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如何一天挣200科学探索一份让科学家绝望的探索

未知 2019-01-11 09:55

  经过几代物理学家不屈不挠的探索,一百年前爱因斯坦广义相对论的最后一个预言———引力波,终于被探测和证明存在。 还有很多事物和引力波一样,科学家们可以肯定它们的存在,但却从未直接发现和证实过,比如最早的生命物质、黑猩猩和人类之间缺失的一环、发出52赫兹声频的鲸鱼、奥尔特云、黑洞 本刊介绍这份科学探索名单上部分未解之谜,尽管科学家们不能预知要花多大力气和多长时间才能破解这些谜团,但正是它们,一直激发着人类的好奇心和求索精神。 黑洞 明年启动的全球望远镜网络能否看到黑洞? 在银河系的中心隐藏着一个难以描述的极端天体,我们无法描述它,是因为没有人能看到它。 虽然看不到它,但科学家可以确定它的存在。因为它附近的恒星都在疯狂地绕着一个质量为我们太阳400万倍的物体旋转着,物理学家们将它称之为“黑洞”。 黑洞是密度和质量都非常大的天体,没有一丝光线能逃脱其引力范围。今年2月科学家宣布探测到的引力波,是两个相对较小黑洞合并时产生的涟漪,是黑洞存在的最新的间接证据———比理论假设更有力的证据。 但这引发了一个问题。广义相对论和量子理论是我们理解物理现实的两大基石,可它们对黑洞的解释存在着矛盾。模型表明,随着时间的推移,黑洞会慢慢蒸发直至完全消失,并发射出一种被称为霍金辐射的射线。但被黑洞吞噬的物质和光线都去了哪里?真相是什么? 现在,科学家们准备用一个由世界各地多台射电望远镜构成的网络来探测黑洞,这个被称为“事件视界望远镜”(EHT)的计划,将于2017年全面投入使用。 意识 我们为什么会有意识?意识究竟是什么?它存于大脑何处?这些问题至今都没有明确的答案。 意识就像一个开关:“打开”时你可以体验周围世界,“关闭”时这些体验也随之消失。但要找到这个让我们的大脑在这两种状态间转换的“开关”却很棘手。 对意识的普遍认同的定义是:当我们进入无梦睡眠时它离开我们,当我们醒来时它又回来的一种东西。但是,哪些大脑活动模式对应于哪些不同层次的意识体验呢? 我们知道某些大脑区域如果遭到破坏或刺激,会引起意识丧失。大脑深处一层薄薄的结构———屏状核,就是其中之一。但描述意识的许多理论,其重点并不在于大脑解剖学上的某个位置。 全局工作空间理论认为,意识来自于外部世界引起大脑关注的信息,例如,响个不停的电话会比其他环境信息更容易引起我们的关注。另外,信息集成理论认为意识是各种数据结合在一起大于其各部分总和的结果。马什奥说,“大脑失去知觉并不一定是因为大脑某些区域处于关闭状态,而是由于大脑信息传递通道受阻。” 不久前一项对麻醉后大脑活动进行扫描的实验也证明了这一理论描述,解释了为什么一种名为的物可致人昏迷的原因:这种强力镇静剂可增强促使清醒的大脑区域活动,但却会抑制不同大脑区域之间的信息传递和沟通。 磁受体 海龟可以感知磁场,并以此确定方向。许多不同的物种,如老鼠、龙虾和果蝇,它们似乎也有类似的能力,但一直没人能在这些动物身上找到磁受体。 研究人员确实在这些动物的大脑里找到了一些线年,神经学家大卫·迪克曼等人在鸽子实验中,在转换磁场的同时进行大脑成像扫描,结果发现磁场变化时鸽子大脑中有53双神经元随之发生变化。但是,它们是从哪里获取信号的呢?“没有明显的比如像耳朵或鼻子之类的信号接受器官。”牛津大学的彼得·霍尔说。 一种猜测认为,这与隐花色素有关。隐花色素是在许多动物眼睛里发现的一种蛋白质,包括鸟类和鳟鱼。据知,隐花色素产生自由基化学碎片的方式取决于磁场。 