科學20大問題

黑洞底部是什麼?見問題17。攝影: Alamy1 宇宙是由什麼組成的？天文學家們面對著一個令其窘迫的難題：他們不知道宇宙的95%是由什麼組成的。構成我們周圍一切可見之物的原子，只佔了宇宙的5%。過去80年間已變得逐漸明朗，組成剩下的那一大塊的，是兩種飄渺的存在——暗物質和暗能量。前者在1933年時首次被發現，它像是一種無形的膠水，把星系與星系團粘連在一起。後者在1998年時被公佈於眾，它不停地推動著宇宙的加速膨脹。天文學家們揭開這些看不見的闖入者的真實身份已是指日可待。2 生命是怎麼開始的？四十億年前，有東西開始在原生湯里攪動。一些基本的化學元素聚集在一起創造了生物——第一批能夠自我複製的分子出現了。我們人類正是從這些早期的生物分子進化而來。但早期地球上存在的基本化學元素是怎樣自發的將自己排列成生命形式的呢？我們是如何獲得DNA的？第一個細胞是什麼樣子的？在化學家斯坦利·米勒提出「原生湯」理論的一個多世紀後，我們還是無法對發生了什麼達成共識。一些人講生命始於火山邊上的熱水池內，另一些說由隕石撞進海里而激發的。3 我們獨自存在於宇宙中嗎？

或許不是。天文學家在宇宙中搜索尋找一處其水生態可能產生生命的地方，從太陽系中的木衛二和火星，一直找到許多光年以外的行星。射電望遠鏡一直在竊聽著天外的信息，並於1977年時聽到一個帶有可能是外星信息印記的信號。天文學家們現在已能夠掃描外星世界的大氣層（如果有），尋找氧氣和水。接下來的數十年將會是成為外星獵人的大好時光，僅在銀河系內我們就可能探索到近600億個潛在的可居住星球。4 是什麼讓我們成之為人？

光盯著DNA看不會告訴你答案：人類基因組和黑猩猩的有99%的相似，事實上和香蕉的也有50%的相似。我們倒是比大多數動物有著更大的腦袋，即使不是最大，但我們腦中神經元的數量是大猩猩腦中的三倍（確切說有860億個）。許多我們曾經認為能把自己區分出來的優勢——語言，工具的使用，認出鏡中的自己——都已在其他動物身上發現。或許是我們的文化，以及它對我們基因的後天作用（反之亦然），使我們不同。科學家認為烹飪以及我們對火的掌控可能幫助了我們開發大腦。但也有可能是我們合作與技能交換的能力才使我們取代了猿人，而主宰著這個星球。5 知覺是什麼?我們還不是很確定。我們知道的是，它並非由腦中的某一部分，而是通過不同的大腦區域共同聯絡所產生的。我們的思路是，如果我們知道了是腦中的哪些區域在發揮作用以及神經元迴路是如何工作的，我們就會明白知覺是怎麼產生的，依靠人工智慧並試圖構建每個神經元而模擬出一個完整大腦（的實驗）可能會有所幫助。但更難回答，更具哲學性的問題是，為什麼凡事都得先有知覺？一個合理的假設是，通過整合與加工許多信息，以及對它們的聚焦和屏蔽，而不是單純地對轟炸著我們的感官輸入做出反應，我們能夠分辨出事物的虛實，以及想像出豐富的未來場景，幫助我們更好地適應與生存。6 我們為什麼做夢？我們生命大約三分之一的時間是在睡眠中度過的。鑒於我們花了這麼多時間睡覺，你可能認為我們會對睡眠清楚得了如指掌。但實際上科學家們仍然在試圖完整地解釋我們為什麼睡覺和做夢。西格蒙德·弗洛伊德理論的信奉者們相信夢是對未實現願望的表達——通常跟性有關——也有人懷疑夢境是否只是沉睡中的大腦的奇思妙想。動物實驗和腦成像技術的發展已使我們更為複雜地認識到做夢，對我們的記憶，學習和情感都會產生影響。比方說，老鼠就已經被證明會在夢中重現它們清醒時的經歷，這個顯然是為了幫助它們解決像導航迷宮這樣的複雜的任務。7 為什麼會有東西?

