故事还要从头说起。人们早就发现，在自然界的晶体中，原子以重复的样式排列，不同的化合物也许会出现不同的排列方式，但都是简单的平移重复而已。下面是几张来自晶体中的图案模型。在图a中，我们可以看到每个原子被其他三个相同的原子包围，形成了一个单位样式，这称为三重对称，因为如果把其中之一沿着平面转过120度，将与另一个发生重叠。而在四重对称（图b）中，转过90度后可得相同图形，在六重对称（图c）中，转过60度可得相同图形。

但无论如何，五重对称（图d）却不可能得到，因为其中原子间的距离长短不一，这个样式无法实现旋转对称，由此很容易就充分证明了在晶体中找不到五重对称，依此，七重对称或者更高重的对称都是找不到的。

所以，早期晶体学家们都根深蒂固地认为，五重或七重以上的对称不符合自然规律。

然而，1982年4月的那个早晨，以色列理工学院的Daniel Shechtman 却发现在他电子显微镜下面，一个衍射图案可以安然转过圆周的1/10（也就是36度）依旧得到原来样式，也就是说，发现了十重对称！很快，他又从铝锰合金中找到了五重对称的图案。在那个时期，这项工作绝对是颠覆性的了，以至于相关论文1984年夏天被 Journal of Applied Physics 断然拒掉。还好， Physical Review Letters 没做同样的武断之事，随后就发表了他的文章。Shechtman发现的固体形态被命名为准晶（quasicrystal），以示与传统晶体的区别，并被认为是介于晶体和非晶体之间的一种形态。

事实上，无独有偶，同一时期的数学家们已为他做好了理论铺垫，英国人彭罗斯（Roger Penrose）差不多同一时期便在前人工作基础上提出了一种以两种形状的拼图铺满平面的解决方案。对于Shechtman的准晶体衍射图案和彭罗斯的镶嵌瓷砖来说，都有一个迷人的性质，就是在它们的形态中隐藏着美妙的数学常数τ，亦即黄金分割数1.618……。彭罗斯瓷砖以一胖一瘦两种菱形（内角分别为72度、108度和36度、144度）镶拼而成，两种菱形的数量之比正好是τ；同样的，在准晶中，原子之间的距离之比也往往趋近于这个值。

黄金分割数的概念早在13世纪就已经有人描述，它来自著名的斐波那契数列（1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144）,这个数列越往后，两个相邻数字的比值就越接近τ。在自然界中，这个数值和一些事物的生长形态有着神奇的联系，比如我们熟悉的向日葵盘，种子的分布就是以由黄金分割角发散呈现的，还有海螺的生长线也遵循了这一规律。

如今在钴、铁、镍等金属的铝合金中，准晶已经成为了一种见怪不怪的结构，有趣是，准晶出自合金，本身却是电的不良导体。它的其他特点包括：磁性较强，在高温下也比晶体更有弹性，十分坚硬，抗变形能力也很强，因此可以作为商用价值很好的表面涂层。目前世界上准晶的研究十分活跃，在法国、德国、日本和美国都有，预计在未来几年中，它的低摩擦、耐腐蚀、耐热性和非粘性会进一步被开发利用于材料领域，有人也在铝基体中嵌入了硬纳米准晶，去发掘它的更多性能。准晶甚至对于高维空间的探索也有其特殊的模型功用，哈佛大学理论物理学家、美女教授丽莎•兰道尔（Lisa Randall）在其科普书《弯曲的旅行》中就曾写道：带有准晶体镀层的锅之所以不粘，正是利用了准晶体与常见食物的结构差异，锅里镀层大高维晶体投影与常见食物的三维平凡结构是有差异的，原子排列的不同使得它们不会粘连在一起。

关于准晶的研究方兴未艾，比如说光子准晶，它是以准周期形式排列的，和光子晶体具有相似的性质（如各向同性的带隙），可用于建造微型光学元件。

下图显示了一组光子准晶的几何构型，其中亚波长绝缘棒被以彭罗斯平铺的方式排列，背景中充满空气。

下图显示了光子准晶中谐振状态的分布强度，红色对应高强度，蓝色对应低强度（看上去真的犹如古典风的玻璃灯罩……）。

下图则显示的是与上图相同谐振状态下的相位分布。

这是斯图加特大学的一个小组在二维的准晶模型进行裂纹扩展的分子动力学模拟。

在理论上，有三种准晶模型。第一种即是彭罗斯模型，是由彭罗斯以及宾夕法尼亚大学的两位科学家Dov Levine和Paul J. Steinhardt提出的，该模型中两种或两种以上的晶胞以特定规则拼接在一起铺满平面；第二种是玻璃模型，由美国物理学家Peter W. Stephens和Alan J. Goldman提出，在这种模型中原子簇可以较为随机地加入交互形成；第三种是随机平铺模型，它结合了前两种的特点，即彭罗斯模型中的规则不必被严格执行，只要结构中并没有出现间隙，晶胞自行加以组合即可。

下面是一组利用傅里叶变换做出来的各种规则的准晶图案，从上到下分别为五重、九重和十二重对称。

下面也是一组利用傅里叶变换做出来的但是随机分布的准晶图案，从上到下分别为五重、九重和十二重对称，可与上图做个比较来看。

由于准晶具有美妙绝伦的几何视觉效果，它对艺术和建筑界的启发也比比皆是，下图是日本艺术家Akio HIZUME利用510根小木杆做出来的准晶模型，叫做MU-MAGARI。

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• 光子准晶研究
• 准晶中的裂纹扩展模拟

本文已发表于果壳网 文艺科学主题站 《【2011诺贝尔化学奖解读】准晶：似晶非晶》

写在恒星之中

“有人说世界将终结于烈火，有人说将终结于寒冰……”

宇宙最终的命运是什么？或许它将终结于寒冰，如果我们打算相信今年的诺贝尔物理学奖的话。他们已经仔细研究了几十颗遥远星系之中被称为“超新星”（supernova）的爆炸恒星，得出了宇宙正在加速膨胀的结论。

即便是对这些获奖者而言，这项发现也完全出乎他们的意料。他们看到的现象，就好比是把一个小球抛向了空中，却没有看到它落回来，反倒看着它越来越快地上升，最终消失在了空中，仿佛引力无法逆转小球上升的轨迹一般。类似的事情似乎发生在整个宇宙当中。

[世界正在膨胀。宇宙的膨胀始于140亿年前的大爆炸，但在最初几十亿年里，宇宙膨胀的速度是越来越慢的。但最终，它开始加速膨胀。这种加速被认为是由暗能量驱动的，这种暗能量起初只占宇宙的一小部分。但随着物质在宇宙膨胀过程中逐渐稀释，暗能量变得越来越显著。]

