游丹南

它們一定在某個地方，只是我們還沒找到。

經(jīng)過一個世紀的探索，引力波終于被發(fā)現(xiàn)了，但這只是劃去了長長的神秘名單中的一個。從產(chǎn)卵的鰻魚到黑洞的事件視界，有很多我們確信存在的事物，如同躲在神秘的黑箱中，始終不見蹤影。下面我們就為大家列舉10個這樣的有趣例子。

宇宙物理中的黑箱

黑洞

黑洞是我們耳熟能詳?shù)氖挛?，理論早已證明它的存在，我們也已經(jīng)談論了很多年，但就是沒人見過它的真容。

黑洞的引力如此強大，沒人任何物質(zhì)，包括能使它們可見的光，能從它的引力場中逃脫出來。所以，黑洞不能像普通天體那樣能夠直接觀測到。而最近所探測到的引力波，是兩個相對較小的黑洞合并時產(chǎn)生的。這可看作黑洞存在的間接證據(jù)——也許是目前最好的證據(jù)。天文學家認為，引力波的發(fā)現(xiàn)說明了黑洞或類似的東西廣泛分布于宇宙之中。

但如果使用現(xiàn)有的理論來分析黑洞，就會產(chǎn)生許多悖論。例如，理論表明黑洞會因不停輻射“霍金輻射”而逐漸萎縮變小，直至消失。那么，黑洞內(nèi)部物質(zhì)攜帶的信息也會隨之消失嗎？現(xiàn)在，理論學家仍沒有找到一個完美的解釋理論。

也許，直接觀測到黑洞才能搞清楚這些問題。

現(xiàn)在，一個被稱為“事件視界望遠鏡”的觀測陣列，集結(jié)了位于美國、墨西哥、智利、法國、格陵蘭島和南極的天文望遠鏡，將會在2017年發(fā)揮出全部的威力。這個觀測陣列的主要任務是通過尋找圍繞人馬座A*的高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)光發(fā)熱物質(zhì)，來為它畫一個大致的圖像。人馬座A*位于銀河系的銀心，它的質(zhì)量是太陽質(zhì)量的400多萬倍，使得附近的恒星都瘋狂地圍繞它旋轉(zhuǎn)。許多天文學家認為它就是一個黑洞。如果這是真的，那么對它的觀測結(jié)果進行分析，應該可以得到一些黑洞內(nèi)部的信息，也許還能搞清楚我們的黑洞理論該怎樣修正，才可消除悖論。

奧爾特云

你會在每一本天文學教科書里看見它：一個圍繞太陽、主要由億萬塊巖石和冰塊組成的球狀云團，是太陽系的外層邊界。奧爾特云的最遠邊緣到太陽的距離，是地日距離的10萬倍，這已經(jīng)越過了前往臨近恒星——比鄰星路程的三分之一。

不過，奧爾特云內(nèi)的天體都太小了，而且?guī)缀跆幱诤诎抵?。所以，我們從來就沒見過奧爾特云。唯一間接表明奧爾特云存在的證據(jù)是，那些“長周期”彗星偶爾的造訪。遠離太陽的奧爾特云容易受到臨近恒星或整個銀河系引力的擾動，致使奧爾特云的天體離開原有軌道，進入內(nèi)太陽系，成為彗星。

奧爾特云的天體被認為是太陽系形成時遺留下來的物質(zhì)，它們的分布和大小可以幫助我們理解這一過程。尋找系外行星時所使用的一個技術(shù)——尋找凌星（行星從恒星“臉”前掠過）時恒星亮度的變化——可用來找到奧爾特云。2009年，天文學家發(fā)現(xiàn)，從理論上來講，新發(fā)射的開普勒太空望遠鏡可以探測到奧爾特云中幾十千米寬的天體——如果它們正好從某顆恒星“臉”前掠過的話。

但在實踐中，星光短暫地變暗常常會被認為是探測器的故障。而且，開普勒指向的是太陽系平面的上方，遠離奧爾特云天體最為集中的地方。但不斷涌入內(nèi)太陽系的新彗星，給了天文學家足夠多的研究材料。因此，天文學家都很確信奧爾特云的存在，即使我們從未見過它。

膠球

膠子是傳遞夸克之間強核力的粒子，能使夸克們粘在一起形成諸如質(zhì)子或中子等強子。膠子還有一個奇怪的性質(zhì)：因為它們也能感受到強核力，這意味著它們彼此也可以結(jié)合在一起。于是，理論學家提出了膠球概念——一種完全由一堆膠子構(gòu)成的復合粒子。

