最難回答的20大科學問題

07-07

從宇宙的奧秘到人為什麼會做夢，人類至今依然有許多難題沒有得到解答。而近日英國《衛報》進行了一些有益的嘗試——他們試圖解答位列前排的那幾十大科學問題。這些謎題既可以說是科學巨輪前進方向上的燈塔，卻也未嘗不是所有「航海者」——科學家們的終極「噩夢」。

這就是當今人們最該知道卻最難於回答的20個科學問題。

問題一：宇宙由何組成？

儘管天文學作為一門科學，已經有了幾百年的歷史，但是天文學家們至今依然無法解決一個尷尬問題——那就是回答宇宙的95%是由什麼組成的。

我們周圍由原子構成的、可見的世界，其物質總量僅僅佔到宇宙的5%。經過以往80年的研究，人們終於確定是兩種隱形的存在——暗物質和暗能量組成了那些剩餘。暗物質首先於1933年被發現，它就像一種無形的膠水，將星系、星雲粘合為一體。暗能量則直到1998年才為人所知，它是宇宙加速膨脹的推手。天文學家確信，他們已經越來越接近揭開這些神秘存在的真實身份的那一天。

問題二：生命打哪兒來？

40億年前，地球混沌一片的原始環境中，生命最初級的形態開始湧動。若干最基本的化學元素相互聚集，並開始了生化反應，最終產生了第一批可以自我複製的分子。而人類正是這些分子演進後的造物。

不過這裡有一個問題，彼時那些基本化學元素是如何自發排列出生命的形式？人類如何以及從何獲取了DNA？世界上第一個細胞是什麼樣子？這個問題即便在化學家斯坦利·米勒「原生湯」理論提出一百多年後，依然眾說紛紜。有人堅持認為生命來自火山邊上的熱水池，有人則更相信是隕石帶來了生命。

問題三：銀河存知己？

問題的答案或許為「否」。

一直以來，天文學家在宇宙中搜索地球可能存在的同類。尤其那些水以液態存在、可能產生生命的星球，如木衛二、火星甚至遙遠的系外行星。功能強大的射電望遠鏡始終監控著宇宙中的資訊。1977年，它們還接收了一個可能為外星人發出的信號。與此同時，天文學家們也在不停地掃描目標星體可能具有的大氣層，以期尋找到氧氣和水。隨著技術的不斷發展，接下來的數十年，或許將成為天文學家的狩獵季，僅在銀河系內就有著近600億個潛在的目標。

問題四：我們緣何如此特殊？

如果僅僅從DNA上看，人類並不見得具有超越其它動物的特點。例如，人類基因組與黑猩猩有高達99%的相似，甚至跟香蕉也看起來差不多。而此前許多被認為是將人類與動物區分出來的特徵，比如語言、使用工具、辨認鏡中的自己等等，一些動物都可以做到。

之所以我們沒有與動物混為一談，首先在於我們有著發達的大腦——人類大腦中的神經元數量是大猩猩的三倍。其次或許就是我們的文化，以及它與基因之間的相互作用。當然，也有學者認為對火的利用及其衍生的熟食習慣幫助了大腦的發育。此外，群居合作、交流、交換技術也促使我們脫穎而出，成為這個星球的主人。

問題五：意識是個什麼東西？

這個問題現在沒有確切的答案。我們只知道，意識並不屬於大腦的一部分，它實際上是由大腦不同的區域共同作用而產生。研究意識的問題，一條可行的思路是，循著摸清到底大腦的哪些區域參與了作用機制，以及神經系統的工作原理來展開。另外藉助人工智慧構建出一個高度模擬的模擬大腦，也可能有所裨益。

不過，這些並不能從哲學層面回答意識存在的意義。一個合理的解釋是，意識存在的目的，是説明人類更好地適應生存。對於感官獲得的外界資訊，大腦並非簡單地做出反應，而是通過整合、篩選、加工外來的資訊，為人們甄別當下的現實，想像絢爛的未來提供支援。

問題六：人為何會做夢？

人生苦短，其中還要拿出三分之一的時間來睡眠。不過即便花了這麼多時間來睡覺，人們對睡眠的許多事情依然一無所知。科學家們就在試圖解釋為什麼會睡覺和做夢。佛洛德理論的信徒們認為，夢表達了尚未實現的願望，而這些通常跟性有關。也有人相信夢只不過是休息中的大腦某些混沌的思維。

如今，動物實驗以及腦成像技術的發展，已經令我們認識到夢對於人類記憶、學習和情感都會產生影響。比如，實驗顯示老鼠會在夢中重現自己清醒時的經歷。目的應該是説明自己在經常會被放入的迷宮中找到出口。

問題七：物質是怎麼回事？

關於這個問題的解釋，或許會令人有些頭疼。首先，構成人體的東西叫物質，它有一個和自己只存在電荷上的差異、名為反物質的「親生兄弟」。不過兩者最好是老死不相往來，因為相遇只會導致湮滅和消失。