宇宙膨胀的这种加速度暗示，在蕴藏于空间结构中的某种未知能量的推动下，宇宙正在分崩离析。这种所谓的“暗能量”（dark energy）占据了宇宙成分的绝大部分，含量超过70%。它的本质仍然是谜，或许是今天的物理学面临的最大谜题。所以难怪，当两个不同的研究团队在1998年公布相似的结果时，宇宙学的根基被撼动了。

索尔•佩尔穆特（Saul Perlmutter）领导着其中一个团队，即1988年启动的“超新星宇宙学项目”（Supernova Cosmology Project）。布莱恩•施密特（Brian Schmidt）领导着另一个团队，即1994年启动的“高红移超新星研究组”（High-z Supernova Search Team）展开竞争，亚当•里斯（Adam Riess）在其中起到了至关重要的作用。

两个研究团队通过寻找遥远空间中爆发的超新星，展开了绘制宇宙“地图”的竞赛。通过确定这些超新星的距离和它们离我们而去的速度，科学家希望能够揭开我们宇宙的最终命运。他们本来以为，自己会发现宇宙膨胀正在减速的迹象，这种减速将决定宇宙会终结于烈火还是寒冰。结果，他们发现了完全相反的事实——宇宙膨胀正在加速。

[一闪一闪亮晶晶，天上星星在哪里……]

宇宙在膨胀

天文学发现颠覆我们对于宇宙的观点，这已经不是第一次了。就在100年前，人们还认为宇宙是一个宁静的所在，比我们的银河系大不了多少。宇宙学时钟可靠而又稳定地滴答作响，记录着时间的平稳流逝，而宇宙本身则是永恒的，无始无终。但没过多久，一种颠覆性的红移就改变了人们的这种观点。

在20世纪初，美国天文学家汉丽埃塔•斯万•勒维特（Henrietta Swan Leavitt）发现了一种测量遥远恒星距离的方法。当时，女性天文学家没有接触大型望远镜的资格，但她们被天文台雇佣，来从事分析照相底板的繁重工作。汉丽埃塔•勒维特研究了上千颗被称为造父变星（Cepheid）的脉动变星，发现越明亮的造父变星，脉动的周期也越长。利用这样的信息，勒维特能够计算出造父变星自身的亮度。

只要有一颗造父变星的距离是已知的，其他造父变星的距离就可以推算出来——恒星的光显得越暗，它的距离就越远。一种可靠的标准烛光就这样诞生了，直到今天，它们仍是宇宙距离标尺上的第一个标记。利用这些造父变星，天文学家很快就得出结论——银河系只是宇宙中许多星系中普普通通的一个。到了20世纪20年代，美国加利福尼亚威尔逊山上当时世界上最大的望远镜投入了使用，这让天文学家能够证明，几乎所有星系都在远离我们而去。他们研究的是一种叫做“红移”（redshift）的现象，当光源远离我们而去时就会出现。光的波长会被拉长，而波长越长，它的颜色就越红。天文学家得出的结论是，星系不光在离我们而去，彼此之间也在相互远离，而且距离越远，逃离的速度就越快——这被称为哈勃定律（Hubble’s law）。宇宙正在膨胀。

[具有稳定亮度的标准烛光，是测量遥远恒星的距离所必需的。]

宇宙学常数的归去来兮

观测到的宇宙膨胀，在理论计算中其实已经被人提出过了。1915年，爱因斯坦发表了他的广义相对论，此后这一直是我们理解宇宙的基础。按照广义相对论，宇宙只能收缩或者膨胀，不可能稳定不变。

这个令人不安的结论，提出的时间比天文学家发现星系远离早了差不多10年。就连爱因斯坦都难以忍受宇宙不可能稳定不变这一事实。因此，为了消灭这种他不想要的宇宙膨胀，爱因斯坦在他的方程里加了一个常数，他称之为“宇宙学常数”（ cosmological constant）。后来，爱因斯坦认为，加上这个宇宙学常数是一个大错误。然而，有了那些完成于1997-1998年、并在今年获得诺贝尔物理学奖的宇宙学观测，我们可以得出这样的结论——爱因斯坦加上宇宙学常数的这一招实在是聪明绝顶，虽然他当年的理由是错的。

发现宇宙膨胀，让我们迈出了奠定基础的第一步，最终得出了今天的标准宇宙学观点，即宇宙诞生于大约140亿年前的一场大爆炸。时间和空间都起始于那一时刻。从那时起，宇宙就一直在膨胀；星系则像是烤箱中正在膨胀的蛋糕里夹杂的葡萄干，由于宇宙学膨胀而彼此远离。但未来的命运又将如何？

超新星——宇宙新标尺

当爱因斯坦放弃宇宙学常数，转而向非静态宇宙观点投诚时，他把宇宙的几何形状同宇宙的命运联系了起来。宇宙到底是开放的、闭合的，还是介于两者之间——是平坦的呢？

开放的宇宙，指的是物质引力不足以阻止宇宙膨胀。这样的话，所有物质都会在一个越来越大、越来越冷、越来越空旷的空间中不断稀释下去。闭合的宇宙则刚好相反，引力强大的足以停止甚至逆转宇宙的膨胀。这样的话，宇宙最终会停止膨胀，然后坍缩回来，在一场炽热而剧烈的大挤压（Big Crunch）中终结。然而，大多数宇宙学家都更喜欢生活在一个最简单、数学上也最优雅的宇宙之中——这就是平坦的宇宙，其中的宇宙膨胀会越来越慢。因此，宇宙最终不是会终结于烈火，就是会终结于寒冰。这是我们无法选择的事情。如果存在宇宙学常数，那么膨胀就将持续加速，哪怕宇宙是平坦的。

今年的诺贝尔物理学奖获得者当年认为，他们会测量到宇宙减速膨胀，测量出宇宙膨胀的速度是如何减慢的。他们采用的方法，从原理上讲，跟60多年前天文学家所用的方法是一样的——那就是给遥远的恒星定位，并测量它们如何运动。然而，说起来容易做起来难。自汉丽埃塔•勒维特发现造父变星的秘密以来，天文学家在越来越远的距离上找到了许多其他的造父变星。但在天文学家所要测量的距离上，即数十亿光年以外，造父变星已经无法看见。宇宙标尺必须延长才行。
超新星，也就是恒星的爆炸，成了新的标准烛光。地面和太空中越来越先进的望远镜，以及越来越强大的计算机，在20世纪90年代开启了全新的可能性，让天文学家有能力为宇宙学拼图填上更多空缺的内容。其中最关键的技术进步，则是光敏数码成像传感器CCD的发明——发明者威廉•波义耳（Willard Boyle）和乔治•史密斯（George Smith）因为这项发明获得了2009年诺贝尔物理学奖。

白矮星爆炸

天文学家工具箱中的最新工具，是一类特殊的恒星爆炸——Ia型超新星。在短短几星期之内，单单一颗这样的超新星发出的光足以与整个星系相抗衡。这类超新星是白矮星（white dwarf）爆炸的结果——这种超致密老年恒星像太阳一样重，却只有地球这么大。这种爆炸是白矮星生命循环中的最后一步。

