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我们不知道答案的125个科学难题——《科学》杂志

(2012-09-09 10:33:40)
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杂谈

关于宇宙、关于地球、关于我们自身,有太多的谜题等待我们去挖掘。但哪些是最重要的未解之谜,我们距离找到答案还有多远?2005年7月1日,在纪念美国《科学》杂志创刊125周年之际,科学家们总结出了125个迄今我们还不能很好回答的问题,重中之重有25个。

 

 

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1、宇宙是由什么组成的?

一个脱口而出的答案是:由那些亮晶晶的星星组成的。但在最近几十年中,科学家越来越发现这个答案是不正确的。天文学家认为,组成恒星、行星、星系——当然还有我们——的物质,或者叫普通物质,只占宇宙总质量的不到5%。他们估计,另外25%,可能是由尚未发现的粒子组成的暗物质。剩下的70%呢?天文学家认为那可能是暗能量——让宇宙加速膨胀的力量。暗物质和暗能量的本质是什么?科学家正在用加速器和望远镜寻找这些问题的答案,如果找到了,其意义肯定是宇宙级的。

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2、我们在宇宙中是唯一的吗?

45年前,天文学家弗克·德雷克首次启动了探寻地外文明的奥兹玛计划——用巨大的天线(射电望远镜)接受外星文明发射的信号。45年过去了,天文学家的努力仍然在继续着。然而,即使是迄今为止规模最大的“凤凰”计划,也还没有找到任何来自外星文明的无线电信号。

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3、地球内部如何运作?

40多年以前,一场地球科学的革命发生了。板块构造学说更新了关于地球自身的知识。但是关于地球内部构造的问题,仍然沿袭着革命之前的知识。科学家在这40年中所做的,就是把这个鸡蛋模型——分为地壳、地幔和地核进一步细化。借助于越来越先进的地震波成像技术,科学家正在研究地球这个庞大机器的运作过程。但是要掀起另一场科学革命,可能还需要半个世纪。

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4、地球温室将变得多热?

尽管大气的二氧化碳浓度肯定会在这个世纪继续增加,尽管这种增加肯定会带来全球变暖,但是变暖的程度仍然不太确定。科学家一般认为,这个世纪二氧化碳浓度的加倍会带来1.5℃~4.5℃的升温。但是这不够精确。科学家正在发展新的数学模型,试图让数字更令人信服。

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5、物理学定律可以被统一起来吗?

苹果落向地面、一道闪电划过长空、核电站反应堆里的铀原子衰变同时放出能量,超级加速器击碎质子:这几种现象代表着自然界中四种基本力的作用,也就是引力、电磁力、弱力和强力。宇宙间所有的物理现象都可以用这四种基本力进行解释。但是科学家并不满足。有没有可能把这四种力统一成为一种?上个世纪60年代,物理学家发现弱力和电磁力是可以统一起来的,它们是一种事物的不同侧面,统称电弱力。但是其余两种力是否可以和它统一起来?

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6、在量子不确定性和非定域性之下,还有更深层次的原理吗?

量子理论已经诞生了100年有余,它产生了令人信服的应用成果,但是它也带来了反直觉:量子力学的不确定原理指出我们无法同时精确地获得一个物体的动量和位置。而非定域性让两个处于量子纠缠态的粒子的纠缠态同时崩溃,而不管它们相距多远。爱因斯坦就说过,尽管量子力学给他留下了非常深刻的印象,但是“一个内心的声音告诉我,它还不是真实的东西。”

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7、我们能把化学自我装配推进多远?

在某种意义上,化学家是最喜欢发明的一群人,因为他们总是不断制造出新型的分子。尽管今天的化学家已经能制造出很复杂的化学结构,他们能让这项工作变得既简单又复杂吗?也就是说,让“原料”原子自己“装配”成复杂的结构,就像生命所表现出来的那种自我装配的特性。已经有一些化学自我装配的实例,例如制造类似细胞膜的双层膜结构。但是更高级的自我装配,例如自下而上地制造集成电路,仍然是一个梦想。

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8、传统计算的极限是什么?