但这个解释并非完美。首先,人类眼睛里也有隐花色素,但我们并不具备磁感,此外,我们也不知道自由基如何产生大脑能够解读的信号。 去年,北京大学的研究人员发现了一种可以控制肌肉和神经细胞的磁感应蛋白,难道这才是动物利用磁场找到回家之路的秘密吗?但霍尔对此持怀疑态度。总之,动物如何利用磁场导航,目前仍是一个谜。 原初引力波 今年2月11日,物理学家宣布黑洞合并时产生的引力波在通过地球时被检测到,这是科学探索史上的一个里程碑式成果。接下来,科学家想要做的,是倾听宇宙原初引力波。 引力波是宇宙形成之初,巨大的天体在彼此引力场中移动和加速时,在宇宙结构中产生的波状涟漪。引力波天文台(LIGO)捕捉到了两个黑洞合并时产生的引力波,这两个黑洞每个的质量都相当于我们太阳的大约30倍大。 引力波的发现令科学家深受鼓舞,“它为我们观察宇宙打开了一个新的窗口。”哈佛大学的天文学家艾维·勒布说。 如果是更大黑洞的合并,如形成成熟星系中心的超大质量黑洞的合并,将发射出波长更长的引力波。“LIGO探测不到这些引力波,”勒布说,“我们需要不同的引力波观测天文台。” 计划中的eLISA太空探测器应该对这些引力波敏感,作为这个项目的测试探头,“LISA探路者”已于去年12月发射升空。但即使是eLISA,也检测不到人们最想发现的原初引力波———宇宙诞生之初高速扩张期发出的极低频引力波,这将是最令人信服的,但其波长可能与可见宇宙一般大。 事实上,不可能有足够大的探测器来探测到这些原初引力波,因此证据只能是间接的。 鲸52 ▲有谁听到我唱歌吗? 它游弋在太平洋上,呼唤着它的同伴,但从来没有得到过其他鲸鱼的回应。因为这条鲸52,是世界上发出不同寻常52赫兹叫声的唯一一条鲸鱼。事实真是这样吗? 它的叫声频率比其他鲸鱼都要高得多,例如,蓝鲸叫声的频率为10-39赫兹,长须鲸叫声的频率为20赫兹。 可以确定这是一条雄性鲸鱼,因为只有雄性鲸鱼会“唱歌”。加州圣地亚哥斯克里普斯鲸鱼声学实验室的约翰·希尔德布兰认为,事实上它可能并不孤独,像它这样的鲸鱼世界上可能并不只有一条,他的团队在相隔很远的几处地方布置的水中听音器,在几个小时内都录到了这种独特的鲸鱼叫声。 1989年,生物学家比尔·沃特金斯第一次听到了鲸52不同寻常的“歌声”,开始是52赫兹,渐渐变成更低沉的47赫兹。鲸52季节性的迁移行为与蓝鲸相似,沃特金斯认为鲸52是蓝鲸与长须鲸的杂交品种,并推测它的母亲是蓝鲸,父亲是长须鲸。鲸52的声音像是这两种鲸鱼的混合体。 去年,一个考察拍摄鲸52的计划一无所获。声学实验室布下的水中听音器网没有连接到海岸上,在录音传回进行处理分析之后,被发现的鲸52早已远去。 未来的日子里,在一个本为防止蓝鲸被船只伤害的实时监控网的帮助下,科学家发现这条或多条神秘鲸52的机会将会大大提高。 缺失的一环 每年都有大量的化石被发现,但是科学家一直没有找到那“缺失的一环”:人类与黑猩猩最后的共同祖先。它们在哪里?长得什么模样?乔治华盛顿大学的塞尔吉奥·阿尔梅西嘉说,“我很想知道答案,这个问题经常让我彻夜难眠。” 在我们的设想中,大约700万年前的非洲,这个缺失一环的生物,或用指关节支撑着在地上行走,或在树木枝桠中摇晃嬉戏。但化石证据很难找到,考古学家找到了大量人类祖先的化石,有的可以追溯到400万年前,但再久远的几乎没有。 加州大学的内森·扬认为,原因有很多,但如果我们知道我们正在寻找什么,找起来可能会更容易一些。阿尔梅西嘉对早期古人类和猿类的化石以及现代灵长类动物进行比较后认为,人类祖先的手骨和大腿骨更像人类,它们可能仍然在用四肢走路,但却与黑猩猩的方式不一样。