【文章內(nèi)容簡介】 美國 《 科學(xué) 》 (Science)雜誌創(chuàng)刊 125周年之際，科學(xué)家們總結(jié)出了 125個迄今我們還不能很好回答的問題，重中之重有 25個。 重中之重有 25個問題 28 一個脫口而出的答案是：由那些亮晶晶的星星組成的。但在最近幾十年中，科學(xué)家越來越發(fā)現(xiàn)這個答案是不正確的。天文學(xué)家認(rèn)為，組成恒星、行星、星系 ——當(dāng)然還有我們 ——的物質(zhì)，或者叫普通物質(zhì)，只占孫宙總質(zhì)量的不到 5％。他們估計，另外 25％，可能是由尚未發(fā)現(xiàn)的粒子組成的 暗物質(zhì) 。剩下的 70％呢？天文學(xué)家認(rèn)為那可能是暗能量 ——讓孫宙加速膨脹的力量。暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)是什麼？科學(xué)家正在用加速器和望遠(yuǎn)鏡尋找這些問題的答案，如果找到了，其意義肯定是孫宙級的。 孫宙是由什麼組成的？ 29 45年前，天文學(xué)家弗克 德雷克首次啟動了探尋地外文明的奧茲瑪計畫 ——用巨大的天線（射電望遠(yuǎn)鏡）接受外星文明發(fā)射的信號。 45年過去了，天文學(xué)家的努力仍然在繼續(xù)著。然而，即使是迄今為止規(guī)模最大的“鳳凰”計畫，也還沒有找到任何來自外星文明的無線電信號。 我們在孫宙中是唯一的嗎？ 30 40多年以前，一場地球科學(xué)的革命發(fā)生了。板塊構(gòu)造學(xué)說更新了關(guān)於地球自身的知識。但是關(guān)於地球內(nèi)部構(gòu)造的問題，仍然沿襲著革命之前的知識?？茖W(xué)家在這 40年中所做的，就是把這個雞蛋模型 ——分為 地殼、地幔和地核 進(jìn)一步細(xì)化。借助于越來越先進(jìn)的地震波成像技術(shù)，科學(xué)家正在研究地球這個龐大機器的運作過程。但是要掀起另一場科學(xué)革命，可能還需要半個世紀(jì)。 地球內(nèi)部如何運作？ 31 儘管大氣的二氧化碳 (CO2)濃度肯定會在這個世紀(jì)繼續(xù)增加，儘管這種增加肯定會帶來全球變暖，但是變暖的程度仍然不太確定。科學(xué)家一般認(rèn)為，這個世紀(jì)二氧化碳濃度的加倍會帶來 ℃ ～ ℃ 的升溫。但是這不夠精確。科學(xué)家正在發(fā)展新的 數(shù)學(xué)模型 ，試圖讓數(shù)位更令人信服。 地球溫室將變得多熱？ 32 蘋果落向地面、一道閃電劃過長空、核電站反應(yīng)堆裏的鈾原子衰變同時放出能量，超級加速器擊碎質(zhì)子：這幾種現(xiàn)象代表著 自然界中四種基本力的作用，也就是引力、電磁力、弱力和強力。 孫宙間所有的物理現(xiàn)象都可以用這四種基本力進(jìn)行解釋。但是科學(xué)家並不滿足。 有沒有可能把這四種力統(tǒng)一成為一種？ 上個世紀(jì) 60年代，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn) 弱力和電磁力 是可以統(tǒng)一起來的，它們是一種事物的不同側(cè)面，統(tǒng)稱電弱力。但是其餘兩種力是否可以和它統(tǒng)一起來？ 物理學(xué)定律可以被統(tǒng)一起來嗎？ 33 量子理論已經(jīng)誕生了 100年有餘，它產(chǎn)生了令人信服的應(yīng)用成果，但是它也帶來了反直覺： 量子力學(xué)的不確定原理指出我們無法同時精確地獲得一個物體的動量和位置 。而非定域性讓兩個處於量子糾纏態(tài)的粒子的糾纏態(tài)同時崩潰，而不管它們相距多遠(yuǎn)。 愛因斯坦就說過，儘管量子力學(xué)給他留下了非常深刻的印象，但是“一個內(nèi)心的聲音告訴我，它還不是真實的東西。 在量子不確定性和非定域性之下，還有更深層次的原理嗎？ 34 在某種意義上，化學(xué)家是最喜歡發(fā)明的一群人，因為他們總是不斷製造出新型的分子。儘管今天的化學(xué)家已經(jīng)能製造出很複雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)，他們能讓這項工作變得既簡單又複雜嗎？也就是說，讓“原料”原子自己“裝配”成複雜的結(jié)構(gòu)，就像生命所表現(xiàn)出來的那種自我裝配的特性。已經(jīng)有一些化學(xué)自我裝配的實例，例如製造類似細(xì)胞膜的雙層膜結(jié)構(gòu)。但是更高級的自我裝配，例如自下而上地製造積體電路，仍然是一個夢想。 我們能把化學(xué)自我裝配推進(jìn)多遠(yuǎn)？ 