有些事看上去很简单但是解决起来很复杂,例如一个推销员要走遍相互连接的几个城市,那么怎样走才能实现总路程最近?城市数量的增加会让最强大的电子计算机也感到畏惧。上个世纪40年代,信息论之父香农提出了信息(以比特方式存在)储存和传递所遵循的物理规律。任何传统的计算机都不能超越这个规律。那么,在工程上,最终我们能造出多么强大的计算机?不过,非传统的计算机可能并不受到这些限制,例如近年来兴起的量子计算机。

[转载]非常前沿:了解我们的大脑鈥斺斏窬宋帕腥缤

9、意识的生物学基础是什么?

17世纪的法国哲学家有一句名言:“我思故我在”。可以看出,意识在很长时间里都是哲学讨论的话题。现代科学认为,意识是从大脑中数以亿计的神经元的协作中涌现出来的。但是这仍然太笼统了,具体来说,神经元是如何产生意识的?近年来,科学家已经找到了一些可以对这个最主观和最个人的事物进行客观研究的方法和工具,并且借助大脑损伤的病人,科学家得以一窥意识的奥秘。除了要弄清意识的具体运作方式,科学家还想知道一个更深层次问题的答案:它为什么存在,它是如何起源的?

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10、什么控制着器官再生?

有一些生物拥有非凡的修复本领:被切断的蚯蚓可以重新长出一半身体,而蝾螈可以重建受损的四肢……相比而言,人类的再生本领似乎就差了一点。没有人可以重新长出手指,骨头的使用也是从一而终。稍可令人安慰的是肝脏。被部分切除的肝脏可以恢复到原来的状态。科学家发现,那些可以让器官再生的动物,在必要的时候重新启动了胚胎发育时期的遗传程序,从而长出了新的器官。那么人类是否可以利用类似的手法,在人工控制下自我更换零部件呢?

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11、一个皮肤细胞如何能变成神经细胞?

在上个世纪中期,生物学家把青蛙的体细胞核放入青蛙的去核卵细胞里,结果制造出了克隆蝌蚪。最近几年,关于人类胚胎干细胞的研究正在热火朝天地进行——把人的体细胞核放入卵细胞中,科学家期待着制造出各种各样的人类体细胞,例如神经细胞、成骨细胞、心肌细胞等等。尽管科学家已经取得了一些成功,他们仍然对于这种体细胞核移植技术能够成功的原因知之甚少。的确,去核的卵细胞在这个过程中扮演着至关重要的角色——可是具体机制是什么?

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12、一个体细胞是如何变成整株植物的?

在某种意义上,植物似乎比动物有更大的灵活性。植物的体细胞不需要繁琐的体细胞核移植技术,就能重新变成植物胚胎细胞。科学家很早就已经开始利用植物的这种性质。用一小块植物组织,在实验室里就能培养出可以供一片森林使用的幼苗。但是为什么植物细胞有这样的灵活性?科学家已经发现了一些线索,例如植物的生长素在这个过程中起到的作用。

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13、生命是如何以及在哪里起源的?

科学家已经发现了34亿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迹。那么蛋白质和DNA——生命的两大支柱——哪一个先出现在地球上?或者一起出现?科学家认为,更可能的情况是,RNA比前两者更早出现。另一个问题是,生命在什么样的环境下起源?一种假说认为,生命最早起源于海底的热水中。如今,科学家一方面在实验室里探寻从简单有机物到可以自我复制的有机物的发展过程,另一方面,研究彗星和火星,也将为这个问题带来重要的启示。

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14、什么决定了物种多样性?

这是一个充满生命的行星,但是并非每一个角落的生命都同样繁荣。一些地区居住的物种的数量超过其他地区。热带比寒带拥有更高的物种多样性。为什么会出现这种情况?仅仅是因为热带比寒带更热?科学家认为,生物和环境之间的相互作用对多样性起着关键的作用。当然,还有其他一些改变多样性的力量,例如捕食和被捕食的关系。但是,科学家首先面临的问题是如何获取关于全球物种多样性的基础数据——到底有多少种生物在那儿。

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15、合作的行为如何进化?

