英国媒体解读当今最难回答的20个大科学问题

来源：中国科学报

从宇宙的奥秘到人为什么会做梦，人类至今依然有许多难题没有得到解答。而近日英国《卫报》进行了一些有益的尝试——他们试图解答位列前排的那几十大科学问题。这些谜题既可以说是科学巨轮前进方向上的灯塔，却也未尝不是所有“航海者”——科学家们的终极“噩梦”。

这就是当今人们最该知道却最难于回答的20个科学问题。

问题一：宇宙由何组成？

尽管天文学作为一门科学，已经有了几百年的历史，但是天文学家们至今依然无法解决一个尴尬问题——那就是回答宇宙的95%是由什么组成的。

我们周围由原子构成的、可见的世界，其物质总量仅仅占到宇宙的5%。经过以往80年的研究，人们终于确定是两种隐形的存在——暗物质和暗能量组成了那些剩余。暗物质首先于1933年被发现，它就像一种无形的胶水，将星系、星云粘合为一体。暗能量则直到1998年才为人所知，它是宇宙加速膨胀的推手。天文学家确信，他们已经越来越接近揭开这些神秘存在的真实身份的那一天。

问题二：生命打哪儿来？

40亿年前，地球混沌一片的原始环境中，生命最初级的形态开始涌动。若干最基本的化学元素相互聚集，并开始了生化反应，最终产生了第一批可以自我复制的分子。而人类正是这些分子演进后的造物。

不过这里有一个问题，彼时那些基本化学元素是如何自发排列出生命的形式？人类如何以及从何获取了DNA？世界上第一个细胞是什么样子？这个问题即便在化学家斯坦利·米勒“原生汤”理论提出一百多年后，依然众说纷纭。有人坚持认为生命来自火山边上的热水池，有人则更相信是陨石带来了生命。

问题三：银河存知己？

问题的答案或许为“否”。

一直以来，天文学家在宇宙中搜索地球可能存在的同类。尤其那些水以液态存在、可能产生生命的星球，如木卫二、火星甚至遥远的系外行星。功能强大的射电望远镜始终监控着宇宙中的信息。1977年，它们还接收了一个可能为外星人发出的信号。与此同时，天文学家们也在不停地扫描目标星体可能具有的大气层，以期寻找到氧气和水。随着技术的不断发展，接下来的数十年，或许将成为天文学家的狩猎季，仅在银河系内就有着近600亿个潜在的目标。

问题四：我们缘何如此特殊？

如果仅仅从DNA上看，人类并不见得具有超越其它动物的特点。例如，人类基因组与黑猩猩有高达99%的相似，甚至跟香蕉也看起来差不多。而此前许多被认为是将人类与动物区分出来的特征，比如语言、使用工具、辨认镜中的自己等等，一些动物都可以做到。

之所以我们没有与动物混为一谈，首先在于我们有着发达的大脑——人类大脑中的神经元数量是大猩猩的三倍。其次或许就是我们的文化，以及它与基因之间的相互作用。当然，也有学者认为对火的利用及其衍生的熟食习惯帮助了大脑的发育。此外，群居合作、交流、交换技术也促使我们脱颖而出，成为这个星球的主人。

问题五：意识是个什么东西?

这个问题现在没有确切的答案。我们只知道，意识并不属于大脑的一部分，它实际上是由大脑不同的区域共同作用而产生。研究意识的问题，一条可行的思路是，循着摸清到底大脑的哪些区域参与了作用机制，以及神经系统的工作原理来展开。另外借助人工智能构建出一个高度仿真的模拟大脑，也可能有所裨益。

不过，这些并不能从哲学层面回答意识存在的意义。一个合理的解释是，意识存在的目的，是帮助人类更好地适应生存。对于感官获得的外界信息，大脑并非简单地做出反应，而是通过整合、筛选、加工外来的信息，为人们甄别当下的现实，想象绚烂的未来提供支持。

问题六：人为何会做梦？

人生苦短，其中还要拿出三分之一的时间来睡眠。不过即便花了这么多时间来睡觉，人们对睡眠的许多事情依然一无所知。科学家们就在试图解释为什么会睡觉和做梦。弗洛伊德理论的信徒们认为，梦表达了尚未实现的愿望，而这些通常跟性有关。也有人相信梦只不过是休息中的大脑某些混沌的思维。

如今，动物实验以及脑成像技术的发展，已经令我们认识到梦对于人类记忆、学习和情感都会产生影响。比如，实验显示老鼠会在梦中重现自己清醒时的经历。目的应该是帮助自己在经常会被放入的迷宫中找到出口。

问题七：物质是怎么回事?