盡管許多理論學家堅信膠球必然存在，但實驗人員卻認為我們可能永遠找不到它們。

理論研究表明，能量達到1500兆電子伏特，或者說相當于一個質(zhì)子所含能量的一半時，就足以把一堆膠子粘在一起，形成一個膠球。1995年，瑞士蘇黎世大學的理論學家提出，在歐洲核子研究中心發(fā)現(xiàn)的兩個分別具有大約1370兆電子伏特和1500兆電子伏特的粒子，可能就是膠球。之后，他們還發(fā)現(xiàn)了第三個候選者，它具有的能量約為1710兆電子伏特。

但強核力是出了名的難以計算。為簡單起見，膠球的模擬計算往往是在一個只充滿膠子的假想世界中進行的，但真實的世界并非如此。當你開始準備測量一個膠球時，夸克也會不可避免地迅速粘到膠球上，就像一些帶刺草籽會粘到襪子上一樣，因此你很難證明它曾經(jīng)是一個純粹由膠子構(gòu)成的粒子。所以，上面那三個候選粒子很有可能是包含夸克的復合粒子，真正的膠球我們還是無法發(fā)現(xiàn)。

動物中的黑箱

磁受體

隨著小海龜從美國佛羅里達海灘上的卵中破殼而出，生物學家肯·羅曼開始了行動。他舀起一些小海龜，把它們放進一個黑屋子里的水箱中，水箱的周圍繞著電磁線圈，然后他試著改變磁場方向……

這是羅曼在1991年所開創(chuàng)的新實驗，它證實了之前的懷疑：海龜可以感知磁場，根據(jù)磁場方向的變化來改變游動的方向。那么是什么原因使得它們不僅能感知地球的磁場，還能借此導航？許多不同種類的生物，例如老鼠、龍蝦和果蠅，似乎也有類似的能力，但沒人找到它們感知磁場的生物器官，即一種被稱為磁受體的東西。

針對這些動物大腦的研究，我們有了些線索。2009年，美國的神經(jīng)科學家對鴿子大腦在磁場下的活動情況進行了成像。他們發(fā)現(xiàn)，隨著磁場的變化，鴿子大腦內(nèi)有53對神經(jīng)元改變了激活方式。但是，它們從哪里得到磁場改變的信號呢？鴿子身上并沒有像耳朵或鼻子那種明顯的器官來感知磁場。

一個候選對象是隱花色素——一種在鳥類、鱒魚等許多動物的眼睛發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)。這種蛋白質(zhì)能感知磁場變化。研究人員還發(fā)現(xiàn)，用基因工程把果蠅的產(chǎn)生隱花色素的基因去除后，果蠅就感知不到磁場變化了。

但這一解釋并不全面。首先，我們?nèi)祟惖难劬χ幸灿须[花色素，但我們卻不能感知磁場。其次，沒人知道磁場是如何向大腦傳入信號的。

2015年，來自北京大學的研究人員發(fā)現(xiàn)了一個對磁場敏感的蛋白質(zhì)（名為MayR），而且它還具有控制肌肉細胞和神經(jīng)元的能力。這是一個新的候選對象嗎？許多科學家對此表示懷疑?？傊?，在這個研究領域中，科學家有點迷路了。

52赫茲鯨

它以“世界上最孤獨的鯨”而出名。它出沒于太平洋，呼喚著它的同伴，但從來沒有得到一個應答。52赫茲鯨是獨一無二的，它能發(fā)出52赫茲的歌聲，但這一頻率比起任何已知品種的鯨都高很多（藍鯨的為10到39赫茲，長須鯨的約為20赫茲）。

1989年，52赫茲鯨的歌聲首先被生物學家比爾·沃特金斯記錄到。但是，即使到了現(xiàn)在，我們還沒有見到這頭唱歌“跑調(diào)”的鯨。

然而，這頭雄性鯨——只有雄性鯨可發(fā)出宏亮的歌聲——可能并不是獨一無二的。美國斯克里普斯鯨魚聲學實驗室的約翰·希爾德布蘭認為，應該有不止一頭這樣的鯨。因為，他的團隊曾利用水聽器只在幾個小時之內(nèi)就記錄到這種獨特的鯨魚之歌。

它季節(jié)性的游弋路線類似于藍鯨，沃特金斯認為它是藍鯨與長須鯨的雜交物種。希爾德布蘭認為，它的母親是藍鯨，而父親是長須鯨。長須鯨像鼓手，會發(fā)出短促的歌聲，而藍鯨像美聲歌唱家，可拉長音，52赫茲鯨則有點混合這兩種唱法。