你很容易在社会性动物身上看到利他的行为。例如蜜蜂把食物的信息传递给其他蜜蜂。人类和其他灵长类动物社会也充满了合作的行为。进化论的创立者达尔文对合作现象提出过一些解释,例如亲属之间的相互帮助,实际上会促进整个家族繁殖的可能性。如今,科学家正在寻找合作行为的遗传基础。而博弈论——一种关于竞争、合作和游戏规则的数学理论,也能够帮助科学家理解合作行为如何运作。达尔文观察到了合作的现象并做出了解释,今天的科学家希望能够让这个解释更加深入,并且希望能够回答它是如何产生的。

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16、如何从大量的生物学数据中得到全景?

生命是如此的复杂,以至于几乎每一位生物学家都只能在一个很小的领域进行探索。尽管在每一个领域都产生了大量的描述性的数据。但是科学家能够从这些海量的数据中得出一个整体的概念,例如生物是如何运作的?系统生物学这门正在形成的学科为回答这些问题提供了一些希望。它试图把生物学的各个分支联系起来,利用数学、工程和计算机科学的方法让生物学更加量化。不过,现在还没有人知道这些方法是否能够最终让科学家理解生物运作的整体图景。

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17、为什么人类的基因这么少?

2003年,当人类基因组计划接近完成的时候,生物学家在欢呼这一成就的同时,惊奇地发现人类的基因数量比原先估计的少,是的,人只有大约2.5万个,而原来认为应该有10万个。相比之下,一种非常简单的生物——线虫也有2万个基因。拟南芥植物的基因数量比人类稍多,而水稻的基因数量则是人类的一倍。科学家认为,基因组运作的方式应该比以前认为的更加灵活和复杂,他们正在探寻这些少用基因多办事的分子机制。

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18、遗传差异和个体健康在多大程度上是相关联的?

很早以前科学家就发现有些人对于某些药物的反应和其他病人不同。例如,某种麻醉用肌肉松弛剂会导致特定的人无法呼吸,最终,科学家发现这种现象的原因在于他们拥有特定的基因。这也就带来了一个问题:研究不同的人之间的遗传差异是否可以促进医学发展出更高级的治疗手段,也就是说,根据个人的DNA进行“量体裁药”?科学家已经辨认出了一批与药物相互作用的基因。但是要真正实现“量体裁药”,恐怕还为时尚早。

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19、人类寿命可以延长多少?

尽管百岁老人仍然少见,人类的平均寿命(尤其是在发达国家)在过去的几十年中一直在延长。但是这种趋势能保持多久?科学家通过对实验动物的研究,发现包括限制热量摄入在内的一些方法可以显著地延长它们的寿命。但是这些方法是否可以成功地应用到人类的身上,以及能延长多少寿命呢?一些科学家认为,至少人类活到100岁可以成为家常便饭。不过,即使是这样,长寿也会带来其他的麻烦,比如社会保险。

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20、什么遗传差异导致我们成为独特的人类?

随着基因测序技术的改进,越来越多物种的基因组全序列进入了科学家的数据库中,包括我们自己和数种灵长类亲戚,比如黑猩猩。我们很容易分辨出人和黑猩猩,然而在分子水平上,这种分辨却不那么容易。我们和黑猩猩的DNA差异大约是1.2%。这是一个很小的数字,但是从绝对数量上来看,这种差异意味着3千多万个碱基对的不同。到底是这3千多万个差异中的哪些,让我们在与黑猩猩“分家”之后,变得如此独特?科学家正在寻找那些让我们有别于其他灵长类物种的遗传差异,当然,还有文化、语言和技术等等超越基因的因素。

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21、记忆是如何存取的?美好的记忆、悲伤的记忆,关于解方程技巧的记忆,英语单词的记忆,毫无疑问它们都储存在我们的大脑中。但是它们具体在什么部位?

上个世纪50年代,科学家发现大脑中的“海马区”在存储信息的过程中扮演着至关重要的角色——如果切除掉海马区,那么以前的记忆就会一同消失。但是海马区的神经细胞如何把信息固定下来?科学家发现一些分子参与到了记忆的形成。此外,神经细胞突触地形成也与记忆相关联。但是,科学家目前对于记忆的运作机制的了解还不够——而这一机制对于理解我们自身是非常重要的。

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22、我们可以选择性地关闭一些免疫应答吗?

