科學家最想知道的答案(下)

今年科學家最想知道什么呢？

上一次我們說到，世界最權威的學術期刊——美國的《科學》雜志，公布了125個最具挑戰(zhàn)性的科學問題，并預言在今后幾十年的時間里，全世界最優(yōu)秀的科學家們將致力于研究解決這些問題。

據(jù)統(tǒng)計，在這125個問題中，涉及生命科學的問題占46%，關系宇宙和地球的問題占16%，與物質科學相關的問題占14%，認知科學問題占9%，其余問題分別涉及數(shù)學與計算機科學、政治與經濟、能源、環(huán)境和人口等各個學科。所謂科學家，其實就是一群承認自己不知道，而又努力在現(xiàn)實中尋找答案的人。

這些問題我們上期介紹了其中的一部分，現(xiàn)在我們來看看另一部分。我們會以一些問題為例，介紹目前科學家碰到的問題，也許其中就有你感興趣的，沒準兒將來你會解開某個問題的關鍵環(huán)節(jié)，這也說不定呢。

1.地球內部如何運行?

人類自古就有登上太空的夢想，古人認為天空以上是神的世界，登上去可以長生不老；與此相反，地面以下的世界通常被認為是冥界，是人們去世后或許要去的地方。古人往地下挖，能挖一百米深就是不得了的大工程了，地下深處究竟是什么樣子，誰也不知道。

人類在幾百年前通過環(huán)球旅行確認了地球的形狀和大小，也知道了太陽系的環(huán)境和構造，但是對地下的情況基本上還是一無所知。直到地理學家發(fā)現(xiàn)了地震波的特性，才對地球內部結構開始了解。

我們大概知道，地球內部有幾個大的層面。巖石的外殼叫作地殼，平均深40千米，里面是由熾熱而粘稠的巖石組成的地幔，平均深2700千米。地殼和地幔的分界是莫霍洛維奇不連續(xù)面（莫霍面），于1909年被南斯拉夫地震學家莫霍洛維奇發(fā)現(xiàn)。地幔的深處是地核，分界面是古登堡面，于1914年被美國地震學家古登堡發(fā)現(xiàn)。地核有兩層，分別是液態(tài)外核和堅實的內核。

我們對地球內部的情況了解得驚人的少。我們知道地表的主要成分是硅酸鹽，硅酸鹽很輕，不足以說明地球的整體密度，地球內部的元素會比較重。為了產生磁場，地球內部肯定要有濃縮的液態(tài)金屬元素帶。除此之外，我們了解得就不多了，地殼、地幔和兩層地核，究竟是怎么形成的，它們之間是怎么相互作用的，以后它們會發(fā)生些什么？我們幾乎什么都說不清楚。為什么說不清楚呢？因為我們根本沒見過地幔和地核，對于它們的研究，在很大程度上還是猜測。

為了增進對地球內部的了解，科學家們從20世紀60年代開始，就渴望挖開地殼，取一塊真實的地幔來看看，事實證明這個任務難得不可思議。美國人覺得海底的地殼比較薄，應該比較容易鉆探，實際上只向下打了幾百米就打不下去了。蘇聯(lián)人有一股子堅持的韌勁，向下打了12262米，最后也是因為難度太大而打不下去了。蘇聯(lián)人的鉆探發(fā)現(xiàn)，地震波傳回來的信息未必準確，挖出來的巖石層和地震波測定的結果不相符，地下世界比想象中暖和得多，一萬多米深的地方溫度高達180°C，巖石縫隙中充滿水。悲觀論者認為，我們對地球內部信息的了解只能依賴于地震波，如果地震波反應的結果與實際情況不太相符，那等于我們對地下世界一無所知。

總之，和上天一樣，入地也是一項偉大的工程。預測地震、了解地球資源，歸根結底要依靠對地球內部的了解?？茖W家們依然在做著各種打穿地殼的計劃和實驗，但是到目前為止，我們連地殼的三分之一都打不到。

2.地球人類在宇宙中是否獨一無二

“外星人”是一個很有吸引力的話題，那么，是否真的有外星人呢？

每當夜幕降臨時，我們可以看到滿天繁星，非常壯麗，事實上，我們肉眼只能看到大約2500顆恒星，這個數(shù)量只是銀河系里恒星數(shù)量的一億分之一，也許還不到。這2500顆恒星離我們的距離大部分都在1000光年之內，這點兒距離在銀河系里也就是個大一些的“點”罷了，銀河系里有1000～4000億顆恒星，那才叫滿天繁星。宇宙里有多少個像銀河一樣的大星系呢？在可見的范圍內，大概也有幾千億個。