為什麼會有這種兄弟倪牆的情況，合理的解釋是，大爆炸造就了數量相當的正、反物質。因而一旦物質遇到它所對應的反物質，兩者就會同歸於盡，只留下能量。

不過，就我們所在的宇宙而言，物質似乎更受造物主的偏愛，否則也就不會有人類的存在。至於為什麼會這樣，物理學家們正利用大型強子對撞機實驗提供的資料來追尋答案，並將超對稱性和中微子作為兩個最具可能的突破點。

問題八：一個，還是一群宇宙？

宇宙的存在，本身就是一個奇跡。所有必須的條件在同一時間恰好具備，哪怕有一點微小的設定更改，或許就不會有我們這樣的生命存在。而從另一方面來講，其他不同的設定條件下，是否會產生其他的結果。為了解決這個「微調」的問題，物理學家們的研究正日漸轉向「其他的宇宙」。

按照設想，如果有無數個宇宙存在於多元宇宙之中，那麼這意味著每一種條件的組合，都會產生一個結果——就像人類所生存的這個宇宙一樣。這聽起來可能有些瘋狂，但宇宙學、量子物理學提供的證據正佐證這個方向。

問題九：碳排放，放在哪？

碳排放現在是個熱門詞彙，那麼為了地球的環境著想，碳最好排放到哪裡去呢？

在過去的數百年裡，人類把地下的化石燃料作為工業的血液加以利用，而所排出的二氧化碳，則塞滿了整個大氣層。如今，氣候變暖的壓力之下，我們想要物歸原主，把碳送回它們一開始來的地方，比如埋進廢棄的油氣田，或者深藏海底。不過，我們並不能保證這些方法會萬無一失。在處理舊麻煩的同時，我們還必須保護森林、沼澤等自然界真正長久儲放碳的地域，並積極開發利用低碳、無碳的清潔能源與新能源。

問題十：太陽能否給予我們更多？

碳排放的壓力，正迫使人們在控制石化原料消耗的同時，尋找一種新的能源供給。太陽，這顆距離我們最近的恆星，就提供了多種方案。首先我們已經在利用太陽能產生電力。此外，利用日光能量對水進行分解，得到氧氣、氫氣也不失為一條好的途徑。氫氣能夠成為未來燃料電池汽車的動力來源。此外，科學家們也一直沒有放棄對「無盡能源」核聚變的研究，希望這些方法可以解決人類對能源的不竭渴求。

問題十一：質數它怎麼了？

數學不靈光的人，一般對質數沒有什麼興趣，但是他們之所以能夠安全地網上購物，靠的正是這些只能被自己和一整除的數字保駕護航。

資訊安全是電子商務的核心。網際網路專家們就通過將質數做成金鑰來保護企業和客戶的機密資訊。不過，雖然質數對我們的日常生活起著至關重要的作用，它本身在學術上依然是個未解之謎。研究質數在自然數中分佈規律的黎曼假設，幾百年來一直吸引著最聰明的數學天才的目光，但至今無人可以給出完美解答。當然，某個懷揣不法之心的人的成功之日，或許將是電子商務的末日。

問題十二：細菌能否徹底被擊敗？

自弗萊明爵士於1929年發現青黴素起，抗生學便成為醫學重要組成部分之一。而他這項令其捧得諾貝爾獎的重大發現，第一次令人類在與細菌的萬年戰爭中佔到了一次上風。一批能夠抵禦最致命疾病的藥物出現，手術、移植和化療等醫療手段由設想化為現實。

現在，近一百年過去了，弗萊明的這份遺產開始出現了問題。隨著細菌的「與時俱進」，僅在歐洲，每年就有大約25萬人死於多重耐藥病菌。此外，不僅藥物的供應管道被詬病了幾十年，抗生素的濫用更是將問題變得更糟——美國80%的抗生素竟然被用於刺激家畜的生長。

幸運地是，基因測序技術正在幫助人類開發出細菌無法適應的抗生素。這些新藥的研製方法或許聽起來有些不善，比如從排泄物中「收編」良性細菌，又或從深海中尋找新型細菌，這些都令我們有機會在這場與有機物的軍備競賽中，取得領先。

問題十三：電腦的極限在哪？

摩爾定律的存在，讓電腦的發展成為一列停不下來的火車。今天我們人手一部的平板電腦和智慧手機，比1969年美國人登月時所使用的電腦強大了不知多少倍。

但現在我們需要考慮這樣一個問題，在體積小型化日漸極端時，如何能夠持續不斷地提高電腦的能力。當處理器晶片的物理空間即將壓榨殆盡，電腦製造商是不是可以考慮一種新的設計思路？或者開發類似石墨烯、量子計算等新材料和新系統？