白矮星是一颗恒星核心处无法提供更多能量时形成的，因为所有的氢和氦都已经在核反应中耗尽了，只剩下了碳和氧。通过同样的方式，在久远的未来，我们的太阳也会变成一颗白矮星，最终变得越来越暗，越来越冷。

如果一颗白矮星处在一个双星系统之中（这是相当常见的），那么就会有更令人激动的结局在等待着它。在这种情况下，白矮星强大的引力会从它的伴星身上抢夺气体。然而，一旦白矮星超过1.4倍太阳质量，它就再也无法维持下去了。此时，白矮星内部会变得足够炽热，启动一场失控的核聚变反应，整个恒星会在几秒钟内被炸得粉身碎骨。

[白矮星会通过引力，从它的伴星身上窃取气体]

[当白矮星超过1.4倍太阳质量，它就会爆炸，变成一颗Ia型超新星。]

这些核聚变产物会释放出强烈的辐射，在爆炸之后的最初几星期内迅速增亮，直到随后的几个月内才逐渐变暗。因此，发现这些超新星必须要快，因为它们剧烈的爆发相当短暂。在整个可观测宇宙之中，平均每分钟大约爆发10颗Ia型超新星。但宇宙实在太过巨大。一个典型的星系平均每1000年才会出现一到两颗超新星爆发。2011年9月，我们很幸运地在北斗七星附近的一个星系中观测到了这样一颗超新星爆发，通过一副普通的双筒望远镜就能够看到。但大多数超新星离我们要遥远得多，因而也暗淡得多。那么，面对这么大一片天空，我们究竟应该在什么时间往哪里看呢？

令人震惊的结论

两个相互竞争的研究团队都知道，他们必须彻查整个天空，来寻找遥远的超新星。诀窍就在于，比较同样的一小块天空拍摄于不同时间的两张照片。这一小块天空的大小，就相当于你伸直手臂时看到的指甲盖大小。第一张照片必须在新月之后拍摄，第二张照片则要在3个星期之后，抢在月光把星光淹没之前拍摄。接下来，两张照片就可以拿来比对，希望能够从中发现一个小小光点，即CCD图像中的一个像素——这有可能就是遥远星系中爆发了一颗超新星的标志。只有距离超过可观测宇宙半径1/3的超新星才是可用的，这样做是为了消除近距离星系自身运动而带来的干扰。

研究人员还有许多其他难题需要应对。Ia型超新星似乎并不像人们一开始认为的那样可靠——最明亮的超新星爆发亮度衰减的速度要更慢一些。此外，超新星的亮度还必须扣除它们所在星系的背景亮度。另一个重要任务是获得修正亮度。我们和那些恒星之间的星系际尘埃会改变星光。在计算超新星最大亮度时，这些因素对结果都会有影响。

追踪超新星挑战的不只是科学和技术的极限，更是统筹安排的极限。首先，正确类型的超新星必须要被找到。其次，它的红移和亮度必须要被测量出来。亮度随时间变化的光变曲线必须接受分析，以便能够将它与其他类型相同、距离已知的超新星作比较。这就要求科学家构成的工作网络能够迅速判断某一颗恒星是否值得列入候选进行观测。他们必须能够在不同的望远镜之间切换，毫无延迟地获得一台望远镜的观测时间，而申请观测时间的过程通常需要花上几个月时间。他们还必须迅速行动，因为超新星很快就会变暗。有时候，这两个相互竞争的研究团队还会悄悄“撞车”。

[超新星1995ar。间隔3个星期拍摄的同一小块天区的照片，放在一起加以比对。在第2张照片，出现了一个小小的光点！在对它的光变曲线进行进一步观测之后，它被认为是一颗Ia型超新星。典型的Ia型超新星能够发出与整个星系相当的光。所有的Ia型超新星光变曲线都是相同的。大多数光会在最初几星期内释放出来（见右下侧图表）。]

这条研究道路上存在太多潜在的陷阱，事实上令这些科学家能够放下心来的原因在于，他们得出了惊人但却相同的结果：总的来说，他们发现了大约50颗遥远的超新星，它们的星光似乎比预期的要暗。这一结果与科学家事先的预期完全相反。如果宇宙膨胀越来越慢的话，超新星应该显得更亮才对。然而，随着超新星被所在星系裹挟着，以越来越快的速度相互远离，它们的亮度也会越来越暗。他们得出的结论出人意料：宇宙膨胀非但没有越来越慢，反而恰恰相反——宇宙膨胀在加速。

从现在到永恒

那么，是什么在加速宇宙膨胀呢？这种神秘力量被称为暗能量，它向物理学提出了一大挑战，至今无人能够破解这一谜题。科学家已经提出了若干想法。最简单的办法，就是重新引入爱因斯坦一度放弃的宇宙学常数。当年爱因斯坦加入宇宙学常数的目的，是为了引入一种能够与物质之间的引力相抗衡的斥力，从而创造出一个静态的宇宙。如今，宇宙学常数却似乎在加速宇宙的膨胀。

宇宙学常数当然是个常数，是一个不随时间变化的参数。因此，随着物质在宇宙几十亿年来的膨胀过程中逐渐被稀释，物质的引力也会越来越弱，暗能量就会逐渐占据上风。按照科学家的说法，这可以解释为什么宇宙学常数直到宇宙历史中相当晚的一个时期，也就是五六十亿年前，才逐渐开始发挥作用。大约在那一时期，物质的引力减到了比宇宙学常数还弱的地步。而在那一时期之前，宇宙的膨胀确实是一直在减速。

宇宙学常数可能源自于真空，按照量子物理学的观点，真空从来就没有真的空过。相反，真空是一锅不断翻滚的量子汤，正反物质的虚粒子不断产生又不断消失，从而产生出能量。然而，对暗能量数量最简单的估算，与空间中测量到的暗能量数量却完全不符，足足大了大约10^120倍（1后面跟120个零）。这成了横亘在理论与观测之间的一条至今无解的巨大鸿沟——要知道，地球上所有海滩上的沙粒加在一起，也不过只有10^20（1后面跟20个零）。

也许，暗能量根本就不是常数。或许它会随时间变化。或许一种未知的力场只是偶尔产生了暗能量。在物理学上，许多这样的力场被统称为“精质”（quintessence），得名于希腊文的“第五元素”。精质可以加速宇宙膨胀，但只是有时候如此。这样一来，预言宇宙最终命运就成了一件不可能完成的事情。

[宇宙加速膨胀在1998年12月被《科学》杂志评为“年度科学突破”。在那期《科学》杂志的封面上，爱因斯坦注视着他的宇宙学常数，这个参数又回到了宇宙学的研究前沿。]

不管暗能量是什么，它似乎都会继续长期存在下去。它与物理学家和天文学家研究了很长时间的宇宙学谜题符合得非常完美。按照现在公认的观点，宇宙大约有3/4由暗能量构成。剩余的是物质。但普通物质，也就是构成星系、恒星、人类和花花草草的东西，只占宇宙成分的5%。其他物质被称为暗物质，至今仍在跟我们“躲猫猫”。