你真不應該看到這裡的。構成你的「東西」是物質，它有一個叫做反物質的對應物，和它只存在電荷上的差異。兩者相遇時，會同時消失在能量衝撞的一瞬。我們最合理的理論假設是，大爆炸產生了等量的兩者，這就意味著一切物質一旦遇到它所對應的反物質，兩者就會同時湮滅，從宇宙中消失而只留下能量。但顯然自然對物質存有微妙的偏好，不然也不會有你的存在了。研究人員正在從像大型強子對撞機這樣的實驗中篩選數據，將超對稱性和中微子作為兩個主要的競爭者，來弄明白個究竟。8 有其他的宇宙嗎？我們的宇宙是個千載難逢的地方。改變哪怕是它的一丁點兒設置我們所知的生命就無法生存了。為了解決這個「微調」問題，物理學家們正日漸轉向研究其他宇宙這個概念。如果在「多元宇宙」內存在無數個宇宙，那麼對設置的所有組合中必將有一些行不通，你也理所當然地會發現自己身處於某一個允許你生存的宇宙中。這聽著可能有些瘋狂，但來自宇宙學和量子物理學的證據正指向那個方向。9 我們把碳都放哪兒去？過去幾百年里，我們通過對曾經將碳封藏在地表之下的化石燃料的燃燒，排放出二氧化碳，填滿了大氣層。現在我們要把那些碳都放回原處，否則就得冒氣候變暖的險。但我們要怎麼做呢？一個想法是把它埋進舊的油氣田裡。或者把它藏到海底。但我們不知道它會在那兒呆多久，或者會引起什麼別的風險。同時，我們還必須保護像森林和泥潭沼澤這樣自然而長久的碳儲存地，並開始製造不會產生更多排放的新能源。10 我們如何從太陽獲得更多能量？

減少化石燃料供應意味著我們需要一種供給地球動力的新方法。距離我們最近的恆星提供了不止一種的可行方案。我們已經在利用太陽的能量來生產太陽能。另一種想法是用日光中的能量將水分解為氧氣和氫氣，氫氣可以用來作為將來汽車的清潔燃料。科學家們也在開發一種新的能源解決方案，它要求進入恆星內部來重現這一過程——它們正在建造一台核聚變機。但願這些方案能夠滿足我們對能源的需求。11 質數有什麼神奇的？你之所以可以安全網購正是質數的功勞，這些只能被自己和一除盡的數字。公鑰加密是互聯網商務的脈搏，它正是通過將質數做成密鑰從而保護你的高度機密信息不受窺探。然而，儘管它們對我們的日常生活至關重要，質數們還是一個未解的謎。研究質數（在自然數中的）分布規律的黎曼假設，幾個世紀來吸引著數學界中最聰明的頭腦為之苦思冥想。可是至今仍無人能夠解釋它們的神奇之處。要真有人成功了可能也只是會破壞互聯網。12 我們如何擊敗細菌？

抗生素是現代醫學中的一個奇蹟。為亞歷山大·弗萊明爵士（於1929年發現了青黴素）贏得諾貝爾獎的這一發現帶來了能夠抗爭一些最致命疾病的藥物，並使手術、移植和化療成為了可能。但這份饋贈現在也受到了質疑—歐洲每年有大約25,000人死於多重耐葯菌。我們的藥物供應渠道已經被唾罵了幾十年，而抗生素的開藥過量和濫用更是雪上添霜——據估計美國80%的抗生素被用於刺激家畜生長。謝天謝地的是，基因測序的發明正在幫助我們研製出細菌無法抵擋住的抗生素。研發新藥物的同時，這可能聽著噁心，但移植排泄物中的「良性」細菌，和在深海中尋找新型細菌這些方法，可能使我們在這場與有機體的軍備競賽中領先30億年。13 電腦能不斷變快嗎？我們的平板電腦和智能手機是比1969年時宇航員帶上月球的電腦具備更強計算能力的微型計算機。但如果我們想不斷增加隨身攜帶在口袋裡的計算容量，要怎麼做呢？一塊電腦晶元上只裝得下這麼多的部件。己經達到極限了嗎？還是能用別的辦法來造一台電腦？科學家們正在考慮使用新型材料，比如碳原子薄片—石墨烯，和量子計算等新系統。14 有朝一日我們會治癒**癌症**嗎？