2015年，一個嘗試找到52赫茲鯨的項目以失敗告終，因為調(diào)查人員沒有及時地分析水聽器錄下的聲音。等他們開始分析錄音時，才發(fā)現(xiàn)要找的動物早已跑遠了?，F(xiàn)在，位于美國加州圣巴巴拉海峽的監(jiān)測網(wǎng)絡——主要是用來監(jiān)聽藍鯨的——可能還有機會找到這個或這些神秘動物。

產(chǎn)卵的鰻魚

自然界中有很多很多鰻魚，然而直到今天，也沒有人真正知道鰻魚是怎么生產(chǎn)下一代的。我們常聽說這樣一個遷徙故事：美洲鰻和歐洲鰻穿過數(shù)千千米的水域，游到馬尾藻海來產(chǎn)卵。馬尾藻海位于北大西洋西部，臨近百慕大群島，是一個巨大的、有著獨立環(huán)流的溫暖海域。新出生的幼鰻從這里游回到各大洲河流里生活。

但上面這個故事完全是推測出來的。這個故事是丹麥研究人員約翰內(nèi)斯·施密特在一個世紀前，根據(jù)他在馬尾藻海的一系列探險而推測出的。但直到現(xiàn)在，沒人見過正在這里產(chǎn)卵的成年鰻魚，也沒人見過產(chǎn)卵后洄游的成年鰻魚，它們的遷徙故事完全成謎。但這一切一定與馬尾藻海有關(guān)，因為在那里能找到微小的幼鰻。

最近，為了破解鰻魚產(chǎn)卵之謎，大西洋兩岸的科學家給一些成年鰻魚裝備了微小的追蹤器。這些追蹤器會在6個月后自動浮出海面，并通過衛(wèi)星發(fā)布數(shù)據(jù)。開始時，沒有得到任何有價值的數(shù)據(jù)。直到2014年，一條在加拿大海岸放生的鰻魚，被追蹤到在2400千米外的馬尾藻海北部邊界出現(xiàn)。盡管這可作為證據(jù)，但是這只是來自一條魚的數(shù)據(jù)。而在瑞典標記的歐洲鰻所傳回的數(shù)據(jù)，沒有一個是越過了亞速爾群島的。而抵達亞速爾群島的路途，還不到抵達馬尾藻海路途的一半長。另外，科學家現(xiàn)在也沒追蹤到哪怕一條產(chǎn)卵中的鰻魚?？磥?，這些狡猾的魚類仍將保持神秘。

生命進化的黑箱

地球上的第一個生命

科學家把地球上第一個從非生命變?yōu)樯臇|西稱為“艾達（IDA）”，即最初達爾文主義祖先（the Initial Darwinian Ancestor）。之后，艾達產(chǎn)生了露卡（LUCA），即最后的共同祖先（the Last Universal Common Ancestor）——使用遺傳密碼存儲信息的一種分子，地球上現(xiàn)存的和已經(jīng)滅絕的所有生物都由露卡衍生而來的。

可以說，艾達和露卡仍生活在我們身體中。我們細胞內(nèi)的DNA都使用著與之相同的遺傳密碼，這暗示著露卡也可能就是DNA構(gòu)成的。但事實上并沒那么簡單。所有的生命都是用蛋白質(zhì)來把脫氧核糖核苷酸合成DNA，并執(zhí)行DNA上的代碼，但是蛋白質(zhì)本身也是由DNA模板制造出的。那么誰先誕生出來的？

也許哪個都不是。RNA與DNA類似，而且存在于所有的活細胞中。它也攜帶遺傳密碼，最為關(guān)鍵的是，它還可以催化生物化學反應。所以，一種被稱為“RNA世界”的假說認為，露卡是RNA構(gòu)成的，它最終產(chǎn)生了DNA和第一個細胞。

但是，RNA又是從哪里來的呢？英國倫敦大學學院的尼克·萊恩認為，溫暖的海底火山口有著很多甲烷和礦物質(zhì)，RNA可能會在此誕生。而且，最近模擬RNA誕生的實驗表明，如果化學物質(zhì)合適的話，許多生命的基本零件幾乎都可以自發(fā)地組裝起來。

黑猩猩到人類缺失的環(huán)節(jié)

每年都有許多古人類和古猿的化石被發(fā)現(xiàn)，但我們?nèi)匀粵]有挖出原始的“缺失的環(huán)節(jié)”——人類和黑猩猩的最后共同祖先在哪里？