暗物质是我们大都未知的宇宙中另一个迄今未解的谜题。与暗能量一样，暗物质也是不可见的。对于这两样东西，我们只知道它们发挥的作用—— 一个是推，另一个是拉。名字前面那个“暗”字，是它们唯一的共同点。

因此，2011年诺贝尔物理学奖的发现，向科学界揭露了一个95%的成分仍然未知的宇宙。现在，一切又皆有可能了。

[这项发现暗示，宇宙有3/4是一种未知的能量，被称为暗能量。与同样未知的暗物质一样，这些“暗势力”构成了宇宙的95%。只有余下的5%是普通物质，它们构成了星系、恒星、花花草草，以及我们人类。]

本文编译自诺贝尔官方网站发布的2011年诺贝尔物理学奖面向公众的新闻稿（PDF） ,已发表于 果壳网 趣科技小组 《解读2011年诺贝尔奖】物理学奖：宇宙加速膨胀完整图文解读》

作者：陈学雷（国家天文台研究员、宇宙暗物质暗能量组首席研究员）

今年的诺贝尔物理奖授予了三位在发现宇宙加速膨胀的研究中做出杰出贡献的学者：Perlmutter, Schmidt和Riess. 应该说，由于这项工作无可争辩的巨大重要性，几年来他们一直是获奖的热门人选。但是，导致宇宙加速膨胀的暗能量是什么仍是一个未解决的问题，而相关的许多理论和观测还处在研究的前沿，存在许多疑问和争论，诺贝尔奖评委会素有稳重、保守的传统，所以我原以为他们还要再过若干年才会获奖。因此，作为一名宇宙学研究者，我为他们今年获得这项殊荣感到非常高兴。

Perlmutter, Schmidt 和 Riess 是因为对超新星的研究而获奖的。超新星的概念是1934年由茨维基和巴德提出的。他们猜测当一些恒星寿命结束时将会塌缩，然后发生爆炸，其亮度可达到十亿甚至百亿个太阳的亮度，巴德和茨维基也观测到了一些超新星。后来发现，其实有两种不同的超新星， 一种是茨维基最早提出的核塌缩超新星，另一种其爆炸机理不同，现在一般认为是白矮星（质量比较低的恒星比如太阳在燃尽核燃料后就会变成白矮星）从其伴星中吸积物质，到一定程度后发生核爆炸。有趣的是，茨维基和巴德最早观测到的超新星都是后面这种他们所未曾想到过的类型，被称为Ia型超新星。

[图1：超新星遗迹Cas A.]

由于超新星很亮，可以在宇宙中很远的地方看到，因此可用来研究宇宙学。特别是，白矮星有一个质量上限，称为钱德拉塞卡质量，大约是1.4个太阳质量，白矮星发生超新星爆炸时大多都比较接近这个质量。既然这时白矮星的质量都差不多，就有理由认为，其爆炸时的亮度可能也差不多。这样，Ia型超新星就有可能作为“标准烛光”来使用：假定所有超新星的“绝对亮度”也就是本身的亮度相等，那么根据观测到的一颗Ia超新星的视亮度，就可以推测它到我们的距离。另一方面，我们还可以观测到这些超新星的光谱，从中测出超新星的“红移”。比如，一条原来在615纳米的谱线，经过红移后变为1230纳米，那么我们就说这个超新星的红移z=1,因为观测到的谱线长度是原来的(1+z)倍。如果我们把测到的超新星的红移和距离一一对应起来，我们就可以画出所谓哈勃图，不同的宇宙学模型的哈勃图是不一样的，因此用这种办法，可以测出宇宙到底是什么样的。

[图2：这是Perlmutter 等人1998年发表的超新星哈勃图，横坐标是红移，上面一图的纵坐标是星等（越暗星等越大），几条曲线是不同宇宙学理论的预言。下面图则是与理论的偏离。]

尽管上面叙述的这种办法原则上讲很简单，但实际做起来并不容易。首先是要发现超新星。尽管我们上面说超新星非常亮，但放在浩瀚的宇宙之中，也只是微弱的一点。下面的图演示了一个超新星的发现图像：你可以看到，它非常微弱而不起眼，经过两次放大之后也并不容易在图像上看出来。发现它的办法是，把两个同一天区但在不同时刻拍摄的照片叠放在一起，用后一张减去前一张，从二者之差发现可能变亮的候选目标。这样找到的候选者还不都是超新星，还有一些别的东西，比如星系中心的活动星系核有时会变亮，太阳系中的小行星有时会正好飞到这里，等等。在进一步观测排除这些其它东西后，才能找到超新星。这进一步的观测包括用多次不同时刻的观测得到超新星亮度随时间变化的曲线（光变曲线），以及拍摄超新星的光谱以测定红移。光谱观测比照相观测更难，往往需要更大的望远镜，而且需要在超新星最终变暗以前进行。

[图3：SCP组演示如何通过比较法找超新星的图]

1980年代中期，一些丹麦的天文学家开始试图寻找这些宇宙中的遥远超新星，经过长达2年的搜索，他们才找到了第1颗超新星，后来他们又发现了一颗，但终因发现的过少而放弃了。由于很难发现超新星，再加上对超新星是否真是“标准烛光”持怀疑态度，许多天文学家当时对这类研究抱悲观态度。

也是在这一时期，劳伦斯伯克利实验室(LBL)的一组物理学家开始对搜寻超新星产生了兴趣。这一小组的传奇的创始人Luis Alvarez兴趣广泛。他本人因为高能物理实验（气泡室）方面的工作获得诺贝尔奖，但他更为公众所知是因为提出小行星撞击地球导致恐龙灭绝的理论。这一小组中的Carl Pennypacker 和Rich Muller开始进行超新星研究，发展了一套在图像中自动搜索超新星候选者的软件。他们利用澳大利亚的3.9米望远镜进行了一段时间的搜寻，但是一开始他们失败了，并未找到任何超新星。后来，Pennypacker 转而从事科普，而Rich Muller 本人受Alvarez关于恐龙灭绝研究的影响，转向研究气候变化和全球变暖问题——其实他关于超新星搜寻的工作也是与寻找“复仇之星”（Nemesis)相结合的。古生物学家发现历史上的生物大规模灭绝存在周期性，Muller 认为可能是由于太阳有一颗红矮星或褐矮星伴星即复仇之星，当它沿周期轨道接近太阳时，其对小行星轨道的扰动就容易导致小行星撞击地球。 Muller 的弟子Perlmutter的研究一开始就是寻找这颗复仇之星。后来，Perlmutter接掌了超新星项目。有趣的是，尽管Rich Muller本人在宇宙学领域工作的时间不长就离开了，但他有两个弟子后来因为宇宙学研究得到了诺贝尔奖：研究CMB的George Smoot 2006年获奖，Perlmutter今年获奖。