生命是罕見的，但是在龐大的數(shù)量面前，一切都是有可能的。說幾個數(shù)據(jù)吧，根據(jù)粗略估算，地球上有一粒沙子，可見的宇宙里就有一萬顆恒星，而且，哪怕以最嚴格的測算方法，地球上的一粒沙子，也可以在宇宙里對應100顆和地球條件差不多的行星。我們假設類地行星上，只有1%的概率存在生命，又只有1%的概率發(fā)展出文明，那么，可觀測的宇宙里的智慧文明至少要有上百億個。同樣，銀河系里能有多少文明也是可以估計的，科學家們保守地估計，大概有十萬個吧。

在巨大的數(shù)量面前，我們有信心說，宇宙里肯定有外星人，我們肯定不是宇宙的“孤兒”。

然而問題是，我們并沒有收到過來自其他文明的信號，找也找不到，看也看不到?？茖W家在想方設法積極尋找外星人，向宇宙各個方向進行廣播，希望能被外星人發(fā)現(xiàn)。

我們的地球有四十多億年的歷史，年頭雖長，但在銀河系里并不是很古老的星球，比我們古老幾十億年的行星比比皆是。

3.在太陽系的其他星球上，現(xiàn)在和過去是否存在生命?

這個問題和前一個問題高度相關。

從概率上說，宇宙里應該有那么多生命，實際上我們看不到來自其他星球的生命。這是怎么回事？如果宇宙里真的沒有其他智能生命，對我們而言又有什么意義呢？

一種說法是：宇宙誕生生命的難度大得異乎尋常。以地球為例，太陽系只有地球是處于溫度合適的金鳳花帶上，水以液態(tài)存在。經過漫長的時間，一般元素在水中逐漸從無機物變成有機物，再用很多億年的時間發(fā)展出DNA，出現(xiàn)生命。之后生命還要用幾十億年時間才能進化成寒武紀之后的復雜生物，復雜生物還要花幾億年的時間，才能出現(xiàn)人類這樣的智慧生物。這個觀點是想說：我們是宇宙里最古老的一批智慧生物。

另一種說法是：文明發(fā)展到一定程度之后，會自我毀滅，例如被核戰(zhàn)爭或者其他一些奇怪的高科技消滅掉……這似乎也并非不可能。

太陽系里除了地球之外，最有可能出現(xiàn)生命的，是土星的衛(wèi)星——泰坦。泰坦星離太陽很遠，表面溫度很低，水只能以冰的形式存在。泰坦星的大氣里主要是氮，密度很大，沒有氧氣。泰坦又是太陽系里除了地球之外，唯一會下雨的星，表面有湖泊和海洋，這些不是水，而是液體的甲烷和乙烷?？茖W家一直懷疑，如果太陽系里有其他的生物，最有可能出現(xiàn)的地方就是泰坦星了。那里的生命可以吸進氫氣，呼出甲烷，能量來自乙炔。

如果泰坦星上有生物，或者火星、金星這種行星上曾經有過生命，說明宇宙里出現(xiàn)生命的條件比我們想象得要低得多，生命的數(shù)量要遠比我們想象得要多得多?？茖W家們希望仔細探查太陽系的其他星球，如果沒有任何生命跡象，說明宇宙里觀測不到外星人的原因，是宇宙本身太難出現(xiàn)生命了。

4.地球到底能負擔多少人口?

我們今天的人類，都屬于晚期智人，祖先來自于一個大概只有一千多人的小群體。這個小群體憑借超級棒的智商，征服了地球，開枝散葉，開創(chuàng)了人類的時代，到了21世紀初的今天，我們的人口已經超過70億了。

這70億人說多不多，說少也不少，人擠人站在一起，大概能站滿大半個北京市區(qū)，如果都堆起來，大概能組成一個幾百米高的金字塔。要是單純按地球陸地面積來算，地球人口再多幾千倍都能站得下。然而事情不能這么算，地球上的土地，大部分不是太冷，就是太熱，要不然太高，還有的地方太干，總之，九成以上的土地是不適合人類居住的。只要看看中國的人口分布就知道，從黑龍江省黑河到云南省騰沖之間，如果畫一條線，你會驚訝地發(fā)現(xiàn)，96%的中國人口居住在這條線的東南方，只有4%的人口住在西北方。這是可以理解的，人類最高的居住海拔是5500米，青藏高原上能住的人有限，新疆的塔克拉瑪干沙漠大概也住不了幾個人。