关于这个问题的解释，或许会令人有些头疼。首先，构成人体的东西叫物质，它有一个和自己只存在电荷上的差异、名为反物质的“亲生兄弟”。不过两者最好是老死不相往来，因为相遇只会导致湮灭和消失。

为什么会有这种兄弟倪墙的情况，合理的解释是，大爆炸造就了数量相当的正、反物质。因而一旦物质遇到它所对应的反物质，两者就会同归于尽，只留下能量。

不过，就我们所在的宇宙而言，物质似乎更受造物主的偏爱，否则也就不会有人类的存在。至于为什么会这样，物理学家们正利用大型强子对撞机实验提供的数据来追寻答案，并将超对称性和中微子作为两个最具可能的突破点。

问题八：一个，还是一群宇宙？

宇宙的存在，本身就是一个奇迹。所有必须的条件在同一时间恰好具备，哪怕有一点微小的设定更改，或许就不会有我们这样的生命存在。而从另一方面来讲，其他不同的设定条件下，是否会产生其他的结果。为了解决这个“微调”的问题，物理学家们的研究正日渐转向“其他的宇宙”。

按照设想，如果有无数个宇宙存在于多元宇宙之中，那么这意味着每一种条件的组合，都会产生一个结果——就像人类所生存的这个宇宙一样。这听起来可能有些疯狂，但宇宙学、量子物理学提供的证据正佐证这个方向。

问题九：碳排放，放在哪？

碳排放现在是个热门词汇，那么为了地球的环境着想，碳最好排放到哪里去呢？

在过去的数百年里，人类把地下的化石燃料作为工业的血液加以利用，而所排出的二氧化碳，则塞满了整个大气层。如今，气候变暖的压力之下，我们想要物归原主，把碳送回它们一开始来的地方，比如埋进废弃的油气田，或者深藏海底。不过，我们并不能保证这些方法会万无一失。在处理旧麻烦的同时，我们还必须保护森林、沼泽等自然界真正长久储放碳的地域，并积极开发利用低碳、无碳的清洁能源与新能源。

问题十：太阳能否给予我们更多？

碳排放的压力，正迫使人们在控制石化原料消耗的同时，寻找一种新的能源供给。太阳，这颗距离我们最近的恒星，就提供了多种方案。首先我们已经在利用太阳能产生电力。此外，利用日光能量对水进行分解，得到氧气、氢气也不失为一条好的途径。氢气能够成为未来燃料电池汽车的动力来源。此外，科学家们也一直没有放弃对“无尽能源”核聚变的研究，希望这些方法可以解决人类对能源的不竭渴求。

问题十一：质数它怎么了？

数学不灵光的人，一般对质数没有什么兴趣，但是他们之所以能够安全地网上购物，靠的正是这些只能被自己和一整除的数字保驾护航。

信息安全是电子商务的核心。互联网专家们就通过将质数做成密钥来保护企业和客户的机密信息。不过，虽然质数对我们的日常生活起着至关重要的作用，它本身在学术上依然是个未解之谜。研究质数在自然数中分布规律的黎曼假设，几百年来一直吸引着最聪明的数学天才的目光，但至今无人可以给出完美解答。当然，某个怀揣不法之心的人的成功之日，或许将是电子商务的末日。

问题十二：细菌能否彻底被击败？

自弗莱明爵士于1929年发现青霉素起，抗生学便成为医学重要组成部分之一。而他这项令其捧得诺贝尔奖的重大发现，第一次令人类在与细菌的万年战争中占到了一次上风。一批能够抵御最致命疾病的药物出现，手术、移植和化疗等医疗手段由设想化为现实。

现在，近一百年过去了，弗莱明的这份遗产开始出现了问题。随着细菌的“与时俱进”，仅在欧洲，每年就有大约25万人死于多重耐药病菌。此外，不仅药物的供应渠道被诟病了几十年，抗生素的滥用更是将问题变得更糟——美国80%的抗生素竟然被用于刺激家畜的生长。

幸运地是，基因测序技术正在帮助人类开发出细菌无法适应的抗生素。这些新药的研制方法或许听起来有些不善，比如从排泄物中“收编”良性细菌，又或从深海中寻找新型细菌，这些都令我们有机会在这场与有机物的军备竞赛中，取得领先。

问题十三：计算机的极限在哪？

摩尔定律的存在，让计算机的发展成为一列停不下来的火车。今天我们人手一部的平板电脑和智能手机，比1969年美国人登月时所使用的电脑强大了不知多少倍。

但现在我们需要考虑这样一个问题，在体积小型化日渐极端时，如何能够持续不断地提高计算机的能力。当处理器芯片的物理空间即将压榨殆尽，电脑制造商是不是可以考虑一种新的设计思路？或者开发类似石墨烯、量子计算等新材料和新系统？

