科学在其最佳状态下，会揭示非凡之处。它揭示了我们从未想象过的自然奇观：单个原子的颤动相互作用，传递我们感觉的分子运动，以及从超大质量黑洞喷射出的热气体射流。
在实验室和实地，在显微镜和望远镜下，科学家们努力实现这样的突破。每两年，卡弗里奖都会表彰那些设法一次又一次开辟新道路的科学家。为了了解他们是如何做到的，《大众科学》定制媒体获得了三位科学家的独家早期访问权，他们本周被评为纳米科学、神经科学或天体物理学领域的卡弗里奖得主。
这些研究人员中的每一位都因诱使大自然放弃紧守的秘密而脱颖而出，无论是通过探测星系的演化，锐化电子显微镜产生的图像，还是揭示确保动物和人类接收到疼痛感警告的优雅神经机制。为了揭示是什么让这种水平的科学家与众不同，我们询问了获奖者关于获奖科学是如何发生的看法。
他们分享的故事表明，准备、心态、技术创新和毅力——再加上好奇心、热情和一些运气——如何将有时平凡的科学过程转变为超越发现的旅程。
2020年卡弗里天体物理学奖获得者：安德鲁·费边，剑桥大学天文研究所
通过检查来自超大质量黑洞的X射线数据，安德鲁·费边揭示了它们如何将物质转化为能量，然后将其喷射到周围的星系空间。费边相信偶然发现的力量，他回忆说，追逐一个意想不到的观察结果如何引导他发现，坠入黑洞的物质可以产生声波，这一过程会影响星系的演化。
路易·巴斯德说过，机会偏爱有准备的头脑。也许你注意到数据中的一个小故障——一些不太对劲的东西，看起来与你预测的略有不同。如果你做好了准备，你就可以识别出何时看到一些真正的新事物，这些新事物可能会把你带到不同的道路上。
大约在2000年，我们开始使用钱德拉X射线天文台更深入、更详细地观察英仙座星系团。当我在2002年查看我们收集的钱德拉图像时，我发现星系团内部气体的亮度有微妙的同心波纹。我意识到它们类似于强烈的声波。这些波纹的间距恰好可以解释我们观察到的X射线发出的能量。这意味着声波正在将能量从星系团中心附近的超大质量黑洞区域传递到周围的气体中。
这是我们以前从未考虑过的事情。当你拿起一本书并将其扔下时，它的重力势能会转化为动能，当书本撞击地面时，其中一小部分能量会转化为声音。在英仙座星系团中，你正在将物质扔到你能找到的最深的洞里——一个黑洞。这会产生巨大的能量，这些能量可以将气体推出星系并阻止恒星形成。
宇宙充满了奇妙的事物——你越仔细观察，你就会发现越多。
2020年卡弗里纳米科学奖共同获得者：奥德雷·克里瓦内克，Nion公司联合创始人兼总裁
奥德雷·克里瓦内克与哈拉尔德·罗斯、马克西米利安·海德和克努特·厄尔班的团队共同分享了卡弗里纳米科学奖，他们各自的进步提高了电子显微镜的分辨率，使世界各地的科学家能够逐个原子地可视化和分析材料。就克里瓦内克而言，他设计了硬件来纠正聚焦显微镜电子束的透镜产生的图像失真。这项成就需要非凡的毅力，以及一步步解决问题的能力。
我们的第一个校正器进入了一台有20年历史的显微镜。我们只是把它切开，把我们的校正器放进去，把它合上，然后把所有的精力都集中在校正器上。我们不是在追求完美。我们追求的是原理证明——只是表明它是可行的。
我们意识到，一旦你纠正了球差，各种其他小的像差就会开始出现。然后我们必须逐个分析和修复它们。这是一个重要的教训。你不想同时应付五场火灾。对于大型项目，你必须将问题分解为更小的独立步骤，以增加成功的机会。
一旦我们有了可用的校正器，我们便开始制造自己的显微镜。我们看到了惊人的结果——如果我们不关注细节，我们不可能得到这些结果。当一种新型材料出现时——一层厚的石墨烯样品——我的Nion同事尼古拉斯·德尔比和我飞往橡树岭国家实验室，并登上我们送往那里的显微镜。当时大概是晚上10点，当整幅图像以惊人的清晰度出现时。
你可以看到每一个原子。我们可以实时观察原子的重新排列。这是一个启示。我从显微镜上退下来，对我的伙伴说：“我们制造了一个——有一个以‘F’开头的词——好显微镜。”
2020年卡弗里神经科学奖共同获得者：大卫·朱利叶斯，加利福尼亚大学旧金山分校
大卫·朱利叶斯与阿尔德姆·帕塔普蒂安共同分享了卡弗里神经科学奖，以表彰他们识别出我们感知机械压力和温度能力的分子机制。朱利叶斯使用辣椒素——使辣椒产生刺激性味道的化学物质——识别出一种蛋白质，该蛋白质通过检测热量、炎症和疼痛来保护我们免受伤害，并且可能导致新的更好的止痛药。这一发现需要愿意冒险去追求一些没有人确定存在的东西。
谁不好奇为什么辣椒看起来有刺激性？这是科学中的事情之一，你知道这里有一个谜，如果你解决了它，它会非常迷人。我决定，如果我要进入疼痛生物学领域，那么问一下辣椒素起作用的分子受体是否真的存在将非常有趣。
当迈克·卡特里纳作为博士后研究员来到实验室时，我说：“你看，这有风险，但如果我们这样做，它会非常令人兴奋。”迈克和我讨论了一些想法，然后把这个克隆筛选放在一起。它依赖于这样的想法，即如果你取一个非神经元细胞，然后将编码辣椒素受体的基因转移到其中——然后用辣椒素激活它——它会让钙进入细胞。已故的罗杰·钱发明了荧光染料，可以让你检测到这样的事件。
有一天，迈克说：“我想给你看点东西。”我们走进了暗室。细胞都有些暗淡。然后他放上辣椒素，突然间，一小簇细胞突然亮了起来，变成了美丽的微红色。我说，“你已经克隆了它！”这是一个令人惊叹的时刻——也是科学家如何利用天然产物来理解我们神经系统中的关键信号机制的一个很好的例子。
当你有了一个你充满热情的问题时，总是值得重新审视的。当然，知道何时放弃有一定的艺术性。但我认为，为一些可能具有变革意义的事情冒险是值得的。