Perlmutter 接掌这项工作正是在项目最困难的时期：他们未取得任何成果，连一颗超新星都没能发现，而与澳大利亚人的合作也到期结束了。这一项目是否还能进行下去？伯克利以及美国的资助机构在认真的评估后决定继续予以资助。Perlmutter工作专注，被认为是可以挽救这一项目的人选。他们还是得到了经费，造了一台CCD相机安放在西班牙加纳利群岛的一台望远镜上，作为交换他们可以使用这一望远镜进行超新星搜索。Perlmutter也很努力，为了对发现的候选超新星进行后续观测，Perlmutter 会给全世界各处天文台的望远镜打电话，恳求正在使用望远镜的人帮助他进行观测。

早期超新星研究的一大困难在于如何保证找到超新星并拍摄到其光谱。这里除了技术上的困难外，还有获得望远镜观测时间的困难。现代的天文望远镜都是由许多天文学家共用的。一位或一组天文学家要用望远镜，需要写一份建议书，说明自己的科学目标和观测方法，经过同行评议后，由望远镜时间分配委员会根据评议结果决定分配多少时间。这样，大型望远镜的观测时间表一般早就提前一年或半年定下来了。而在发现超新星之前，人们很难预先申请到这些观测时间，发现超新星后往往只好临时借用别人的观测时间进行后续观测，这很难保证获得大量数据。Perlmutter 发展了一套“批处理”的方法：他们每隔一个月，用观测条件最好的无月夜拍摄大片的星空，并立即与以往的观测进行比较，找出可能的超新星候选者，这样第2天他们就可以获得一批超新星候选者样本，然后再用Keck 10米望远镜等大望远镜进行后续光谱观测。恰好超新星的光变周期是几个月，因此这一方法非常有效。由于一次可以得到多个超新星候选者，也就可以申请到大望远镜的观测时间。用这种办法，Perlmutter领导的研究小组（称为超新星宇宙学计划Supernova Cosmology Project, SCP)开始发现大量的超新星。

伯克利的SCP小组由物理学家组成，他们一开始对于超新星天文学中的许多困难并不完全了解，“无知者无畏”可能是他们在大多数天文学家对超新星观测感到悲观时勇于进行这项研究的部分原因。然而，随着他们逐渐接近成功，天文学家们也开始看到希望并准备参加竞争。哈佛大学的Bob Kirshner （Adam Riess的导师）等人也想进行超新星观测，但问题是，SCP小组曾花费几年时间才研制出自动化超新星搜寻软件，别人能否在短期内研制出这样的软件呢？如果没有，要进行竞争是困难的。Brian Schmidt 只用了一个月就开发出了这样一套软件，他没有象SCP小组那样完全新写一套软件，而是通过组合一些现成的天文软件而实现了这一目标。这样，由Kirshner, Schmidt, Riess, Suntzeff, Filippenko 等人组成的High-z 小组以出人意料的高速加入了竞争的行列。

现在找超新星的问题解决了，但Ia型超新星是否真是标准烛光呢？遗憾的是，并非完全如此。渐渐地人们发现Ia型彼此并非完全相同，有的超新星光度的变化速度更快一些，有些则更慢一些。不过，Mark Philips 通过研究发现，那些绝对亮度更大的超新星，其变化速度也往往更慢。因此利用光变曲线可以修正超新星绝对亮度的变化。

此外，对于实际观测的超新星，还需要考虑好几个其它问题。星际空间存在着尘埃，这些尘埃会吸收光子，使超新星变暗。好在这一效应还是可以修正补偿的。尘埃吸收除了使目标变暗外，还会更多吸收蓝光而导致目标变红，因此根据其变红的程度进行修正。问题是，每颗超新星其本身的颜色其实也并不完全相同。最后，即使本身光谱完全相同的超新星，当它位于不同红移时，用给定波长的滤光片组进行观测时，得到的颜色也是不一样的，还需要对这一效应进行改正。好在这几个效应虽然复杂，但有规律可循。哈佛大学的研究生Adam Riess 发展了一套数学方法，他发现，利用多个滤光片拍摄的光变曲线数据，经过改正后，Ia型超新星还是可以作为近似的标准烛光的，因此用Ia型超新星进行宇宙学研究是有希望的。实际上，即使到了今天，人们也还是不完全理解为什么Ia型超新星经过修正后可以作为这么好的标准烛光。人们很容易想到各种因素，使得Ia型超新星偏离标准烛光，这也是一开始很多天文学家对超新星宇宙学感到悲观的原因。然而数据显示Ia型超新星经过修正后确实还是不错的标准烛光，这是大自然给我们的一个惊喜。当然，研究者们仍在探究这其中的原因。

SCP和High-z这两个小组的竞争非常激烈。到了1997年下半年，他们开始发现，高红移的超新星比他们原来预期的要暗。根据哈勃图，这表明宇宙的膨胀在加速而不是减速。这是否是由于观测或数据处理上的错误造成的呢？或者，尘埃吸收等因素考虑得不够周全？经过反复检查，1998年1月，两个小组几乎同时公布了自己的观测结果，SCP组有42颗超新星数据，High-z 组只有16颗超新星数据，但每颗的误差要小一些。总之，他们一致的结论是宇宙的膨胀在加速。这一结果轰动了世界。

按照广义相对论理论，如果宇宙由一般的“物质”（包括所谓“暗物质”）组成，其膨胀会逐渐减速，这是万有引力的作用。那么如何解释观测到的宇宙膨胀加速呢？目前主流的解释是引入“暗能量”的概念。暗能量(dark energy)一词是美国宇宙学家Mike Turner 引入的。它实际上也是物质的一种形式，但具有很奇特的性质。比如，它的有效“压强”小于0，这些压强项使时空的弯曲与一般物质造成的时空弯曲相反，因此可以理解成是与万有引力相对的“斥力”，可以导致宇宙加速膨胀。根据现在对宇宙微波背景辐射、超新星等实验数据的拟合表明，宇宙中大约百分之七十五左右是暗能量，此外还有百分之二十一左右是不发光的暗物质，而我们熟悉的普通物质仅占百分之四多一点。

[图4：宇宙的组分]

也有人认为不需要引入新的物质形式“暗能量”，而是万有引力的规律与我们一般所假定的广义相对论理论有所不同造成。不过，这种修改引力理论往往比暗能量理论更为复杂。广义地说，这也可以算暗能量模型。

还有少数学者怀疑超新星的观测或数据分析有错误，宇宙并未加速膨胀。但是，13年来人们又观测了许多超新星，目前总数有几百颗，对其分析也更加深入，虽然还存在很多疑点（比如Ia型超新星爆炸的机理到底是什么？），但数据本身经过许多不同的天文学家用不同方法的分析，迄今并未发现大问题。其次，有人曾提出Ia型超新星的光在传播中会由于与一种被称为“轴子”的假想粒子的相互作用而变暗，导致其被误认为是宇宙加速膨胀。但是，这种假设与观测的拟合并不好。特别是，有的高红移超新星测量结果表明，宇宙的膨胀并非一直加速，而是先减速再加速，这用上述假说不容易解释，而却正是暗能量理论的预言。