在今天,器官移植已经成为了一种不那么罕见的手术,但是医生和病人面对的一个大麻烦在一定程度上仍然存在:免疫排斥反应。病人的免疫系统有可能把移植的器官当作“非我族类”进行攻击,让手术功亏一篑。为了防止这种情况发生,医生要仔细挑选供体器官,而有的病人需要终身服用免疫抑制类药物——这显然不是个好主意。科学家已经找到了几种可能的方法,既让免疫系统正常工作,又不会排斥移植的器官的方法,但是要实现临床的应用,还需要很长的时间。

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23、是否存在行之有效的艾滋病疫苗?

每年,仅仅美国国立卫生院就投入5亿美元用于艾滋病疫苗的研发工作。但是迄今为止还没有一种疫苗表现出实用性。怀疑者认为艾滋病疫苗永远都不会成功,因为人类免疫缺陷病毒(HIV)变化多端。而支持者认为,在猿免疫缺陷病毒上,疫苗可以产生效果,因此HIV的疫苗也可能成功。

24、什么能替代廉价的石油——以及什么时候?

没有人否认石油最终会用光。而且,石油产量可能不久就要开始下降。即便不考虑这些因素,全球变暖的危险也促使人类尽快找到替代石油的能源——太阳能?风能?核能?每一种似乎都很有潜力,但是它们都还不太成熟

25、马尔萨斯仍然错了吗?

1798年,马尔萨斯发表了他著名的《人口原理》一书,他提出人口增长总是跟不上食品供应的增长(原文如此),而只有灾难才能阻止增长。200年过去了,地球总人口增长到了60亿(是马尔萨斯时代的6倍),但是马尔萨斯所预言的大灾难并没有发生。科学技术在很大程度上阻止了这种灾难。但是人类仍然面临着一个问题,如何保证大灾难不会在未来发生? 

Kaka Abel 的 SCIENCE公布125个重大科学问题

 

在庆祝SCIENCE创刊125周年之际,该刊杂志社公布了125个最具挑战性的科学问题,发表在7月1日出版的专辑上。在今后1/4个世纪的时间里,人们将致力于研究解决这些问题。这125个问题如下(前25个被认为是最重要的问题):

1宇宙由什么构成?

2意识的生物学基础是什么?

3为什么人类基因会如此之少?

4遗传变异与人类健康的相关程度如何?

5物理定律能否统一?

6人类寿命到底可以延长多久?

7是什么控制着器官再生?

8皮肤细胞如何成为神经细胞?

9单个体细胞怎样成为整株植物?

10地球内部如何运行?

11地球人类在宇宙中是否独一无二?

12地球生命在何处产生、如何产生?

13什么决定了物种的多样性?

14什么基因的改变造就了独特的人类?

15记忆如何存储和恢复?

16人类合作行为如何发展?

17怎样从海量生物数据中产生大的可视图片?

18化学自组织的发展程度如何?

19什么是传统计算的极限?

20我们能否有选择地切断某些免疫反应?

21量子不确定性和非局部性背后是否有更深刻的原理?

22能否研制出有效的HIV疫苗?

23温室效应会使地球温度达到多高?

24什么时间用什么能源可以替代石油?

25地球到底能负担多少人口?

26宇宙是否唯一?

27是什么驱动宇宙膨胀?

28第一颗恒星与星系何时产生、怎样产生?

29超高能宇宙射线来自何处?

30是什么给类星体提供动力?

31黑洞的本质是什么?

32正物质为何多于反物质?

33质子会衰减吗?

34重力的本质是什么?

35时间为何不同于其他维度?

36是否存在比夸克更小的基本粒子?

37中微子是其自己的反粒子吗?

38是否有解释所有相关电子系统的统一理论?

39人类能够制造最强的激光吗?

40能否制造完美的光学透镜?

41是否可能制造出室温下的磁性半导体?

42什么是高温超导性之后的成对机制?

43能否发展关于湍流动力学和颗粒材料运动学的综合理论?

44是否存在稳定的高原子量元素?