簡短的回答是不會。癌症不是單一的一個疾病，而是由數百種不固定的疾病組合而成。它在恐龍時期就已存在，由各種基因所導致，罹患癌症的風險已根植在我們每個人的體內。我們活得越久，身上什麼地方以任意方式出現差錯的可能性就越大。因為癌症是個活物，不斷進化以求生存。但儘管它極為複雜，我們還是在通過遺傳學，越來越深入地了解到其引發原因和擴散方式，並在癌症的治療和預防上日漸取得進展。並要清楚這點：多達半數的癌症—370萬例每年—都是可預防的；戒煙，戒酒，適度飲食，經常運動，避免長時間暴露在正午的日晒中。15 我什麼時候能有個機器人管家？

機器人已經能夠做到提供飲料和搬運手提箱。現代機器人技術可以為我們帶來擁有單項技能的機器人「職工」：它們根據你的亞馬遜訂單準備好交貨，幫你的奶牛擠奶，給你的電郵分門別類，為你在機場航站樓間提供擺渡。但一個真正「智能的」機器人要求我們突破人工智慧的局限。比較實在的問題是你會留你的機器人管家獨自在家照看你的奶奶嗎？日本計劃於2025年前實現由機器人助手來照顧老人。我們還在仔細思考這個問題。16 海底是什麼?海洋中95%的區域還未被勘探。海底究竟是什麼？1960年時，唐納德·沃爾什和雅克·皮卡德（坐潛艇）下潛了7英里（約合11265米），去到海底最深處尋找答案。他們的航行推進了人類奮鬥的極限，但也只給他們帶去了對海底生活的一瞥。要到達海底相當困難，多數情況下我們都是靠發送無人潛水器作為偵察兵。我們目前的發現——從頭部透明的桶眼魚這樣的怪魚，到也許能夠用於治療痴呆症的甲殼類——只是隱藏在水面底下那個奇異世界的一小部分。17 黑洞底部是什麼?

對於這個問題我們現在還沒有工具來提供答案。愛因斯坦的廣義相對論認為，當一個壽命將盡，坍縮中的大質量恆星形成黑洞時，它會繼續坍縮成一個無限小，無限密緻的點，稱為「（引力）奇點」。但在如此規模下量子物理學恐怕有話要講了。儘管廣義相對論和量子物理學從沒和平相處過——幾十年來它們都抵制著所有試圖統一它們的嘗試。但近來一個叫做M理論的概念也許有朝一日能為這個宇宙最為極端的創作的不曾為人所見的中心提供解釋。18 我們能永生嗎?我們生活在一個了不起的時代：我們開始認為「變老」並非是命中注定，而是一個可以治療，也許還能預防，或至少是推遲很久很久的一種疾病。我們對於是什麼導致我們變老，和是什麼使得一些動物活得比其他動物長的知識正在迅速增加。儘管我們還沒弄清楚全部細節，但我們正在搜集關於DNA損傷，老化、代謝和適育間平衡，及其基因調節的資料，試圖拼出一幅更完整的圖片，並可能帶領我們得出藥物療法。但真正的問題不是我們怎麼活得更久，而是我們如何高質量地活得更久。而且既然像糖尿病和癌症等許多疾病都是老年病，治療老年化本身可能就是解決問題的關鍵。19 我們怎麼解決人口問題?

我們星球上現在的人口數量已經比1960年代時翻了個倍，增加到了70多億，並據估計到2050年時會至少有90億人口。我們要住到哪去？怎麼為不斷增加的人口供應足夠的食物和燃料？也許我們能把人都送到火星上去，或者開始在地下建造公寓大樓。我們甚至可以開始喂自己吃試管肉。這些解決方案可能聽著很科幻，但或許是時候我們認真地考慮下了。20時空旅行可能嗎?時空旅行者們已經行走在我們中間了。根據愛因斯坦的狹義相對論，繞軌道飛行的國際空間站中的宇航員體驗到的時間流逝會更慢。在那個速度下作用微乎其微，但如果增加速率，其產生的作用就意味著有朝一日人類將可能穿越到數千年後的未來。自然似乎不太樂意人們往後走回到過去，但物理學家已經精心繪製了一份藍圖，利用蟲洞和宇宙飛船將人們送到過去。它甚至還能讓你親手遞給自己一份聖誕禮物，或是回答宇宙中的一些未解之謎。
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