扬和他的同事们使用了类似的方法得出结论认为,它们的肩膀与黑猩猩更相似,表明它们像今天的黑猩猩一样在林间飘荡。 一个希望是,通过对现代类人猿的基因组进行比较,也许能找到大家都能认同的证据。基因研究的线索表明,人类染色体从猩猩的染色体中分离出来然后分道扬镳的过程中,有的人要比其他人更早,表明进化是一个分分合合的过程,这当中有分离,有聚合,还有杂交,最后永远地分离出来。当然这要经历数百万年的时间跨度,科学家努力在做的,就是要从这剪不断理还乱的缠结中,找出一个人类祖先来。 奥尔特云 不断进入太阳系的新的彗星,例如2013年12月因太靠近太阳而解体的掠日彗星ISON,对于天文学家来就是奥尔特云存在的一个证明。“我们可以肯定奥尔特星云是存在的,虽然我们一直未能发现其中任何一颗天体。”卡内基科学研究所的斯科特·谢泼德说。 几乎在所有的天文学教科书中都这么写:奥尔特云是一个由数万亿个岩石块和冰团构成的球状星云带,这些巨大的岩石块多数都有几公里宽,环绕在太阳系的外层边界。 奥尔特云被认为是行星形成时代留下来的天体,它们的分布和大小可帮助我们了解远古时代恒星形成的过程。如何一天挣2002009年,加州理工学院的伊兰·奥菲克和以色列特拉维夫大学的埃胡德·纳卡尔发现,新发射的开普勒太空望远镜在理论上可以探测到几十公里直径的奥尔特云天体,当它正面对着某颗恒星的时候。 事实上,奥尔特星云的天体在星光中的一次短暂现身有可能是探测器的故障。另外,开普勒太空望远镜指向的,是远离奥尔特星云天体物质最集中的地方。 生命起源 40亿年前,在地球某个地方,最早的生命开始苏醒。所有的生命使用蛋白质构成DNA并执行其代码,但蛋白质本身是由DNA模板构成的。那么是先有蛋白质,还是先有DNA?此外,所有活细胞中发现的与DNA密切相关的RNA中也有遗传密码,那么,RNA又是从哪里来的呢? 地球生命始于艾达(Ida)。根据达尔文进化论,艾达是从无生命物质演化出来的最早的生命形式。艾达之后又有了卢卡(Luca)———以遗传密码存储信息的一个分子,是地球生命最后的共同祖先。从卢卡开始,产生了地球上所有的生命。从那时起,艾达和卢卡就一直存在于我们每一个人的基因里。 与DNA密切相关的RNA,自身可以催化化学反应。RNA假设认为,卢卡是从“RNA汤”中生成的,最终生成了DNA和世界上第一个细胞。 但RNA又是从哪里来的呢? 1950年代,美国著名化学家斯坦利·米勒和哈罗德·尤里做了一个有名的实验,他们电击气体和水的混合物,最终产生了少数生物分子。 关于生命的起源还有另外一些流行的说法,例如,伦敦大学学院的尼克·莱恩认为,温暖的海底火山口提供了由甲烷、矿物质和水的“混合汤”,从中产生了RNA。科罗拉多大学博尔德分校的迈克尔·亚卢斯支持“泥泞池塘”的理论,该理论认为反复的冰冻和融化过程,推动了生命诞生的化学反应。 有意思的是,最近的RNA诱导实验表明,在适当的化学过程中,构成生命的许多基本物质几乎都可以自动生成,极大地增加了在宇宙其他地方发现生命存在的可能性。 胶球 胶球是由一束胶子组成的粒子,是夸克之间的一种强核力,将它们结合在一起形成原子核中的质子和中子。尽管理论家坚持胶球(胶子偶素)的存在,但实验者也同样坚信,永远不可能通过一个实验,来证明它的存在。 胶子有一个奇怪的属性:带有强核力电荷,意味着它们也能彼此依附,形成胶球。 胶子模拟实验表明,约1500兆电子伏(MeV)足以将大量胶子结合在一起形成一个胶球。1995年,克洛斯和瑞士苏黎世大学的理论物理学家克劳德·阿姆斯勒证明,欧洲核子研究中心两个能量分别为1370MeV和1500MeV的粒子“共振”可能符合形成胶球的要求,之后发现了第三个候选对象———能量为1710MeV的粒子。 