问题十四：治愈癌症可能吗？

直白地说，不会。因为癌症实际上并非单一的疾病，而是一种数百种的疾病因素的松散组合。早在恐龙时期就业已存在的癌症，肇始于各种基因缺陷，每个人都无法避免罹患癌症的风险。生命延续的时间越长，身体出现各种问题的可能性就越大。原因在于癌症也和我们一样，不断为了生存而进化着。

不过，魔高一尺道高一丈。虽然癌症是一个复杂的存在，人类依然依靠遗传学研究，日益了解、把握其诱发的原因以及扩散的方式。针对癌症的治疗和预防措施也日臻丰富。事实上，每年全球370万例癌症病例中的一半以上，都是可预防的。基本措施包括戒烟戒酒，控制饮食，保持锻炼，避免长时间日晒等等。

问题十五：机器人服务于人的时代？

如今的机器人技术，已经达到提供饮料、搬运行李等简单任务的程度。而与人类的社会分工一样，机器人的发展，将衍生出精于某一单项技能的专业工人：它们能按照你的亚马逊订单安排发货，熟练地挤牛奶，整理电子邮件，载着你往返于机场不同的候机楼。

不过，尽管有了这样快速的进步，我们仍旧需要攻破机器人技术最大的一个瓶颈——人工智能。如果没有极高的自我思维能力，人们很难会完全放心地交给机器人独自照顾老人这样的任务。目前，日本已经计划于2025年前实现机器人照顾老人的设想，不过对此依然需要我们进行更细致的思索。

问题十六：海底究竟有什么?

自出现在地球上，人类的生存发展一直与海洋休戚相关。但是直到今天，整个地区海洋中的95%依然没有人类涉足的痕迹。广袤的海洋深处，到底有什么？

寻找该问题答案的尝试，从未间断。1960年，唐纳德·沃尔什与雅克·皮卡德借助深海潜艇，下潜了海面以下7英里处。这次探索极大地推进了深海研究的进程，不过限于当时的条件，他们并未获得太多的结果。

由于对潜水设备的高要求以及人类身体的脆弱性，很多时候，我们只能依靠深潜机器人去执行任务，并且得到了许多新奇的发现。然而与整个海洋相比，这仅仅只是那个水下世界神奇魅力的九牛一毛。

问题十七：黑洞的真相是什么？

目前回答这个问题是不可能的，理由之一是找不到可以承担研究任务的工具。不过我们可以从理论上着手。根据爱因斯坦广义相对论，恒星在寿命完结之后形成黑洞，这是一个持续不断的坍缩过程，最终将得到一个无限小的极高密度点，即“奇点”。

只是，量子物理学家对此或许并不持赞同意见。作为广义相对论的对手，量子物理学数十年来从未表露丝毫愿意与前者“同流合污”的意思。不过，抛开双方对彼此的成见，一个被称为M理论的研究成果，或许能够回答黑洞中心到底有什么的谜题，揭开这个宇宙最极端造物的真面目。

问题十八：长生不老行不行？

当今社会，科技的发展一日千里，这也给我们造成了一种感觉：衰老或许不是生物的必然宿命，相反，它是一种能够借助医学技术治疗预防或者暂缓的疾病。

导致衰老的原因是什么？为什么某些特定生物的寿命长于其他？对于这些问题，尽管我们尚未厘清所有细节，但所掌握的答案已然越来越多——DNA损伤，老化、新陈代谢和优育之间的平衡，基因于其间的作用等等。这些都在逐渐组成一幅宏伟、完善的图景，或许还能够帮助人类改进药物疗法。

不过，与其追求活得长久，倒不如提高这种长寿的质量。像糖尿病、癌症等许多疾病都属于老年病范畴，因而治疗这些老年病本身或许就是一个切入点。

问题十九：人口如何不再是个问题？

自从上世纪60年代起，这个星球上的人口数量增加了一倍。而在现在70多亿的基础上，到2050年将会达到90亿。地球所能提供的空间是有限的，彼时人类如何提供充足的食物和燃料自给自足？

这不是一个玩笑，而是一个需要认真思考的问题——不管是考虑火星移民，还是向地下拓展生存空间，抑或加快生物农业技术的发展。

问题二十：时间穿梭有可能吗？

实际上已经有人实现了这种可能。按照狭义相对论的说法，环绕轨道运动的国际空间站中的宇航员，他们对于时间的感受，就要比地球上的同类们慢。当然，虽然空间站的速度已经够快，若要实现时间穿梭，依然差得很远。不过，如果能够做到持续加速，人类实现纵观千年也绝非不可能。

自然规律认定，人不可能踏进同一条河流。但物理学家们不这么想。他们已经制定了借助虫洞以及宇宙飞船实现时光回溯的蓝图。那时，你可以自己给过去的自己送上一份圣诞礼物，或是找到宇宙未解之谜的答案。