暗能量的存在也有一些其它方面的证据。例如，早在SCP和High-z 小组公布他们的超新星观测之前，有一些科学家（例如Turner & Krauss, Ostriker & Steinhardt等）根据宇宙年龄、物质密度和功率谱等因素考虑，就认为宇宙可能含有暗能量。此后，宇宙微波背景辐射、重子声波振荡等其它观测也支持宇宙中存在暗能量的理论。目前，也有少部分观测，例如强引力透镜的数量，与根据暗能量理论做出的预言符合得不好，但这些观测目前其可靠性本身是比较低的，因此暗能量是为大多数人所接收的模型。

宇宙的加速膨胀是一个惊人的重大发现，因此其发现者获得诺贝尔奖也是意料之中的。但是，暗能量的本质仍是一个还未解决的问题。对这一问题的研究，也很可能是未来基础物理学发展的突破口。国外有许多计划中的实验项目，而我国目前除了提出多种暗能量的理论模型外，一些天文学家也结合我国实际，提出了一些未来的暗能量实验观测计划。例如，在南极冰穹A(那里的观测条件好）建造大型光学望远镜，在我国天宫空间站上装设光学望远镜，在南美建造大型的光谱巡天望远镜等，以及参与一些国外重大实验项目的合作。笔者本人目前也正在推动开展“天籁计划”研究，这是一项在国内地面进行的实验，研制专用射电望远镜阵列进行巡天观测，利用宇宙大尺度结构中的重子声波振荡特征精密研究暗能量的性质。希望未来我国在这一方面的研究中也能做出重大的发现。

从今年获诺贝尔物理奖的研究工作中，我们能受到什么启发呢？我觉得，Schmidt 和 Riess 等人能够凭借自己的研究积累，抓住战机，在激烈的竞争中一举冲入研究的最前沿，其能力和敏锐令人钦佩。但更值得思索和借鉴的是Perlmutter等人的顽强坚持。作为研究者，要有信心和勇气在困难时坚持下去，正是这种信心和勇气，使Perlmutter等人在人们大多对超新星宇宙学感到悲观时能够坚持下去。而美国的资助机构能够宽容失败，看出这一项目的科学价值和团队人员的能力，保持对这一项目的资助，也是非常有眼光的。有重大创新的科研常常有很大的风险，很难保证完全实现计划的成果。这时应该怎么办？我国现在口头上也常常说支持探索、宽容失败，但实际上有风险的研究计划很难得到支持，更不用提对失败的理解和宽容了。这恐怕是我们所应该深思的。

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在过去的很多个世纪，外科医生的地位非常低。出身理发师的外科医生们难以逃脱手艺人的身份，所做的工作又常常面对腐烂、化脓、恶臭的组织，治疗效果也往往难如人意。外科因此也往往被看做低贱的工作，社会地位远远不能与学院出身、衣着整洁、头戴假发、香水洒身的内科医生相比，甚至无法拥有医生的称谓。尽管如此，还是有不少身怀绝技的外科医生涌现，虽然他们的操作往往意味着撕心裂肺的惨叫、残酷、感染和死亡，但很多时候也的确能解决内科医生无法解决的问题：例如能够在2分钟内完成膀胱取石的伦敦外科医生切赛尔顿（William Cheselden）和为白内障患者摘除晶体的法国眼科医生戴维尔（Jacques Daviel）。

外科从一门手艺向科学的转变，要归功于解剖学、生理学和助产技术的成熟。而真正使得外科迅速发展并一跃成为20世纪医学领域发展最快部分的原因则是麻醉和无菌术的普遍应用。前者使得接受外科治疗的患者摆脱了巨大的痛苦，使外科医生能够从容地完成手术操作；后者则显著降低了手术带来的感染等风险，大大提高了治疗效果。1865年，外科医生李斯特（Joseph Lister）第一次尝试使用石炭酸处理伤口，两年后他在《柳叶刀》（The Lancet）杂志发表文章，指出细菌是伤口感染的因素，强调手术切口抗感染的重要性，并驳斥了“伤口化脓对愈合有益”的错误观点。到1892年李斯特退休时，防止伤口细菌污染的观念已经深入人心。在此期间，外科领域涌现了一大批杰出的领袖人物，正是他们推动了外科这一“使用手的医术”在上世纪初大踏步前进。

 埃米尔•西奥多•科克尔（Emil Theodor Kocher）就是上述杰出人物中的一位。1841年8月25日，科克尔出生于瑞士伯尔尼，1869年获得医学博士学位，1872年即成为伯尔尼大学的外科学教授，并在这个职位上工作了45年。科克尔在外科的不同领域都有着重要影响，这些影响我们可以从一些至今仍在沿用的名词上面找到，例如对肩关节脱臼采用的Kocher氏复位手法；肠切除手术中经常用到的Kocher钳；经右肋缘下切除胆囊的Kocher切口，腹部外科中探查胰腺时翻起十二指肠的Kocher手法等等......除此之外，科克尔还是颅脑和脊柱外科的开创者。

十九世纪后期，手术切口的防腐观念刚刚兴起，科克尔是李斯特的坚定支持者。起初，科克尔采用含氯的溶液进行消毒，后来科克尔干脆更进一步，成为最先提出无菌手术观念的人之一，而这一观念已经成为现代外科手术的基本操作要求。在战伤、骨髓炎、绞窄疝、椎体骨折、颅脑损伤和胆道及胃肠外科领域，科克尔都是毫无疑问的先驱。他撰写的《外科手术理论》（Chirurgische Operationslehre）推出了6版，详细介绍了腹部外科和关节外科的多种手术技术，被翻译为多国文字在欧洲和亚洲传播。

然而科克尔最重要的贡献还不在于上述方面。十九世纪中叶，欧洲甲状腺疾病高发，由于当时人们还没有认识到甲状腺的重要作用，对于肿大的甲状腺往往简单地采取手术方法切除，并坚信切除得越彻底越好。这就带来了两个问题：第一，由于手术技术的局限，甲状腺切除的死亡率达到了惊人的40%以上；第二，即便患者能够安全度过甲状腺手术，但由于切除的甲状腺组织过多，使得患者难免出现甲状腺功能减退、喉返神经损伤（导致声音嘶哑），甲状旁腺损伤（导致手足抽搐）等严重并发症。种种不良后果使得甲状腺某种程度上成为外科手术的禁区。

科克尔和他的老师毕罗什（Billroth，熟悉胃大部切除术的朋友们应该对他很熟悉）首先为改进甲状腺手术技术作出努力。在科克尔的精湛技巧下，甲状腺手术的死亡率从40%降至1883年的13%。在手术过程中，科克尔的精细解剖使得操作视野几乎没有出血，这已经是一个非常了不起的成果了。科克尔的甲状腺手术切口也被称为Kocher切口（Kocher incision），至今仍在沿用。