35 傳統(tǒng)計算的極限是什麼？ 有些事看上去很簡單但是解決起來很複雜，例如一個推銷員要走遍相互連接的幾個城市，那麼怎樣走才能實現(xiàn)總路程最近？城市數(shù)量的增加會讓最強大的電子電腦也感到畏懼。上個世紀(jì) 40年代，資訊理論之父香農(nóng)提出了資訊（以比特方式存在）儲存和傳遞所遵循的物理規(guī)律。任何傳統(tǒng)的電腦都不能超越這個規(guī)律。那麼，在工程上，最終我們能造出多麼強大的電腦？不過，非傳統(tǒng)的電腦可能並不受到這些限制，例如近年來興起的量子電腦。 36 17世紀(jì)的法國哲學(xué)家有一句名言：“我思故我在”?？梢钥闯?，意識在很長時間裏都是哲學(xué)討論的話題?，F(xiàn)代科學(xué)認(rèn)為，意識是從大腦中數(shù)以億計的神經(jīng)元的協(xié)作中湧現(xiàn)出來的。但是這仍然太籠統(tǒng)了，具體來說，神經(jīng)元是如何產(chǎn)生意識的？近年來，科學(xué)家已經(jīng)找到了一些可以對這個最主觀和最個人的事物進(jìn)行客觀研究的方法和工具，並且借助大腦損傷的病人，科學(xué)家得以一窺意識的奧秘。除了要弄清意識的具體運作方式，科學(xué)家還想知道一個更深層次問題的答案：它為什麼存在，它是如何起源的？ 意識的生物學(xué)基礎(chǔ)是什麼？ 37 有一些生物擁有非凡的修復(fù)本領(lǐng)：被切斷的蚯蚓可以重新長出一半身體，而蠑螈可以重建受損的四肢 ……相比而言，人類的再生本領(lǐng)似乎就差了一點。沒有人可以重新長出手指，骨頭的使用也是從一而終。稍可令人安慰的是肝臟。被部分切除的肝臟可以恢復(fù)到原來的狀態(tài)?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，那些可以讓器官再生的動物，在必要的時候重新啟動了胚胎發(fā)育時期的遺傳程式，從而長出了新的器官。那麼人類是否可以利用類似的手法，在人工控制下自我更換零部件呢？ 什麼控制著器官再生？ 38 在上個世紀(jì)中期，生物學(xué)家把青蛙的體細(xì)胞核放入青蛙的去核卵細(xì)胞裏，結(jié)果製造出了克隆蝌蚪。最近幾年，關(guān)於人類胚胎幹細(xì)胞的研究正在熱火朝天地進(jìn)行 ——把人的體細(xì)胞核放入卵細(xì)胞中，科學(xué)家期待著製造出各種各樣的人類體細(xì)胞，例如神經(jīng)細(xì)胞、成骨細(xì)胞、心肌細(xì)胞等等。儘管科學(xué)家已經(jīng)取得了一些成功，他們?nèi)匀粚哆@種體細(xì)胞核移植技術(shù)能夠成功的原因知之甚少。的確，去核的卵細(xì)胞在這個過程中扮演著至關(guān)重要的角色 ——可是具體機制是什麼？ 1一個皮膚細(xì)胞如何能變成神經(jīng)細(xì)胞？ 39 在某種意義上，植物似乎比動物有更大的靈活性。植物的體細(xì)胞不需要繁瑣的體細(xì)胞核移植技術(shù)，就能重新變成植物胚胎細(xì)胞?？茖W(xué)家很早就已經(jīng)開始利用植物的這種性質(zhì)。用一小塊植物組織，在實驗室裏就能培養(yǎng)出可以供一片森林使用的帥苗。但是為什麼植物細(xì)胞有這樣的靈活性？科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些線索，例如植物的生長素在這個過程中起到的作用。 1一個體細(xì)胞是如何變成整株植物的？ 40 科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了 34億年前的微生物的化石，在更古老的巖石上也能找到生物光合作用的痕跡。那麼蛋白質(zhì)和 DNA——生命的兩大支柱 ——哪一個先出現(xiàn)在地球上？或者一起出現(xiàn)？科學(xué)家認(rèn)為，更可能的情況是， RNA比前兩者更早出現(xiàn)。另一個問題是，生命在什麼樣的環(huán)境下起源？一種假說認(rèn)為，生命最早起源於海底的熱水中。如今，科學(xué)家一方面在實驗室裏探尋從簡單有機物到可以自我複製的有機物的發(fā)展過程，另一方面，研究彗星和火星，也將為這個問題帶來重要的啟示。 1生命是如何以及在哪里起源的？ 41 這是一個充滿生命的行星，但是並非每一個角落的生命都同樣繁榮。一些地區(qū)居住的物種的數(shù)量超過其他地區(qū)。熱帶比寒帶擁有更高的物種多樣性。為什麼會出現(xiàn)這種情況？僅僅是因為熱帶比寒帶更熱？科學(xué)家認(rèn)為，生物和環(huán)境之間的相互作用對多樣性起著關(guān)鍵的作用。當(dāng)然，還有其他一些改變多樣性的力量，例如捕食和被捕