一份讓科學家絕望的探索名單
圖片說明: 有誰聽到我 唱歌嗎？
圖片說明:
經過幾代物理學家不屈不撓的探索，一百年前愛因斯坦廣義相對論的最後一個預言———引力波，終於被探測和證明存在。
還有很多事物和引力波一樣，科學家們可以肯定它們的存在，但卻從未直接發現和證實過，比如最早的生命物質、黑猩猩和人類之間缺失的一環、發出52赫茲聲頻的鯨魚、奧爾特雲、黑洞……
本刊介紹這份科學探索名單上部分未解之謎，儘管科學家們不能預知要花多大力氣和多長時間才能破解這些謎團，但正是它們，一直激發著人類的好奇心和求索精神。
方陵生編譯
黑洞
明年啟動的全球望遠鏡網路能否看到黑洞？
在銀河系的中心隱藏著一個難以描述的極端天體，我們無法描述它，是因為沒有人能看到它。
雖然看不到它，但科學家可以確定它的存在。因為它附近的恆星都在瘋狂地繞著一個質量為我們太陽400萬倍的物體旋轉著，物理學家們將它稱之為「黑洞」。
黑洞是密度和質量都非常大的天體，沒有一絲光線能逃脫其引力範圍。今年2月科學家宣布探測到的引力波，是兩個相對較小黑洞合并時產生的漣漪，是黑洞存在的最新的間接證據———比理論假設更有力的證據。
但這引發了一個問題。廣義相對論和量子理論是我們理解物理現實的兩大基石，可它們對黑洞的解釋存在著矛盾。模型表明，隨著時間的推移，黑洞會慢慢蒸發直至完全消失，並發射出一種被稱為霍金輻射的射線。但被黑洞吞噬的物質和光線都去了哪裡？真相是什麼？
現在，科學家們準備用一個由世界各地多台射電望遠鏡構成的網路來探測黑洞，這個被稱為「事件視界望遠鏡」(EHT)的計劃，將於2017年全面投入使用。
意識
我們為什麼會有意識?意識究竟是什麼?它存於大腦何處?這些問題至今都沒有明確的答案。
意識就像一個開關：「打開」時你可以體驗周圍世界，「關閉」時這些體驗也隨之消失。但要找到這個讓我們的大腦在這兩種狀態間轉換的「開關」卻很棘手。
對意識的普遍認同的定義是：當我們進入無夢睡眠時它離開我們，當我們醒來時它又回來的一種東西。但是，哪些大腦活動模式對應於哪些不同層次的意識體驗呢？
我們知道某些大腦區域如果遭到破壞或刺激，會引起意識喪失。大腦深處一層薄薄的結構———屏狀核，就是其中之一。但描述意識的許多理論，其重點並不在於大腦解剖學上的某個位置。
全局工作空間理論認為，意識來自於外部世界引起大腦關注的信息，例如，響個不停的電話會比其他環境信息更容易引起我們的關注。另外，信息集成理論認為意識是各種數據結合在一起大於其各部分總和的結果。馬什奧說，「大腦失去知覺並不一定是因為大腦某些區域處於關閉狀態，而是由於大腦信息傳遞通道受阻。」
不久前一項對麻醉後大腦活動進行掃描的實驗也證明了這一理論描述，解釋了為什麼一種名為氯胺酮的麻醉藥物可致人昏迷的原因：這種強力鎮靜劑可增強促使清醒的大腦區域活動，但卻會抑制不同大腦區域之間的信息傳遞和溝通。
磁受體
海龜可以感知磁場，並以此確定方向。許多不同的物種，如老鼠、龍蝦和果蠅，它們似乎也有類似的能力，但一直沒人能在這些動物身上找到磁受體。
研究人員確實在這些動物的大腦里找到了一些線索。2009年，神經學家大衛·迪克曼等人在鴿子實驗中，在轉換磁場的同時進行大腦成像掃描，結果發現磁場變化時鴿子大腦中有53雙神經元隨之發生變化。但是，它們是從哪裡獲取信號的呢？「沒有明顯的比如像耳朵或鼻子之類的信號接受器官。」牛津大學的彼得·霍爾說。
一種猜測認為，這與隱花色素有關。隱花色素是在許多動物眼睛裡發現的一種蛋白質，包括鳥類和鱒魚。據知，隱花色素產生自由基化學碎片的方式取決於磁場。