不过，手术后的种种合并症仍然非常令人头疼。1874年，一位11岁的女孩在科克尔处接受了甲状腺切除术，但术后的情况却令人遗憾：这个女孩变得非常懒散、呆笨且发育不良。这些特征在与她的妹妹对照时表现得更为明显。科克尔没有忽略这些发现，他对自己做过手术的患者进行了全面回顾，认为这些问题可能与切除甲状腺过多有关，并尝试对这些患者注射甲状腺组织提取物进行治疗。到了1889年，科克尔的甲状腺手术死亡率已经降至2.4%，1898年这一数字更是降至令人乍舌的0.18%！终其一生，科克尔总共为超过5000人实施了甲状腺切除术，成果斐然。在著作《甲状腺疾病》（Erkrankungen der Schilddrüse）中，科克尔详细介绍了甲状腺疾病的病因、症状和治疗方法，为人们了解甲状腺的生理功能和病理机制做出了重要贡献。
 
从1901年到1908年，一年一度的诺贝尔医学奖毫无例外地颁发给了从事基础医学研究的科学家，还从未有临床医生获得这一奖项。外科医生科克尔打破了这一规律：他以精湛的手术技巧挽救了大批甲状腺疾病患者，为“使用手的医术”——外科学赢得了巨大荣誉。1909年，瑞典卡罗林斯卡医学院将当年的诺贝尔医学奖授予科克尔。在百余年的诺贝尔奖历史中，科克尔也是为数不多的获得这一崇高奖项的临床医生之一。

还记得第一届诺贝尔医学奖获得者贝林吗？是的，我们今天还要再次提起他。毫无疑问，1901年的那次获奖给贝林带来了崇高的名誉和丰厚的收入，不过在后人看来，贝林人格上不大不小的污点也因那次获奖而挥之不去——整个事情都与另一位天才科学家有关，他就是德国人保罗•埃尔利希（ Paul Ehrlich，又译作欧利希、埃利希）。

埃尔利希是一个才华横溢的犹太人，生于1854年3月14日（与贝林的生日恰好相差一天），1878年获得医学博士学位。此后，埃尔利希作为弗雷里希教授的助手从事染料和组织染色的研究。在研究中，埃尔利希将染料分为酸性、碱性和中性，相对应地，血液细胞的颗粒也被分为同样的三类，今天临床上仍在沿用的嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞和中性粒细胞的名称就来源于此。1882年，埃尔利希发明了著名的“抗酸”染色法，这一方法使得科赫发现的结核杆菌观察起来更为清晰，改进后的抗酸染色法今天仍在使用。

1890年，新成立的科赫研究所向埃尔利希发出邀请，埃尔利希正式成为科赫的助手并开始免疫学方面的研究。贝林此时也在科赫研究所，并已与北里柴三郎发现了白喉抗毒素血清的治疗效果。埃尔利希从化学角度阐述了毒素-抗毒素反应的机理，设计出测量血清中抗毒素含量的方法，使得抗毒素血清的质量标准化成为可能。此时已经有厂家联系贝林，希望尽早将抗毒素血清的生产规模化，这将意味着极其丰厚的利润回报。贝林自然也希望如此，只是此时的抗毒素血清效力太低，无法用于临床。此时埃尔利希帮了贝林一个大忙：他成功地纯化了贝林的血清，使得抗毒素血清的治疗获得了极大的成功，贝林也因此名利双收。

此后，埃尔利希与血清生产厂家签订了一份长达12年的合同，这本来将给埃尔利希带来不菲的收入。但是，2年之后，这份合同却被埃尔利希自己终止了。相反的，贝林却获得了改进的白喉抗毒血清的独家专利。1901年，贝林与埃尔利希同时成为首届诺贝尔医学奖的候选人，但最终这一奖项却只授予了贝林一人。在整个事件中，可以说埃尔利希都被贝林欺骗了：一种说法是，贝林许诺给埃尔利希一个更好的实验场所，以换取埃尔利希放弃自己在白喉抗毒血清方面的专利；另一种说法则是贝林掩盖了抗毒血清是应用了埃尔利希成果的事实，侵吞了本该属于埃尔利希的荣誉。不管怎样，埃尔利希与诺贝尔奖就这样失之交臂了。

然而这个犹太人的才华还远远没到枯竭的时候。对于失去的诺贝尔奖，埃尔利希似乎一直保持着良好的风度：他与贝林维持了多年友好的通信，并从不掩饰自己对贝林发现抗毒素的赞赏。基于不同的毒素-抗毒素效应，埃尔利希发展了著名的免疫学“侧链”学说。他认为，抗毒素是有机体自身产生的。毒素含有特殊的“毒性簇”，而细胞上则有相应的“受体”，类似苯环上的侧链。血液中的受体能够特异性中和毒素，保护细胞不受伤害。这一理论在免疫学影响深远。我们耳熟能详的“主动免疫”“被动免疫”“受体”“类毒素”等名词都是出自埃尔利希的创造。

1908年，携自己关于体液免疫的“侧链”学说，埃尔利希与俄罗斯人梅契尼科夫（Ilya Ilyich Mechnikov）分享了当年的诺贝尔医学和生理学奖。请原谅我这里没有详细介绍梅契尼科夫，他所发现的细胞的吞噬作用与埃尔利希的侧链学说可以称之为机体免疫功能的两重防线。不过，与梅契尼科夫相比，埃尔利希的光彩实在是太耀眼了：在错过一个诺贝尔奖和又获得一个诺贝尔奖后，埃尔利希又在1912和1913年取得了两次诺贝尔奖的提名！这又是怎么回事呢？

早在1890年，埃尔利希就发现某些染料具有消灭病原生物的作用。由此他设想，如果某种化合物对病原生物有着良好亲和力又对人体无害，那么该化合物将成为在体内消除病原体的良好药物，就像抗毒素能够特异地中和毒素那样。埃尔利希形象地称这种药物为“魔弹”（magic bullets）。1906年，埃尔利希发现了atoxyl（氨基苯胂酸钠）的结构，这个化合物被认为对治疗锥虫病有着良好效果。埃尔利希和他的助手对atoxyl的衍生物进行了无数次的探索，以寻求理想的“魔弹”。当时，梅毒螺旋体已经被发现，但是梅毒的治疗仍然毫无进展。埃尔利希决定在现有的含砷化合物中寻找对抗梅毒螺旋体的药物。功夫不负有心人，埃尔利希的助手、北里柴三郎的学生秦佐八郎终于发现代号为606的化合物对梅毒感染的兔子非常有效。在对606进行了数百次实验并证实了疗效之后，埃尔利希将其命名为洒尔弗散（Salvarsan）。后来又发现914号化合物更易溶于水，埃尔利希称其为“新洒尔弗散”（Neosalvarsan）。