45固体中是否有超流动性?如果有,如何解释?

46水的结构如何?

47玻璃态物质的本质是什么?

48是否存在合理化学合成的极限?

49光电电池的最终效率如何?

50核聚变将最终成为未来的能源吗?

51驱动太阳磁周期的原因是什么?

52行星怎样形成?

53是什么引发了冰期?

54使地球磁场逆转的原因是什么?

55是否存在有助于预报的地震先兆?

56太阳系的其他星球上现在和过去是否存在生命?

57自然界中手性原则的起源是什么?

58能否预测蛋白质折叠?

59人体中的蛋白质有多少存在方式?

60蛋白质如何发现其作用对象?

61细胞死亡有多少种形式?

62是什么保持了细胞内的通行顺畅?

63为什么细胞的成分可以独立于DNA而自行复制?

64基因组中功能不同于RNA的角色是什么?

65基因组中端粒和丝粒的作用是什么?

66为什么一些基因组很大,另一些又相当紧凑?

67基因组中的“垃圾”(“junk”)有何作用?

68新技术能使DNA测序的成本降低多少?

69器官和整个有机体如何了解停止生长的时间?

70除了继承突变,基因组如何改变?

71在胚胎期,不对称现象是如何确定的?

72翼、鳍和面孔如何发育进化?

73是什么引发了青春期?

74干细胞是否位于所有肿瘤的中心?

75肿瘤更容易通过免疫进行控制吗?

76肿瘤的控制比治愈是否更容易?

77炎症是所有慢性疾病的主要原因吗?

78疯牛病会怎样发展?

79脊椎动物在多大程度上依赖先天免疫系统来抵抗传染病?

80对抗原而言,免疫记忆需要延长暴露吗?

81为什么孕妇的免疫系统不拒绝其胎儿?

82什么与有机体的生物钟同步?

83迁徙生物怎样发现其迁移路线?

84为什么要睡眠?

85人类为什么会做梦?

86语言学习为什么存在临界期?

87信息素影响人类行为吗?

88一般麻醉剂如何发挥作用?

89导致精神分裂症的原因是什么?

90引发孤独症的原因是什么?

91阿兹海默症患者的生命能够延续多久?

92致瘾的生物学基础是什么?

93大脑如何建立道德观念?

94通过计算机进行学习的极限是什么?

95有多少个性源于遗传?

96性别倾向的生物学根源是什么?

97生命树是生命之间系统关系最好的表达方式吗?

98地球上有多少物种? 99什么是物种?

100横向转移为什么会发生在众多的物种中以及如何发生?

101谁是世界的共同祖先?

102植物的花朵如何进化?

103植物怎样制造细胞壁?

104如何控制植物生长?

105为什么所有的植物不能免疫一切疾病?

106外界压力环境下,植物的变异基础是什么?

107是什么引起物质消失?

108能否避免物种消亡?

109一些恐龙为什么如此庞大?

110生态系统对全球变暖的反应如何?

111至今共有多少人种,他们之间有何关联?

112是什么提升了现代人类的行为?

113什么是人类文化的根源?

114语言和音乐演化的根源是什么?

115什么是人种,人种如何进化?

116为什么一些国家向前发展,而有些国家的发展停滞?

117政府高额赤字对国家利益和经济增长速度有什么影响?

118政治与经济自由密切相关吗?

119为什么改变撒哈拉地区贫困状态的努力几乎全部失败?

120有没有简单的方法确定椭圆曲线是否存在无穷多解?

121霍奇闭链是代数闭链的和吗?

122数学家将会最终给出Navier-Stokes方程的解吗?

123庞加莱实验能否确定4维空间的球?

124黎曼zeta函数的零解都有a+bi形式吗?

125对粒子物理标准模型的研究是否会停止在量子Yahg-Mills理论上?

(注:最后6个数学问题选自Clay数学研究所提出的新千年问题)

简单归纳统计这125个问题,其中涉及生命科学的问题占46%,关系宇宙和地球的问题占16%,与物质科学相关的问题占14%以上,认知科学问题占9%。其余问题分别涉及数学与计算机科学、政治与经济、能源、环境和人口等。


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