我們有一個很不錯的理論，告訴我們這個生物何時存在以及在哪里出現(xiàn)：在非洲，大約700萬年前。但是化石證據(jù)卻十分難找。經(jīng)過幾十年的搜索，我們已經(jīng)有了相當豐富的人類祖先的化石，最早可以追溯到400多萬年前，但是更早的祖先幾乎沒有留下什么化石。

這可能是多種原因?qū)е碌?。與早期的祖先相比，較晚的人類祖先的數(shù)量已經(jīng)很多，而且在新的生活區(qū)域，例如湖岸或洞穴那里，他們更可能會變?yōu)榛?/p>

如果我們知道要找的化石是什么樣的，那么找起它們來會更容易。比較早期古人類化石、猿類化石和大量現(xiàn)存的靈長類動物，一些古人類學家認為，更早的祖先是有手的，而且大腿骨更像人類的。他們可能仍然用四肢走路，但是不是黑猩猩那樣。另一些古人類學家認為，他們的肩膀更像黑猩猩的，可能會像現(xiàn)在的黑猩猩那樣能在樹之間晃蕩。

科學家希望對現(xiàn)存猿類的基因組進行比較，以得到人與黑猩猩分道揚鑣的時間表。但最近的基因研究暗示，我們的一些染色體從早期祖先那里分化出來的時間，比另一些染色體的分化時間更早。這可能暗示著早期靈長類曾分開過一段時間，然后又重新回到一起發(fā)生雜交，然后再分開并出現(xiàn)永久的隔離，而這一切只經(jīng)歷了數(shù)百萬年。所以，古人類學家現(xiàn)在面對的是一個十分混亂的局面，找到真正的早期祖先更是難上加難。

思維的黑箱

意識

意識不是我們所能看到的東西，它是我們看到東西時所需要的東西，這使得對意識的研究變得極具挑戰(zhàn)性。

意識的作用就像一個開關(guān)：你要么能體驗到世界，要么就體驗不到。所以，一種通常定義意識的方法是這樣的：一種在我們進入無夢睡眠時失去的東西，而當我們醒來后又重新得到的東西。但事實上，你能體驗到多種不同水平的意識。比如我麻醉你：你也許能聽到我的說話，但無法應答；你也許進入夢鄉(xiāng)并聽不到我說話；你也許什么都感受不到，既不做夢，也聽不到我說話。那么，這些不同水平的意識體驗與哪些大腦區(qū)域的活動有關(guān)呢？

我們知道大腦中的一些區(qū)域如果損壞或受刺激后，會引發(fā)意識的喪失。屏狀體——一種深埋于大腦中的薄片結(jié)構(gòu)，就是其中之一。但許多主流理論認為，意識并不局限于某一個解剖結(jié)構(gòu)上。例如，“信息整合理論”就認為，意識是整合的數(shù)據(jù)大于各部分相加的一種效果，即“1+1大于2”的效果。而無意識不一定是因大腦區(qū)域被關(guān)閉了，也可能只是一個通信故障。

最近，一些研究人員掃描了志愿者緩慢麻醉時的大腦活動情況，掃描結(jié)果似乎符合“信息整合理論”。這也解釋了為什么氯胺酮具有迷幻作用：這種強效的鎮(zhèn)靜劑會降低大腦不同區(qū)域之間的信號傳遞。

無窮大

數(shù)學中的許多地方都可找到無窮大。沒有無窮大，以及它的相反面無窮小，數(shù)學很難順利地進行下去。

當我們嘗試寫下所有的正整數(shù)時，很容易發(fā)現(xiàn)這個序列是沒有盡頭的，于是我們把最后一項就叫做無窮大；定義一個完美的圓，需要一個小數(shù)部分是無窮盡的數(shù)π；計算連續(xù)運動，我們需要把時間分割為無窮小的塊兒。

但這些在實際中是真實存在的嗎？就拿整數(shù)來說，你是永遠不可能寫完的。

鑒于這個原因，處理實際問題時，物理學家通常要避免出現(xiàn)無窮大，但這說起來容易做起來難。例如，宇宙大爆炸理論認為宇宙誕生的“奇點”具有無窮大的密度和溫度，但是面對這種無窮大，分析它的物理規(guī)律就都失效了。一些諸如弦理論的替代理論，旨在讓我們避免這些無窮大，但是這些理論仍不成熟，而且有時仍會產(chǎn)生其他的無窮大問題。

少數(shù)的科學家認為我們要完全避開無窮大，還聲稱它在一個有限的宇宙中并不存在。但大多數(shù)科學家并不想放棄它。因為，只要能確保它不會毀了你的計算，無窮大的概念仍十分有用。