自數(shù)百年前馬爾薩斯的時代開始，人類就開始擔心，我們小小的地球村究竟能裝下多少人。從20世紀開始，世界各國都進行了或多或少的人口控制，在中國叫作計劃生育政策。這個原因不純粹是因為土地不夠，更大的擔心來自于資源不足。地球的資源，無論是煤炭、石油等能源，還是金、銀、銅、鐵等礦產，還有樹木、山石等材料，歸根結底都是有限的。地球就這么大，東西就這么多，如果人太多了，地球的負擔總有上限。

我們現(xiàn)在越來越意識到，人口雖然在增長，但是資源的價格一直在下跌，因為我們開發(fā)利用資源的能力越來越強了。換言之，人口越來越多，我們能利用的資源也越來越多，這大概不會是一個問題。然而，地球的面積終究是有限的，人口要是隨意增長，肯定有一天會出問題。

我們可以想一下，如果第一代人是10億，其中5億男人5億女人，他們互相配對之后成家生子。如果大家都只生一個，第二代會有多少人呢？答案是5億人，也就是說，只需要一代，人口就能衰減一半，第三代是2.5億人，如此下去，這些人很快就滅絕了。相反，如果大家都生三個孩子，那么第二代會有多少人呢？答案是15億，第三代是22.5億。如此下去，每一代增加1.5倍，用不了幾千年，地球大概就要滿了。實際上，世上的夫妻在長期大樣本的統(tǒng)計中，生育率基本維持在兩個多一點點，不然沒辦法維持人口的正常緩慢增長。讓人類生育率不做太大變化的根本原因是什么呢？現(xiàn)在還說不清楚。

人口的增長，本身就是一個奇怪的問題。人類的生育規(guī)律我們到現(xiàn)在沒有真正摸清楚，實際情況非常復雜。原來我們以為人窮就會多生孩子，在非洲確實有很多貧窮的國家人口飛速膨脹，后來我們發(fā)現(xiàn)了孟加拉國，那里窮得叮當響，但是生育率并不是特別高；原來我們以為人富有了就可以隨便生孩子了，事實上很多人富裕起來后，考慮到各種成本高昂，反而不生孩子了，例如日本、德國那種富裕國家的人口居然會逐漸下降。

總之，地球上會出現(xiàn)多少人口，地球又能負擔多少人口，是一個值得研究的問題。這個問題的答案，也許會讓人類社會學有顛覆性的進展。

馬爾薩斯：英國教士、經濟學家。以人口理論聞名于世。在1798出版的《人口論》中指出：人口按幾何級數(shù)增長而生活資料只能按算術級數(shù)增長，所以不可避免地要導致饑饉、戰(zhàn)爭和疾病；呼吁采取果斷措施，遏制人口出生率。

5.宇宙是否唯一?

宇宙只有一個嗎？這聽起來是句廢話，因為無法證實，也無法證偽。你說宇宙有兩個，你有證據(jù)嗎？你說宇宙只有一個，你能證明沒有第二個嗎？這種不能證實或者證偽的命題，聽起來似乎是沒有意義的胡思亂想，但這個還真不是！

我們先來談一個看似無關的問題：地球為什么有生命？答案是多選題，因為必須滿足好幾個要求。

第一：我們的星球必須在金鳳花帶上，離太陽不遠不近，溫度恰好在0～100°C之間，水以液態(tài)存在，方便碳原子產生有機物，如果我們離太陽的距離要是再近5%或者遠15%，地球就不會有大量的液態(tài)水了。

第二：足夠的時間。一個合適的星球，要出現(xiàn)生命，需要漫長的演化時間，從無機物到有機物，從有機物到生物，從單細胞生物到多細胞生物，從無性繁殖到有性繁殖，從動物到智慧動物，從智慧動物到文明社會。幾乎生命的每一步腳印都需要漫長的時間和好得令人難以置信的好運氣，這個好運氣只能靠漫長的時間來實現(xiàn)。

第三：生命進化需要漫長的時間，太陽不能太大。恒星越大，燃燒越快，如果太陽是現(xiàn)在的10倍大，那么它燒個幾千萬年就完蛋了。地球根本沒機會在那么短時間內發(fā)展出智慧生命。

