科學在其最佳狀態下，會揭示非凡之處。它揭示了我們從未想象過的自然奇觀：單個原子的顫動相互作用，傳遞我們感覺的分子運動，以及從超大質量黑洞噴射出的熱氣體射流。
在實驗室和實地，在顯微鏡和望遠鏡下，科學家們努力實現這樣的突破。每兩年，卡弗裡獎都會表彰那些設法一次又一次開闢新道路的科學家。為了瞭解他們是如何做到的，《大眾科學》定製媒體獲得了三位科學家的獨家早期訪問權，他們本週被評為奈米科學、神經科學或天體物理學領域的卡弗裡獎得主。
這些研究人員中的每一位都因誘使大自然放棄緊守的秘密而脫穎而出，無論是透過探測星系的演化，銳化電子顯微鏡產生的影像，還是揭示確保動物和人類接收到疼痛感警告的優雅神經機制。為了揭示是什麼讓這種水平的科學家與眾不同，我們詢問了獲獎者關於獲獎科學是如何發生的看法。
他們分享的故事表明，準備、心態、技術創新和毅力——再加上好奇心、熱情和一些運氣——如何將有時平凡的科學過程轉變為超越發現的旅程。
2020年卡弗裡天體物理學獎獲得者：安德魯·費邊，劍橋大學天文研究所
透過檢查來自超大質量黑洞的X射線資料，安德魯·費邊揭示了它們如何將物質轉化為能量，然後將其噴射到周圍的星系空間。費邊相信偶然發現的力量，他回憶說，追逐一個意想不到的觀察結果如何引導他發現，墜入黑洞的物質可以產生聲波，這一過程會影響星系的演化。
路易·巴斯德說過，機會偏愛有準備的頭腦。也許你注意到資料中的一個小故障——一些不太對勁的東西，看起來與你預測的略有不同。如果你做好了準備，你就可以識別出何時看到一些真正的新事物，這些新事物可能會把你帶到不同的道路上。
大約在2000年，我們開始使用錢德拉X射線天文臺更深入、更詳細地觀察英仙座星系團。當我在2002年檢視我們收集的錢德拉影像時，我發現星系團內部氣體的亮度有微妙的同心波紋。我意識到它們類似於強烈的聲波。這些波紋的間距恰好可以解釋我們觀察到的X射線發出的能量。這意味著聲波正在將能量從星系團中心附近的超大質量黑洞區域傳遞到周圍的氣體中。
這是我們以前從未考慮過的事情。當你拿起一本書並將其扔下時，它的重力勢能會轉化為動能，當書本撞擊地面時，其中一小部分能量會轉化為聲音。在英仙座星系團中，你正在將物質扔到你能找到的最深的洞裡——一個黑洞。這會產生巨大的能量，這些能量可以將氣體推出星系並阻止恆星形成。
宇宙充滿了奇妙的事物——你越仔細觀察，你就會發現越多。
2020年卡弗里納米科學獎共同獲得者：奧德雷·克里瓦內克，Nion公司聯合創始人兼總裁
奧德雷·克里瓦內克與哈拉爾德·羅斯、馬克西米利安·海德和克努特·厄爾班的團隊共同分享了卡弗里納米科學獎，他們各自的進步提高了電子顯微鏡的解析度，使世界各地的科學家能夠逐個原子地視覺化和分析材料。就克里瓦內克而言，他設計了硬體來糾正聚焦顯微鏡電子束的透鏡產生的影像失真。這項成就需要非凡的毅力，以及一步步解決問題的能力。
我們的第一個校正器進入了一臺有20年曆史的顯微鏡。我們只是把它切開，把我們的校正器放進去，把它合上，然後把所有的精力都集中在校正器上。我們不是在追求完美。我們追求的是原理證明——只是表明它是可行的。
我們意識到，一旦你糾正了球差，各種其他小的像差就會開始出現。然後我們必須逐個分析和修復它們。這是一個重要的教訓。你不想同時應付五場火災。對於大型專案，你必須將問題分解為更小的獨立步驟，以增加成功的機會。
一旦我們有了可用的校正器，我們便開始製造自己的顯微鏡。我們看到了驚人的結果——如果我們不關注細節，我們不可能得到這些結果。當一種新型材料出現時——一層厚的石墨烯樣品——我的Nion同事尼古拉斯·德爾比和我飛往橡樹嶺國家實驗室，並登上我們送往那裡的顯微鏡。當時大概是晚上10點，當整幅影像以驚人的清晰度出現時。
你可以看到每一個原子。我們可以即時觀察原子的重新排列。這是一個啟示。我從顯微鏡上退下來，對我的夥伴說：“我們製造了一個——有一個以‘F’開頭的詞——好顯微鏡。”
2020年卡弗裡神經科學獎共同獲得者：大衛·朱利葉斯，加利福尼亞大學舊金山分校
大衛·朱利葉斯與阿爾德姆·帕塔普蒂安共同分享了卡弗裡神經科學獎，以表彰他們識別出我們感知機械壓力和溫度能力的分子機制。朱利葉斯使用辣椒素——使辣椒產生刺激性味道的化學物質——識別出一種蛋白質，該蛋白質透過檢測熱量、炎症和疼痛來保護我們免受傷害，並且可能導致新的更好的止痛藥。這一發現需要願意冒險去追求一些沒有人確定存在的東西。
誰不好奇為什麼辣椒看起來有刺激性？這是科學中的事情之一，你知道這裡有一個謎，如果你解決了它，它會非常迷人。我決定，如果我要進入疼痛生物學領域，那麼問一下辣椒素起作用的分子受體是否真的存在將非常有趣。
當邁克·卡特里納作為博士後研究員來到實驗室時，我說：“你看，這有風險，但如果我們這樣做，它會非常令人興奮。”邁克和我討論了一些想法，然後把這個克隆篩選放在一起。它依賴於這樣的想法，即如果你取一個非神經元細胞，然後將編碼辣椒素受體的基因轉移到其中——然後用辣椒素啟用它——它會讓鈣進入細胞。已故的羅傑·錢發明了熒光染料，可以讓你檢測到這樣的事件。
有一天，邁克說：“我想給你看點東西。”我們走進了暗室。細胞都有些暗淡。然後他放上辣椒素，突然間，一小簇細胞突然亮了起來，變成了美麗的微紅色。我說，“你已經克隆了它！”這是一個令人驚歎的時刻——也是科學家如何利用天然產物來理解我們神經系統中的關鍵訊號機制的一個很好的例子。
當你有了一個你充滿熱情的問題時，總是值得重新審視的。當然，知道何時放棄有一定的藝術性。但我認為，為一些可能具有變革意義的事情冒險是值得的。