但這個解釋並非完美。首先，人類眼睛裡也有隱花色素，但我們並不具備磁感，此外，我們也不知道自由基如何產生大腦能夠解讀的信號。
去年，北京大學的研究人員發現了一種可以控制肌肉和神經細胞的磁感應蛋白，難道這才是動物利用磁場找到回家之路的秘密嗎？但霍爾對此持懷疑態度。總之，動物如何利用磁場導航，目前仍是一個謎。
原初引力波
今年2月11日，物理學家宣布黑洞合并時產生的引力波在通過地球時被檢測到，這是科學探索史上的一個里程碑式成果。接下來，科學家想要做的，是傾聽宇宙原初引力波。
引力波是宇宙形成之初，巨大的天體在彼此引力場中移動和加速時，在宇宙結構中產生的波狀漣漪。引力波天文台(LIGO)捕捉到了兩個黑洞合并時產生的引力波，這兩個黑洞每個的質量都相當於我們太陽的大約30倍大。
引力波的發現令科學家深受鼓舞，「它為我們觀察宇宙打開了一個新的窗口。」哈佛大學的天文學家艾維·勒布說。
如果是更大黑洞的合并，如形成成熟星系中心的超大質量黑洞的合并，將發射出波長更長的引力波。「LIGO探測不到這些引力波，」勒布說，「我們需要不同的引力波觀測天文台。」
計劃中的eLISA太空探測器應該對這些引力波敏感，作為這個項目的測試探頭，「LISA探路者」已於去年12月發射升空。但即使是eLISA，也檢測不到人們最想發現的原初引力波———宇宙誕生之初高速擴張期發出的極低頻引力波，這將是最令人信服的，但其波長可能與可見宇宙一般大。
事實上，不可能有足夠大的探測器來探測到這些原初引力波，因此證據只能是間接的。
鯨52
它游弋在太平洋上，呼喚著它的同伴，但從來沒有得到過其他鯨魚的回應。因為這條鯨52，是世界上發出不同尋常52赫茲叫聲的唯一一條鯨魚。事實真是這樣嗎?
它的叫聲頻率比其他鯨魚都要高得多，例如，藍鯨叫聲的頻率為10-39赫茲，長鬚鯨叫聲的頻率為20赫茲。
可以確定這是一條雄性鯨魚，因為只有雄性鯨魚會「唱歌」。加州聖地亞哥斯克里普斯鯨魚聲學實驗室的約翰·希爾德布蘭認為，事實上它可能並不孤獨，像它這樣的鯨魚世界上可能並不只有一條，他的團隊在相隔很遠的幾處地方布置的水中聽音器，在幾個小時內都錄到了這種獨特的鯨魚叫聲。
1989年，生物學家比爾·沃特金斯第一次聽到了鯨52不同尋常的「歌聲」，開始是52赫茲，漸漸變成更低沉的47赫茲。鯨52季節性的遷移行為與藍鯨相似，沃特金斯認為鯨52是藍鯨與長鬚鯨的雜交品種，並推測它的母親是藍鯨，父親是長鬚鯨。鯨52的聲音像是這兩種鯨魚的混合體。
去年，一個考察拍攝鯨52的計劃一無所獲。聲學實驗室布下的水中聽音器網沒有連接到海岸上，在錄音傳回進行處理分析之後，被發現的鯨52早已遠去。
未來的日子裡，在一個本為防止藍鯨被船隻傷害的實時監控網的幫助下，科學家發現這條或多條神秘鯨52的機會將會大大提高。
缺失的一環
每年都有大量的化石被發現，但是科學家一直沒有找到那「缺失的一環」：人類與黑猩猩最後的共同祖先。它們在哪裡?長得什麼模樣?喬治華盛頓大學的塞爾吉奧·阿爾梅西嘉說，「我很想知道答案，這個問題經常讓我徹夜難眠。」
在我們的設想中，大約700萬年前的非洲，這個缺失一環的生物，或用指關節支撐著在地上行走，或在樹木枝椏中搖晃嬉戲。但化石證據很難找到，考古學家找到了大量人類祖先的化石，有的可以追溯到400萬年前，但再久遠的幾乎沒有。
加州大學的內森·揚認為，原因有很多，但如果我們知道我們正在尋找什麼，找起來可能會更容易一些。阿爾梅西嘉對早期古人類和猿類的化石以及現代靈長類動物進行比較後認為，人類祖先的手骨和大腿骨更像人類，它們可能仍然在用四肢走路，但卻與黑猩猩的方式不一樣。揚和他的同事們使用了類似的方法得出結論認為，它們的肩膀與黑猩猩更相似，表明它們像今天的黑猩猩一樣在林間飄蕩。
