目前無法回答的科學問題

發表：2007-09-18 22:31

關於宇宙、關於地球、關於我們自身，但哪些是最重要的未解之謎，我們距離找到答案還有多遠？今年7月1日，在紀念美國《科學》雜誌創刊125週年之際，科學家們總結出了125個迄今我們還不能很好回答的問題，重中之重有20個。

1、宇宙是由什麼組成的？

一個脫口而出的答案是：由那些亮晶晶的星星組成的。但在最近幾十年中，科學家越來越發現這個答案是不正確的。天文學家認為，組成恆星、行星、星系—— 當然還有我們——的物質，或者叫普通物質，只佔宇宙總質量的不到5％。他們估計，另外25％，可能是由尚未發現的粒子組成的暗物質。剩下的70％呢？天文學家認為那可能是暗能量——讓宇宙加速膨脹的力量。

暗物質和暗能量的本質是什麼？科學家正在用加速器和望遠鏡尋找這些問題的答案，如果找到了，其意義肯定是宇宙級的。

2、我們在宇宙中是唯一的嗎？

45年前，天文學家弗克·德雷克首次啟動了探尋地外文明的奧茲瑪計畫——用巨大的天線（射電望遠鏡）接受外星文明發射的信號。45年過去了，天文學家的努力仍然在繼續著。然而，即使是迄今為止規模最大的「鳳凰」計畫，也還沒有找到任何來自外星文明的無線電信號。

3、地球內部如何運作？

40多年以前，一場地球科學的革命發生了。板塊構造學說更新了關於地球自身的知識。但是關於地球內部構造的問題，仍然沿襲著革命之前的知識。科學家在這40年中所做的，就是把這個雞蛋模型——分為地殼、地幔和地核進一步細化。藉助於越來越先進的地震波成像技術，科學家正在研究地球這個龐大機器的運作過程。但是要掀起另一場科學革命，可能還需要半個世紀。

4、地球溫室將變得多熱？　　

儘管大氣的二氧化碳濃度肯定會在這個世紀繼續增加，儘管這種增加肯定會帶來全球變暖，但是變暖的程度仍然不太確定。科學家一般認為，這個世紀二氧化碳濃度的加倍會帶來1.5℃∼4.5℃的升溫。但是這不夠精確。科學家正在發展新的數學模型，試圖讓數字更令人信服。

5、物理學定律可以被統一起來嗎？　　

　　蘋果落向地面、一道閃電劃過長空、核電站反應爐裡的鈾原子衰變同時放出能量，超級加速器擊碎質子：這幾種現象代表著自然界中四種基本力的作用，也就是引力、電磁力、弱力和強力。宇宙間所有的物理現象都可以用這四種基本力進行解釋。但是科學家並不滿足。有沒有可能把這四種力統一成為一種？上個世紀60年代，物理學家發現弱力和電磁力是可以統一起來的，它們是一種事物的不同側面，統稱電弱力。但是其餘兩種力是否可以和它統一起來？

6、在量子不確定性和非定域性之下，還有更深層次的原理嗎？　　

量子理論已經誕生了100年有餘，它產生了令人信服的應用成果，但是它也帶來了反直覺：量子力學的不確定原理指出我們無法同時精確地獲得一個物體的動量和位置。而非定域性讓兩個處於量子糾纏態的粒子的糾纏態同時崩潰，而不管它們相距多遠。愛因斯坦就說過，儘管量子力學給他留下了非常深刻的印象，但是「一個內心的聲音告訴我，它還不是真實的東西。

7、我們能把化學自我裝配推進多遠？　　

在某種意義上，化學家是最喜歡發明的一群人，因為他們總是不斷製造出新型的分子。儘管今天的化學家已經能製造出很複雜的化學結構，他們能讓這項工作變得既簡單又複雜嗎？也就是說，讓「原料」原子自己「裝配」成複雜的結構，就像生命所表現出來的那種自我裝配的特性。已經有一些化學自我裝配的實例，例如製造類似細胞膜的雙層膜結構。但是更高級的自我裝配，例如自下而上地製造集成電路，仍然是一個夢想。

8、傳統計算的極限是什麼？

有些事看上去很簡單但是解決起來很複雜，例如一個推銷員要走遍相互連接的幾個城市，那麼怎樣走才能實現總路程最近？城市數量的增加會讓最強大的電子計算機也感到畏懼。上個世紀40年代，資訊理論之父香農提出了信息（以比特方式存在）儲存和傳遞所遵循的物理規律。任何傳統的計算機都不能超越這個規律。那麼，在工程上，最終我們能造出多麼強大的計算機？不過，非傳統的計算機可能並不受到這些限制，例如近年來興起的量子計算機。

9、意識的生物學基礎是什麼？

17世紀的法國哲學家有一句名言：「我思故我在」。可以看出，意識在很長時間裏都是哲學討論的話題。現代科學認為，意識是從大腦中數以億計的神經元的協作中湧現出來的。但是這仍然太籠統了，具體來說，神經元是如何產生意識的？近年來，科學家已經找到了一些可以對這個最主觀和最個人的事物進行客觀研究的方法和工具，並且藉助大腦損傷的病人，科學家得以一窺意識的奧秘。除了要弄清意識的具體運作方式，科學家還想知道一個更深層次問題的答案：它為什麼存在，它是如何起源的？