606和914的成功，使得埃尔利希成为使用化学疗法治疗疾病的第一人，是公认的化学疗法之父。凭借化学疗法埃尔利希又获得了1912和1913年诺贝尔奖的提名。由于当时化学疗法刚刚开展，诺奖评委会并未贸然颁奖给他。但埃尔利希的声誉却毫无疑问地达到了顶峰。在法兰克福，埃尔利希研究所所在的街道被命名为保罗•埃尔利希大街；埃尔利希一生共获得了10个荣誉博士的学位，被科学界评价为是一名少见的组织学、有机化学、血液学、免疫学和药物学的跨领域奇才。

1914年第一次世界大战爆发后，埃尔利希心情陷入抑郁，并于当年圣诞节前后发作了中风；1915年8月20日，埃尔利希在巴特洪堡度假中发作第二次中风，不幸逝世，享年61岁。虽然后来人们发现了更好的青霉素来对抗梅毒，但是埃尔利希的卓越才华、谦虚气度以及他首创的化学疗法，将永远被人们所铭记。

1902年，罗纳德•罗斯（Ronald Ross）凭借对疟疾传播机理的发现摘走了第二届诺贝尔医学和生理学奖，这无疑是对罗斯本人忘我工作和辛勤付出的最好嘉奖。不过，平心而论，罗斯能够取得如此成就，显然是“站在了巨人的肩上”，而且他脚下的巨人还不止一位。除了前面曾经提到过的“热带医学之父” 帕特里克•曼森（Patrick Manson）教授之外，法国人拉弗兰也功不可没。

查尔斯•路易斯•阿方斯•拉弗兰（Charles Louis Alphonse Laveran，又译作拉韦朗、拉弗朗）1845年6月18日出生于法国巴黎的一个医学世家，他的父亲和祖父均是医生。18岁时拉弗兰立志追随父亲的从医之路，申请了斯特拉斯堡公共卫生学院并在那里学习了4年。22岁时拉弗兰如愿以偿成为了一名住院医师。1878年他被派往阿尔及利亚，非洲众多的疟疾患者很自然地使拉弗兰将研究重心转向了这种法国并不常见的传染病。

拉弗兰对众多因疟疾而死亡的患者进行了细致的尸检，并很快在死者血液中发现了黑色颗粒。不过，这个发现并不值得兴奋——在那之前，已经有许多研究者描述了同样的发现，只是当时人们还不能确定这种黑色颗粒是不是疟疾患者独有，没能把这种现象与致病病原体联系起来。拉弗兰显然对这种现状并不满意，他决心把这件事彻底弄清楚。在进行了更深入的研究后，拉弗兰终于发现这些颗粒体大小可变，能自由运动，行为酷似某种寄生虫。然而拉弗兰十分谨慎，并不急于公布自己的发现，直到1882年他在意大利的疟疾患者体内发现了同样的病原体后才最终确认这些黑色的小东西就是导致疟疾的罪魁祸首。1884年，拉弗兰发表了《发热疟疾的治疗》（raité des fièvres palustres），文中以480份病例资料为基础详细阐述了这种寄生虫在体内变化、增殖和侵袭的过程。大名鼎鼎的“疟原虫”终于浮出了水面。

可是，学术界却质疑拉弗兰的发现。原来，早在1879年，Klebs和Tommasi Crudeli就已经宣称他们在疟疾流行区的土壤和饮水中发现了疟疾的病原体“疟疾芽孢杆菌”。此后，又有许多意大利学者发表论文肯定了“疟疾芽孢杆菌”的存在，此其一；其二，拉弗兰报告的疟原虫是一种人们从来没有见过的寄生虫，大家对这种致病单细胞真核生物完全一无所知。在病原微生物学飞速发展的十九世纪后期，大批致病微生物被发现：结核病、肺炎、伤寒、白喉、破伤风、炭疽、霍乱……这些致命疾病的病原体无一例外均是细菌。于是，当学者们面对疟疾时，理所当然地认为疟疾大概也是某种细菌感染的产物。在这种环境下，学术界倾向于“疟疾芽孢杆菌”也就毫不奇怪了。疟原虫独特的表现与已知的病原微生物毫无相似之处，人们甚至不知道如何分类它。

不过随着观察和染色技术的进步，人们在不同的动物体内发现了若干种细胞内寄生的原生动物，这些动物与疟原虫的特征类似；另外，拉弗兰的疟原虫在大部分疟疾流行区都获得了证实。到了1889年，主流学术界基本上已经肯定了拉弗兰的发现，认为疟原虫的确为疟疾的病原。而此时的拉弗兰已经在研究疟原虫人体外的生活史。这个过程更为艰难：拉弗兰穷尽办法检测了疟疾病区的土壤，饮水和空气，却始终找不到疟原虫的踪迹。不过这些一无所获的努力也并非毫无价值——这至少意味着疟原虫在人体外并非简单存在于自然环境中。这时，曼森教授关于丝虫病的发现给了拉弗兰相当的提示：既然丝虫可以在蚊虫体内发育，那么疟原虫也可能存在类似的发育阶段。这一想法在多个场合被拉弗兰提及，直到1897年罗斯在疟蚊体内发现了疟原虫的卵囊并据此摘得了诺贝尔奖。

疟原虫的发现使科学家寻找致病生物的范围明显扩大了。到1890年，已经有一系列致病原生动物被发现，其中以锥虫最为出名。在非洲、亚洲和南美洲，锥虫引起了多种动物疫病和人畜共患疾病，最具代表性的就是冈比亚锥虫和罗德西亚锥虫引起的非洲昏睡病（sleeping-sickness）。多位科学家为发现致病原生动物做出了重要贡献，不过拉弗兰仍然是这其中最出色的一位。他比其他学者研究得更加深入，大大拓宽了人类对此类寄生虫形态、生物和病理学行为的认识。他将人工感染的实验动物带回巴黎的实验室进行研究，观察锥虫在大鼠、鱼类、鸟类和爬行动物体内的活动。拉弗兰描述的锥虫种类多达近30种，实际上，整个锥虫属的发现都要归功于他。拉弗兰撰写的专著已经成为原虫病理学方面的权威性著作。

27年间，拉弗兰从未停止过对致病原虫的科学探索。他的工作开拓了人们对致病生物的认识，将细菌之外的单细胞寄生虫带进了人们的视野。特别是在早期那种简陋原始的设备条件下，拉弗兰仍然能够不受固有思维的影响，坚持自己关于原虫的发现，这是非常难能可贵的。疟原虫的发现和其后对疟原虫传播途径的猜想对罗斯的诺贝尔奖更是产生了直接的推动作用，这样的贡献当然不能被遗忘。1907年，就在罗斯获奖之后的5年，诺贝尔奖评委会将第七次诺贝尔生理学和医学奖授予拉弗兰，以表彰他在致病原虫研究领域的杰出贡献。