微镜前。他将转基因线虫放在载玻片上，调好焦距，然后打开紫外灯。

透过目镜，他看到了难以置信的景象：六个触觉神经元，像六颗绿色的星星，在透明的线虫体内清晰可见，每一个神经元的轴突、树突、细胞体都历历在目。

查尔菲后来回忆那个瞬间：

“我在显微镜前坐了很久，只是看着那些发光的神经元。我知道，生物学从此不一样了。”

他立刻叫醒已经熟睡的妻子——也是他的同事——让她来看。两人在深夜的实验室里，见证了一个新时代的诞生。

（4）从现象到工具：用双手改造世界

查尔菲的发现，打开了“可视化生命”的大门。从此以后，科学家可以实时观察活体细胞内的蛋白质定位、基因表达、细胞迁移、神经活动——这一切，都源于那个深夜在显微镜前的凝视。

但查尔菲的工作远未结束。他和同事们不断改进GFP的应用方法：

证明GFP可以与其他蛋白质融合而不破坏其功能

开发不同颜色的荧光蛋白变体

探索GFP在发育生物学、神经科学、癌症研究中的广泛应用

2008年，当查尔菲与下村脩、钱永健共同登上诺贝尔领奖台时，GFP已经成为生命科学中不可或缺的工具。《自然》杂志将GFP评为“生物学界的灯塔”。

（5）查尔菲的“实验哲学”

查尔菲在多个场合分享过他对实验的看法。他特别强调“动手”的价值：

“科学不只是思考，更是动手去做。你可以在脑海中设计完美的实验，但只有在实验室里，你才会发现那些意想不到的东西——那些真正改变一切的发现。”

他还强调对现象的绝对信赖：

“当我们第一次看到发光的线虫时，我完全相信自己的眼睛。虽然这违背了当时的所有常识——人们认为异源表达不可能成功，人们认为GFP需要辅助因子——但现象本身不会说谎。如果你看到了什么，就相信它，然后追问它为什么发生。”

对于自己从“无用”研究开始的经历，他后来说：

“下村脩研究水母三十年，没有人知道这有什么用。但正是这些‘无用’的基础研究，最终让我们能够看见生命本身。这提醒我们：永远不要用‘有用’来衡量科学的价值。”

4. 理论思维与实验直觉的融合

朱棣文、鲍林与查尔菲的故事，展现了三种不同形态的“实验艺术”。朱棣文是从童年的“装配工”经历中磨砺出对物质世界的敏锐直觉，鲍林则是用最“简单”的纸条折叠揭示了最复杂的分子结构，查尔菲从一个“无用”的偶然发现开始，用双手将现象变成工具，展现“转化”的力量。他们共同证明：动手不仅是验证思想的方式，更是生成思想的方式。没有那双在显微镜前凝视的手，没有那对现象绝对信赖的眼睛，就没有生物学的荧光时代。

（1）手与脑的对话

朱棣文在采访中提到：“在物理学实验中，一个装置能产生什么结果，你自己会有一个感觉。因为一些先入为主的概念，你会产生一个直觉。”这种“感觉”或“直觉”从何而来？它来自无数次的操作实践。

当一个人花费成千上万个小时在实验室里，他的手会逐渐“记住”许多东西——某个旋钮的松紧，某个仪器的反应，某个信号的特征。这些无法用语言表达的知识，就是“默会知识”（tacit knowledge）。波兰尼说：“我们知道的比我们能说出来的多。”这种默会知识，正是实验直觉的源泉。

在朱棣文看来，实验技巧来自于经验和实践：“过去需要我花上好几个月才能完成的实验，我现在只需几天至多几个星期便能完成，因而你便有了更多的办法和更多的知识。这样，当你在实验中遇到新情况时，就能及时想出恰当的解决办法。”

这就是手与脑的对话。手在操作中积累经验，脑在经验中提炼模式；模式又反过来指导手的下一步操作。在这个循环中，思想和行动不是分离的，而是相互生成的。

（2）现象的信赖与理论的开放

鲍林的纸条实验还揭示了一个更深层的道理：信赖现象。当鲍林折叠那张纸条时，他没有预设“应该”看到什么，而是让纸条自己“告诉”他看到了什么。这种对现象的信赖，是实验科学的核心精神。

实验科学家与理论科学家有一个重要区别：理论科学家倾向于用现有理论解释现象，实验科学家则让现象自己说话。正如朱棣文所说：“在许多实验，特别是在那些技术上非常复杂的实验之中，实际上不仅仅是一个想法，而常常是你必须在进行一个实验的同时验证许多设想。”这意味着，实验不是对预想方案的简单执行，而是在过程中不断发现、不断调整的探索。

这种对现象的信赖，要求科学家保持开放的心态。不要急于把现象塞进现有的理论框架，而是让现象引导思考。正如朱棣文将抽象问题转化为“可拆卸、可组合”的模型，鲍林用折叠的纸条让结构自己显现——他们都在做同一件事：让现象以最直观的方式呈现自己。