10、什麼控制著器官再生？

有一些生物擁有非凡的修復本領：被切斷的蚯蚓可以重新長出一半身體，而蠑螈可以重建受損的四肢……相比而言，人類的再生本領似乎就差了一點。沒有人可以重新長出手指，骨頭的使用也是從一而終。稍可令人安慰的是肝臟。被部分切除的肝臟可以恢復到原來的狀態。科學家發現，那些可以讓器官再生的動物，在必要的時候重新啟動了胚胎髮育時期的遺傳程序，從而長出了新的器官。那麼人類是否可以利用類似的手法，在人工控制下自我更換零部件呢？

11、一個皮膚細胞如何能變成神經細胞？

在上個世紀中期，生物學家把青蛙的體細胞核放入青蛙的去核卵細胞裡，結果製造出了克隆蝌蚪。最近幾年，關於人類胚胎幹細胞的研究正在熱火朝天地進行 ——把人的體細胞核放入卵細胞中，科學家期待著製造出各種各樣的人類體細胞，例如神經細胞、成骨細胞、心肌細胞等等。儘管科學家已經取得了一些成功，他們仍然對於這種體細胞核移植技術能夠成功的原因知之甚少。的確，去核的卵細胞在這個過程中扮演著至關重要的角色——可是具體機制是什麼？

12、一個體細胞是如何變成整株植物的？

在某種意義上，植物似乎比動物有更大的靈活性。植物的體細胞不需要繁瑣的體細胞核移植技術，就能重新變成植物胚胎細胞。科學家很早就已經開始利用植物的這種性質。用一小塊植物組織，在實驗室裡就能培養出可以供一片森林使用的幼苗。但是為什麼植物細胞有這樣的靈活性？科學家已經發現了一些線索，例如植物的生長素在這個過程中起到的作用。

13、生命是如何以及在哪裡起源的？

科學家已經發現了34億年前的微生物的化石，在更古老的岩石上也能找到生物光合作用的痕跡。那麼蛋白質和DNA——生命的兩大支柱——哪一個先出現在地球上？或者一起出現？科學家認為，更可能的情況是，RNA比前兩者更早出現。另一個問題是，生命在什麼樣的環境下起源？一種假說認為，生命最早起源於海底的熱水中。如今，科學家一方面在實驗室裡探尋從簡單有機物到可以自我複製的有機物的發展過程，另一方面，研究彗星和火星，也將為這個問題帶來重要的啟示。

14、什麼決定了物種多樣性？

這是一個充滿生命的行星，但是並非每一個角落的生命都同樣繁榮。一些地區居住的物種的數量超過其他地區。熱帶比寒帶擁有更高的物種多樣性。為什麼會出現這種情況？僅僅是因為熱帶比寒帶更熱？科學家認為，生物和環境之間的相互作用對多樣性起著關鍵的作用。當然，還有其他一些改變多樣性的力量，例如捕食和被捕食的關係。但是，科學家首先面臨的問題是如何獲取關於全球物種多樣性的基礎數據——到底有多少種生物在那兒。

15、如何從大量的生物學數據中得到全景？

生命是如此的複雜，以至於幾乎每一位生物學家都只能在一個很小的領域進行探索。儘管在每一個領域都產生了大量的描述性的數據。但是科學家能夠從這些海量的數據中得出一個整體的概念，例如生物是如何運作的？系統生物學這門正在形成的學科為回答這些問題提供了一些希望。它試圖把生物學的各個分支聯繫起來，利用數學、工程和計算機科學的方法讓生物學更加量化。不過，現在還沒有人知道這些方法是否能夠最終讓科學家理解生物運作的整體圖景。

16、為什麼人類的基因這麼少？

2003年，當人類基因組計畫接近完成的時候，生物學家在歡呼這一成就的同時，驚奇地發現人類的基因數量比原先估計的少，是的，人只有大約2.5萬個，而原來認為應該有10萬個。相比之下，一種非常簡單的生物——線蟲也有2萬個基因。擬南芥植物的基因數量比人類稍多，而水稻的基因數量則是人類的一倍。科學家認為，基因組運作的方式應該比以前認為的更加靈活和複雜，他們正在探尋這些少用基因多辦事的分子機制。

17、遺傳差異和個體健康在多大程度上是相關聯的？

很早以前科學家就發現有些人對於某些藥物的反應和其他病人不同。例如，某種麻醉用肌肉鬆弛劑會導致特定的人無法呼吸，最終，科學家發現這種現象的原因在於他們擁有特定的基因。這也就帶來了一個問題：研究不同的人之間的遺傳差異是否可以促進醫學發展出更高級的治療手段，也就是說，根據個人的DNA進行「量體裁藥」？科學家已經辨認出了一批與藥物相互作用的基因。但是要真正實現「量體裁藥」，恐怕還為時尚早。

18、人類壽命可以延長多少？

儘管百歲老人仍然少見，人類的平均壽命（尤其是在發達國家）在過去的幾十年中一直在延長。但是這種趨勢能保持多久？科學家通過對實驗動物的研究，發現包括限制熱量攝入在內的一些方法可以顯著地延長它們的壽命。但是這些方法是否可以成功地應用到人類的身上，以及能延長多少壽命呢？一些科學家認為，至少人類活到100歲可以成為家常便飯。不過，即使是這樣，長壽也會帶來其他的麻煩，比如社會保險。

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