但这种强核力难以计算,为简单起见,胶球模拟往往假设为一个完全由胶子组成的世界。真实宇宙中,当你检测到胶子偶素状态时,夸克同时也会依附上来,就像袜子的毛边一样,无法形成纯粹的胶球。看来想要制作一把完全由一束胶球构成的强大光剑的梦想是难以实现了。 鳗鱼宝宝 鳗鱼宝宝是如何出生的?我们一直不清楚。亚里士多德认为,鳗鱼是蚯蚓生出来的,还有人认为它们是天生的。“鳗鱼的迁移活动仍然是一个谜。”魁北克拉瓦尔大学的梅勒妮·贝格尔-本说。 世界上有很多很多的鳗鱼,但时至今日,没有人真正知道,小鳗鱼是如何生出来的。 目前为止的说法是:鳗鱼从美国和欧洲游到数千公里之外的马尾藻海产卵,那里是大西洋西部靠近百慕大群岛一片广袤而独立的环流水域,以水体温暖、含盐分多而著名,然后新生的幼鳗从那里摇头摆尾游回故乡。 但这都只是推测,最早是由一个世纪前的丹麦研究人员约翰内斯·施密特在进行了多次马尾藻海域探险后提出来的,但一直没有人见到过成年鳗鱼在马尾藻海域和其他地方产卵,甚至也没有人发现过迁移途中的成年鳗鱼。 但马尾藻海域的故事并非完全没有道理,瑞典王后岛上淡水研究所的哈坎·威克斯托姆说,“马尾藻海域想必是它们产卵的地方,因为在那里发现过极微小的鳗鱼幼鱼。”他说。 鳗鱼宝宝哪里来?这不仅仅是一个令人好奇的学术问题。最近几十年来,欧洲和美国的鳗鱼产量一直在急剧下降,鳗鱼已被列为濒危物种。海洋污染、大坝阻断河流、过度捕捞以及海洋变暖,都可能是原因之一。 为破解鳗鱼产卵之谜,大西洋两岸的科学家们设法给成年银鳗装上微型微波跟踪器,然后将相关数据传送到经过的卫星上。但直到2014年,才在马尾藻海域北面2400公里的地方发现了一条鳗鱼身上的追踪器信号。证据表明,鳗鱼在瑞典王后岛附近海域被安上跟踪器以后,成功返回信号的都没有超出亚述尔群岛的范围,更没有能够抵达前往马尾藻海中途的。在科学家发现某条在产卵的鳗鱼之前,它们的出生之谜仍然只是渔民口中的一些传说故事。 无穷大 “无穷大”这个概念,是数学造就的一个怪物。理智告诉我们,它应该是存在的,只是很快消失在这个概念本身的结果中。根据无穷的定义,无穷大之大是我们的大脑所无法穷尽的。 让我们先试写整数序列:1、2、3、4,我们将它称为无穷数列,因为这是一个没有明显终点的序列。再来看实数:整数加上有理数和无理数(1.5,π,2的平方根,等等),这些也有无穷多。“事实上有一个无穷大的无穷集,无论你走多远,总有一个更大的在后面等着你。”英国华威大学数学家伊恩·斯图尔特说。 数学家在研究数学时,都离不开无穷大和它的对立面无穷小,例如,定义一个完美的圆需要用到π这个无限不循环小数;计算平稳运动需要将时间无限分割等。 但这些都是真实的吗?以整数为例:你永远不可能将所有的整数都写出来。“你写到死也写不完。”斯图尔特说。即使别人可以接过你的接力棒,继续完成你的遗志,有限的宇宙最终也会耗尽对它们进行编码的有限信息。 从实际考虑,无穷大通常是物理学家需要避免的东西,不过说来容易做起来难。以宇宙大爆炸理论为例,表明宇宙诞生于一个无限密度和温度的“奇点”,但数学无法描述如此小空间里的巨大引力。一些让我们更接近目标的替代方法,如弦理论,通常构想出一个无限多的宇宙,但却无法解释为什么我们的宇宙是这个样子的

  一部分物理学家和数学家完全绕开“无穷大”这个概念,称在一个限定的宇宙内,没有它的位置。斯图亚特认为,无穷大虽然在理论上是一个非常有用的概念,但我们也不想为它太过劳心费神



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