（3）从“动手”到“洞察”

有学者将科学家的能力概括为五个层次：思考力、设计力、动手力、组织力、传播力。在这五力之中，动手力往往被低估。人们倾向于认为，思考才是“高级”的活动，动手不过是“低级”的执行。但朱棣文和鲍林的故事告诉我们：动手不仅是执行，更是生成；不仅是验证，更是发现。

当朱棣文在高中时亲手制作物理摆测量引力，他已经在用动手的方式理解世界。当鲍林在病床上折叠那张纸条，他已经在用动手的方式创造知识。他们的“手”不是思考的奴隶，而是思考的伙伴。

这种从“动手”到“洞察”的过程，有一个内在的机制。首先，动手操作让我们直接接触现象本身，而不是现象的描述。其次，操作中的反馈循环（做-看-调整-再做）让我们不断逼近问题的核心。最后，无数次的重复训练出直觉——那种不需要推理就能直接“看到”答案的能力。

朱棣文用一句话总结了这个过程：“从钟情于物理实验的角度来说，我确实非常努力、非常用功，我已经在实验室里呆了好多年了。”这句话看似平淡，却道出了“实验艺术”的本质：不是天赋，而是积累；不是灵感，而是实践。

5. 动手不仅是验证思想，更是生成思想的方式

在科学史上，有一种深刻的误解：动手只是思想的执行者。按照这种看法，科学家首先在头脑中构想理论，然后用实验去验证它。实验的价值仅在于证实或证伪思想。

朱棣文和鲍林的故事挑战了这种看法。他们的经历表明：动手不仅是验证思想的方式，更是生成思想的方式。

朱棣文的“光学粘胶”概念，不是事先在头脑中构想好的，而是在实验操作中“浮现”出来的。他说：“它百分之百来自工作的图像。”鲍林的α螺旋结构，也不是数学推导的结果，而是在折叠纸条的瞬间“出现”的。他的手引导了他的思想。

这种“实验生成思想”的模式，在科学史上并不罕见。法拉第的电磁感应实验，不是对已有理论的验证，而是对新现象的探索；居里夫人的放射性研究，不是对预设假设的检验，而是对未知世界的发现。在这些案例中，实验不是思想的奴婢，而是思想的主人。

对于那些渴望成为科学家的人，朱棣文和鲍林的故事有着深刻的启示：不要轻视你的双手。在实验室里的每一分每一秒，每一次操作，每一次观察，都在塑造你的直觉，丰富你的默会知识。当你在实验中遇到新情况时，正是这些积累让你“及时想出恰当的解决办法”。

更重要的是，要信赖现象。不要急于用现有理论去解释你看到的东西，让现象自己说话。有时，最伟大的发现就隐藏在最简单的操作之中——就像鲍林折叠的那张纸条。

1951年，鲍林发表α螺旋结构时，他的论文只有几页纸，几张草图。但这几页纸开启了结构生物学的新时代。1985年，朱棣文发明“光学粘胶”时，他并不知道这项技术有什么用。但正是这个“不知有何用”的发现，为他赢得了诺贝尔奖。

他们的故事共同指向一个真理：在科学探索中，手与脑是平等的伙伴。没有手的探索，脑的构想可能永远停留在空想；没有脑的指引，手的操作可能永远停留在重复。只有当手与脑真正对话，当动手与思考真正融合，科学创造才可能发生。

正如朱棣文所说：“实验室是最适合我兴趣的工作场所。”在那里，手与脑相遇，思想与行动合一，新的世界被创造出来。

参考文献

[1] 王勇编译. 朱棣文谈科学研究和个人经历. 世界科学，1997-11-28.

[2] 王恒. 朱棣文：“装配工”开创新领域. 科普时报，2023-02-17.

[3] Nobel Prize Museum. Model of a helical molecular structure.

[4] Michael Pikaart. The turn of the screw：An exercise in protein secondary structure. Biochemistry and Molecular Biology Education，2011，39（3）：221-225.

[5] 浸会大学. 朱棣文教授荣誉理学博士赞辞. 2021.

[6] 360doc. 他小时候被所有人看不起，长大后却成为第5位斩获诺奖的华人. 2018-04-15.

[7] Springer. Linus Pauling‘s sketch of the polypeptide chain in 1948. Structural Chemistry， 2009.

[8] IUBMB. The turn of the screw：An exercise in protein secondary structure. 2011.

[9] 科学网. 科学家的五项修炼. 2008-12-15.

[10] 中国科普博览. 马丁·查尔菲：让生命发光的科学家.

[11] Chalfie M，Tu Y，Euskirchen G，et al. Green fluorescent protein as a marker for gene expression. Science，1994，263（5148）：802-805.

支持单位：