問題十四：治癒癌症可能嗎？

直白地說，不會。因為癌症實際上並非單一的疾病，而是一種數百種的疾病因素的鬆散組合。早在恐龍時期就業已存在的癌症，肇始於各種基因缺陷，每個人都無法避免罹患癌症的風險。生命延續的時間越長，身體出現各種問題的可能性就越大。原因在於癌症也和我們一樣，不斷為了生存而進化著。

不過，魔高一尺道高一丈。雖然癌症是一個複雜的存在，人類依然依靠遺傳學研究，日益瞭解、把握其誘發的原因以及擴散的方式。針對癌症的治療和預防措施也日臻豐富。事實上，每年全球370萬例癌症病例中的一半以上，都是可預防的。基本措施包括戒煙戒酒，控制飲食，保持鍛煉，避免長時間日曬等等。

問題十五：機器人服務於人的時代？

如今的機器人技術，已經達到提供飲料、搬運行李等簡單任務的程度。而與人類的社會分工一樣，機器人的發展，將衍生出精於某一單項技能的專業工人：它們能按照你的亞馬遜訂單安排發貨，熟練地擠牛奶，整理電子郵件，載著你往返於機場不同的候機室。

不過，儘管有了這樣快速的進步，我們仍舊需要攻破機器人技術最大的一個瓶頸——人工智慧。如果沒有極高的自我思維能力，人們很難會完全放心地交給機器人獨自照顧老人這樣的任務。目前，日本已經計畫於2025年前實現機器人照顧老人的設想，不過對此依然需要我們進行更細緻的思索。

問題十六：海底究竟有什麼？

自出現在地球上，人類的生存發展一直與海洋休戚相關。但是直到今天，整個地區海洋中的95%依然沒有人類涉足的痕跡。廣袤的海洋深處，到底有什麼？

尋找該問題答案的嘗試，從未間斷。1960年，唐納德·沃爾什與雅克·皮卡德藉助深海潛艇，下潛了海面以下7英里處。這次探索極大地推進了深海研究的進程，不過限於當時的條件，他們並未獲得太多的結果。

由於對潛水設備的高要求以及人類身體的脆弱性，很多時候，我們只能依靠深潛機器人去執行任務，並且得到了許多新奇的發現。然而與整個海洋相比，這僅僅只是那個水下世界神奇魅力的九牛一毛。

問題十七：黑洞的真相是什麼？

目前回答這個問題是不可能的，理由之一是找不到可以承擔研究任務的工具。不過我們可以從理論上著手。根據愛因斯坦廣義相對論，恆星在壽命完結之後形成黑洞，這是一個持續不斷的坍縮過程，最終將得到一個無限小的極高密度點，即「奇點」。

只是，量子物理學家對此或許並不持贊同意見。作為廣義相對論的對手，量子物理學數十年來從未表露絲毫願意與前者「同流合污」的意思。不過，拋開雙方對彼此的成見，一個被稱為M理論的研究成果，或許能夠回答黑洞中心到底有什麼的謎題，揭開這個宇宙最極端造物的真面目。

問題十八：長生不老行不行？

當今社會，科技的發展一日千里，這也給我們造成了一種感覺：衰老或許不是生物的必然宿命，相反，它是一種能夠藉助醫學技術治療預防或者暫緩的疾病。

導致衰老的原因是什麼？為什麼某些特定生物的壽命長於其他？對於這些問題，儘管我們尚未釐清所有細節，但所掌握的答案已然越來越多——DNA損傷，老化、新陳代謝和優育之間的平衡，基因於其間的作用等等。這些都在逐漸組成一幅宏偉、完善的圖景，或許還能夠幫助人類改進藥物療法。

不過，與其追求活得長久，倒不如提高這種長壽的品質。像糖尿病、癌症等許多疾病都屬於老年病範疇，因而治療這些老年病本身或許就是一個切入點。

問題十九：人口如何不再是個問題？

自從上世紀60年代起，這個星球上的人口數量增加了一倍。而在現在70多億的基礎上，到2050年將會達到90億。地球所能提供的空間是有限的，彼時人類如何提供充足的食物和燃料自給自足？

這不是一個玩笑，而是一個需要認真思考的問題——不管是考慮火星移民，還是向地下拓展生存空間，抑或加快生物農業技術的發展。

問題二十：時間穿梭有可能嗎？

實際上已經有人實現了這種可能。按照狹義相對論的說法，環繞軌道運動的國際空間站中的宇航員，他們對於時間的感受，就要比地球上的同類們慢。當然，雖然空間站的速度已經夠快，若要實現時間穿梭，依然差得很遠。不過，如果能夠做到持續加速，人類實現縱觀千年也絕非不可能。

自然規律認定，人不可能踏進同一條河流。但物理學家們不這麼想。他們已經制定了藉助蟲洞以及太空船實現時光回溯的藍圖。那時，你可以自己給過去的自己送上一份聖誕禮物，或是找到宇宙未解之謎的答案。