第四：一個活躍的行星。月亮是我們的伴星，我們的外在條件月亮也有，只可惜月亮上沒有兔子。原因何在呢？地球有移動著的大陸板塊，無數(shù)火山不斷噴出氣體，建立了大氣層和磁場，讓地球上的生命恰到好處地被保護了起來。地球板塊移動的褶皺造成了山巒起伏，也確保了有一部分土地始終在水面以上，這為地面上動植物的發(fā)展提供了可能。

第五：一個幫助穩(wěn)定的伴星。我們不能缺少太陽，同樣，我們也不能缺少月亮。由于月亮的引力，地球以合適的速度和角度進行自轉，為生命的長期穩(wěn)定發(fā)展提供良好的環(huán)境。如果一個行星缺乏維穩(wěn)的伴星，搖搖晃晃的，那天氣肯定會糟糕得很。

地球能出現(xiàn)生命，要滿足一大堆的復雜要求。我們已經在這里了，說明地球是滿足這些條件的。月球或者火星不滿足生命出現(xiàn)的條件，所以我們一開始就不會出現(xiàn)在那里。

那么，再進一步說，宇宙呢？我們?yōu)槭裁磿霈F(xiàn)在這個宇宙里？

宇宙的基本原理，是物理定律。宇宙的物理定律數(shù)值之精密，讓人嘆為觀止。宇宙有一大堆常數(shù)，規(guī)定了從引力到量子力學的種種效應，這些效應的數(shù)值稍微改變那么一點點，例如，強核力的力度改變0.5%，宇宙里就不會有生命了。

如果說地球出現(xiàn)生命，要滿足五個條件，那宇宙出現(xiàn)生命，恐怕要滿足五千個條件了。從宇宙的維度到引力的常數(shù)，苛刻到讓人覺得這個宇宙必須是故意設計出來的才行。

那么，我們該如何理解宇宙的各個數(shù)值都如此精確呢？難道真的需要求助于上帝的神創(chuàng)論嗎？物理學家們提出了新的說法，那就是宇宙可能會有無數(shù)個，在無數(shù)個宇宙里，我們恰好處在一個各種常數(shù)都適合生命出現(xiàn)的宇宙里。那些不適合生命出現(xiàn)的宇宙，例如，二維的平面宇宙，我們也不可能在那里出現(xiàn)，就像我們不會出現(xiàn)在月球上一樣。

這個多宇宙的概念，在基礎物理和數(shù)學上，都有精密的測算，可以自圓其說。但是究竟有沒有，如何證明或者證偽，還需要科學家去不斷地鉆研。

6.地球上有多少物種?

世界上的生物，有一個完善的分類方式，那就是七字真言：界門綱目科屬種。界是最大的分類，一般而言有五界：原核生物界、原生生物界、植物界、真菌界、動物界。界下是各種細分，以我們人類而言，具體的物種分類是這樣的：動物界、脊索動物門、脊椎動物亞門、哺乳綱、靈長目、真猴亞目、窄鼻猴次目、類人猿超科、人科、人屬、人種，我們大部分中國人屬于人種里的蒙古人亞種。

按照這種科學的分類方法，我們可以把全世界的生物統(tǒng)統(tǒng)歸納總結起來。但實際上，這個任務難度高得異乎尋常。我們以動物界——節(jié)肢動物門——昆蟲綱（簡稱昆蟲）為例，世界上大概有一萬名物種分類學家，他們每年可以發(fā)現(xiàn)并總結大約15000個新物種，而光是昆蟲，我們預計的未發(fā)現(xiàn)種類大概是幾千萬到一億種之間。按照現(xiàn)在的發(fā)現(xiàn)速度，全世界的物種分類學界要工作好幾千年才能完成一個昆蟲綱的發(fā)現(xiàn)分類工作。

現(xiàn)在可以簡單總結一下，在科學昌明的今天，為什么我們連“世界上有多少物種”這樣的博物學基本問題也完全回答不了。原因有如下幾個：

第一：大部分的生物太小了，注意不到。

你的枕頭上有數(shù)以萬計的螨蟲，它們自遠古以來就存在在人類的床榻之上，但是直到1965年才被發(fā)現(xiàn)，原因是什么呢？它們太小了，肉眼看不到。小生物太多，而且不被人類注意，這點并不是什么新聞。你只要走進一個森林，隨便一個森林，抓起一把泥土，就能發(fā)現(xiàn)一大堆人類前所未知的新細菌。據(jù)保守估計，等待我們發(fā)現(xiàn)的細菌還有幾億種，也許是幾十億種。