一個希望是，通過對現代類人猿的基因組進行比較，也許能找到大家都能認同的證據。基因研究的線索表明，人類染色體從猩猩的染色體中分離出來然後分道揚鑣的過程中，有的人要比其他人更早，表明進化是一個分分合合的過程，這當中有分離，有聚合，還有雜交，最後永遠地分離出來。當然這要經曆數百萬年的時間跨度，科學家努力在做的，就是要從這剪不斷理還亂的纏結中，找出一個人類祖先來。
奧爾特雲
不斷進入太陽系的新的彗星，例如2013年12月因太靠近太陽而解體的掠日彗星ISON，對於天文學家來就是奧爾特雲存在的一個證明。「我們可以肯定奧爾特星雲是存在的，雖然我們一直未能發現其中任何一顆天體。」卡內基科學研究所的斯科特·謝潑德說。
幾乎在所有的天文學教科書中都這麼寫：奧爾特雲是一個由數萬億個岩石塊和冰團構成的球狀星雲帶，這些巨大的岩石塊多數都有幾公里寬，環繞在太陽系的外層邊界。
奧爾特雲被認為是行星形成時代留下來的天體，它們的分布和大小可幫助我們了解遠古時代恆星形成的過程。2009年，加州理工學院的伊蘭·奧菲克和以色列特拉維夫大學的埃胡德·納卡爾發現，新發射的開普勒太空望遠鏡在理論上可以探測到幾十公里直徑的奧爾特雲天體，當它正面對著某顆恆星的時候。
事實上，奧爾特星雲的天體在星光中的一次短暫現身有可能是探測器的故障。另外，開普勒太空望遠鏡指向的，是遠離奧爾特星雲天體物質最集中的地方。
生命起源
40億年前，在地球某個地方，最早的生命開始蘇醒。所有的生命使用蛋白質構成DNA並執行其代碼，但蛋白質本身是由DNA模板構成的。那麼是先有蛋白質，還是先有DNA?此外，所有活細胞中發現的與DNA密切相關的RNA中也有遺傳密碼，那麼，RNA又是從哪裡來的呢?
地球生命始於艾達(Ida)。根據達爾文進化論，艾達是從無生命物質演化出來的最早的生命形式。艾達之後又有了盧卡(Luca)———以遺傳密碼存儲信息的一個分子，是地球生命最後的共同祖先。從盧卡開始，產生了地球上所有的生命。從那時起，艾達和盧卡就一直存在於我們每一個人的基因里。
與DNA密切相關的RNA，自身可以催化化學反應。RNA假設認為，盧卡是從「RNA湯」中生成的，最終生成了DNA和世界上第一個細胞。
但RNA又是從哪裡來的呢？
1950年代，美國著名化學家斯坦利·米勒和哈羅德·尤里做了一個有名的實驗，他們電擊氣體和水的混合物，最終產生了少數生物分子。
關於生命的起源還有另外一些流行的說法，例如，倫敦大學學院的尼克·萊恩認為，溫暖的海底火山口提供了由甲烷、礦物質和水的「混合湯」，從中產生了RNA。科羅拉多大學博爾德分校的邁克爾·亞盧斯支持「泥濘池塘」的理論，該理論認為反覆的冰凍和融化過程，推動了生命誕生的化學反應。
有意思的是，最近的RNA誘導實驗表明，在適當的化學過程中，構成生命的許多基本物質幾乎都可以自動生成，極大地增加了在宇宙其他地方發現生命存在的可能性。
膠球
膠球是由一束膠子組成的粒子，是夸克之間的一種強核力，將它們結合在一起形成原子核中的質子和中子。儘管理論家堅持膠球(膠子偶素)的存在，但實驗者也同樣堅信，永遠不可能通過一個實驗，來證明它的存在。
膠子有一個奇怪的屬性：帶有強核力電荷，意味著它們也能彼此依附，形成膠球。
膠子模擬實驗表明，約1500兆電子伏(MeV)足以將大量膠子結合在一起形成一個膠球。1995年，克洛斯和瑞士蘇黎世大學的理論物理學家克勞德·阿姆斯勒證明，歐洲核子研究中心兩個能量分別為1370MeV和1500MeV的粒子「共振」可能符合形成膠球的要求，之後發現了第三個候選對象———能量為1710MeV的粒子。
