英國媒體解讀當今最難回答的20個大科學問題

來源：中國科學報

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，其物質總量僅僅占到宇宙的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涌動。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着宇宙中的信息。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。隨着技術的不斷發展，接下來的數十年，或許將成為天文學家的狩獵季，僅在銀河系內就有着近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，首先在於我們有着發達的大腦——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，循着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。另外藉助人工智能構建出一個高度仿真的模擬大腦，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，是幫助人類更好地適應生存。對於感官獲得的外界信息，大腦並非簡單地做出反應，而是通過整合、篩選、加工外來的信息，為人們甄別當下的現實，想象絢爛的未來提供支持。

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。弗洛伊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。目的應該是幫助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數據來追尋答案，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，本身就是一個奇蹟。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，那麼這意味着每一種條件的組合，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着想，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。

信息安全是電子商務的核心。互聯網專家們就通過將質數做成密鑰來保護企業和客戶的機密信息。不過，雖然質數對我們的日常生活起着至關重要的作用，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布規律的黎曼假設，幾百年來一直吸引着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占到了一次上風。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。隨着細菌的“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，不僅藥物的供應渠道被詬病了幾十年，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：計算機的極限在哪？

摩爾定律的存在，讓計算機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能手機，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計算機的能力。當處理器芯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着。

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，日益了解、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，載着你往返於機場不同的候機樓。

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——人工智能。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，日本已經計劃於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着手。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質量。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宇宙飛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。