第二：人才不足。

倫敦有一個喜歡研究吸螨（一種常見但罕為人知的微生物）的人，他發(fā)現(xiàn)了幾百種吸螨，可以說，幾乎全世界的吸螨都是他一個人發(fā)現(xiàn)的。他的研究不重要嗎？不，很重要，但就是沒人做。為什么？因為一切事情都是有成本的，現(xiàn)實就是沒錢雇人去做那么多發(fā)現(xiàn)新生物的研究，也沒有足夠多的受過專業(yè)訓練的人。

第三：地球太大。

我們看著地球儀，叫著地球村，好像地球不大一樣，但實際上，地球很大，有很多地方科學家還沒去過。一個植物學家只要在熱帶雨林里找對地方，一天發(fā)現(xiàn)幾十種新植物是很正常的。熱帶雨林占地表面積大概6%，如果現(xiàn)有的生物學家去考察一遍，發(fā)現(xiàn)一下新物種，保守估計也要幾千年。

接下來，我們來看看其他的問題，聰明的你也可以看一看，有沒有自己感興趣，想要研究一下的議題呢？

是什么驅動宇宙膨脹?

在胚胎期，不對稱現(xiàn)象是如何確定的?

翼、鰭和面孔如何發(fā)育進化?

是什么引發(fā)了青春期?

干細胞是否位于所有腫瘤的中心?

腫瘤更容易通過免疫進行控制嗎?

腫瘤的控制比治愈是否更容易?

炎癥是所有慢性疾病的主要原因嗎?

瘋牛病會怎樣發(fā)展?

脊椎動物在多大程度上依賴先天免疫系統(tǒng)來抵抗傳染病?

對抗原而言，免疫記憶需要延長暴露嗎?

為什么孕婦的免疫系統(tǒng)不拒絕其胎兒?

什么與有機體的生物鐘同步?

遷徙生物怎樣發(fā)現(xiàn)其遷移路線?

為什么要睡眠?

人類為什么會做夢?

語言學習為什么存在臨界期?

信息素影響人類行為嗎?

一般麻醉劑如何發(fā)揮作用?

導致精神分裂癥的原因是什么?

引發(fā)孤獨癥的原因是什么?

阿茲海默癥患者的生命能夠延續(xù)多久?

致癮的生物學基礎是什么?

大腦如何建立道德觀念?

通過計算機進行學習的極限是什么?

有多少個性源于遺傳?

性別傾向的生物學根源是什么?

生命樹是生命之間系統(tǒng)關系最好的表達方式嗎?

什么是物種?

橫向轉移為什么會發(fā)生在眾多的物種中以及如何發(fā)生?

誰是世界的共同祖先?

植物的花朵如何進化?

植物怎樣制造細胞壁?

如何控制植物生長?

為什么所有的植物不能免疫一切疾病?

在外界壓力環(huán)境下，植物的變異基礎是什么?

是什么引起物質消失?

能否避免物種消亡?

一些恐龍為什么如此龐大?

生態(tài)系統(tǒng)對全球變暖的反應如何?

至今共有多少人種，他們之間有何關聯(lián)?

是什么提升了現(xiàn)代人類的行為?

什么是人類文化的根源?

語言和音樂演化的根源是什么?

什么是人種，人種如何進化?

為什么一些國家向前發(fā)展，而有些國家的發(fā)展停滯?

政府高額赤字對國家利益和經濟增長速度有什么影響?

政治與經濟自由密切相關嗎?

為什么改變撒哈拉地區(qū)貧困狀態(tài)的努力幾乎全部失敗?

有沒有簡單的方法確定橢圓曲線是否存在無窮多解?

霍奇閉鏈是代數(shù)閉鏈的和嗎?

數(shù)學家將會最終給出Navier-Stokes方程的解嗎?

龐加萊實驗能否確定四維空間的球?

黎曼zeta函數(shù)的零解都有a+bi形式嗎?

對粒子物理標準模型研究是否會停止在量子Yahg-Mills理論上?

以上這些，都是全世界的科學家們正在殫精竭慮地研究，但還沒有明確答案的問題。以后我們也會持續(xù)關注，并對某些問題進行分析。

人類的聰明才智是近乎無限的，也許有一天，我們會知道某些問題的答案，讓世界進入新的時代。那一天有可能在遙遠的未來，也可能就在明天，還有可能，是在你進入科學家行列的那一天。