但這種強核力難以計算，為簡單起見，膠球模擬往往假設為一個完全由膠子組成的世界。真實宇宙中，當你檢測到膠子偶素狀態時，夸克同時也會依附上來，就像襪子的毛邊一樣，無法形成純粹的膠球。看來想要製作一把完全由一束膠球構成的強大光劍的夢想是難以實現了。
鰻魚寶寶
鰻魚寶寶是如何出生的?我們一直不清楚。亞里士多德認為，鰻魚是蚯蚓生出來的，還有人認為它們是天生的。「鰻魚的遷移活動仍然是一個謎。」魁北克拉瓦爾大學的梅勒妮·貝格爾-本說。
世界上有很多很多的鰻魚，但時至今日，沒有人真正知道，小鰻魚是如何生出來的。
目前為止的說法是：鰻魚從美國和歐洲游到數千公里之外的馬尾藻海產卵，那裡是大西洋西部靠近百慕大群島一片廣袤而獨立的環流水域，以水體溫暖、含鹽分多而著名，然後新生的幼鰻從那裡搖頭擺尾游回故鄉。
但這都只是推測，最早是由一個世紀前的丹麥研究人員約翰內斯·施密特在進行了多次馬尾藻海域探險後提出來的，但一直沒有人見到過成年鰻魚在馬尾藻海域和其他地方產卵，甚至也沒有人發現過遷移途中的成年鰻魚。
但馬尾藻海域的故事並非完全沒有道理，瑞典王后島上淡水研究所的哈坎·威克斯托姆說，「馬尾藻海域想必是它們產卵的地方，因為在那裡發現過極微小的鰻魚幼魚。」他說。
鰻魚寶寶哪裡來？這不僅僅是一個令人好奇的學術問題。最近幾十年來，歐洲和美國的鰻魚產量一直在急劇下降，鰻魚已被列為瀕危物種。海洋污染、大壩阻斷河流、過度捕撈以及海洋變暖，都可能是原因之一。
為破解鰻魚產卵之謎，大西洋兩岸的科學家們設法給成年銀鰻裝上微型微波跟蹤器，然後將相關數據傳送到經過的衛星上。但直到2014年，才在馬尾藻海域北面2400公里的地方發現了一條鰻魚身上的追蹤器信號。證據表明，鰻魚在瑞典王后島附近海域被安上跟蹤器以後，成功返回信號的都沒有超出亞述爾群島的範圍，更沒有能夠抵達前往馬尾藻海中途的。在科學家發現某條在產卵的鰻魚之前，它們的出生之謎仍然只是漁民口中的一些傳說故事。
無窮大
「無窮大」這個概念，是數學造就的一個怪物。理智告訴我們，它應該是存在的，只是很快消失在這個概念本身的結果中。根據無窮的定義，無窮大之大是我們的大腦所無法窮盡的。
讓我們先試寫整數序列：1、2、3、4……，我們將它稱為無窮數列，因為這是一個沒有明顯終點的序列。再來看實數：整數加上有理數和無理數(1.5，π，2的平方根，等等)，這些也有無窮多。「事實上有一個無窮大的無窮集，無論你走多遠，總有一個更大的在後面等著你。」英國華威大學數學家伊恩·斯圖爾特說。
數學家在研究數學時，都離不開無窮大和它的對立面無窮小，例如，定義一個完美的圓需要用到π這個無限不循環小數；計算平穩運動需要將時間無限分割等。
但這些都是真實的嗎？以整數為例：你永遠不可能將所有的整數都寫出來。「你寫到死也寫不完。」斯圖爾特說。即使別人可以接過你的接力棒，繼續完成你的遺志，有限的宇宙最終也會耗盡對它們進行編碼的有限信息。
從實際考慮，無窮大通常是物理學家需要避免的東西，不過說來容易做起來難。以宇宙大爆炸理論為例，表明宇宙誕生於一個無限密度和溫度的「奇點」，但數學無法描述如此小空間里的巨大引力。一些讓我們更接近目標的替代方法，如弦理論，通常構想出一個無限多的宇宙，但卻無法解釋為什麼我們的宇宙是這個樣子的。
一部分物理學家和數學家完全繞開「無窮大」這個概念，稱在一個限定的宇宙內，沒有它的位置。斯圖亞特認為，無窮大雖然在理論上是一個非常有用的概念，但我們也不想為它太過勞心費神。
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