科学家最想知道的答案(下)

2017-06-19

探索科学 2017年6期

科学家最想知道的答案(下)

今年科学家最想知道什么呢？

上一次我们说到，世界最权威的学术期刊——美国的《科学》杂志，公布了125个最具挑战性的科学问题，并预言在今后几十年的时间里，全世界最优秀的科学家们将致力于研究解决这些问题。

据统计，在这125个问题中，涉及生命科学的问题占46%，关系宇宙和地球的问题占16%，与物质科学相关的问题占14%，认知科学问题占9%，其余问题分别涉及数学与计算机科学、政治与经济、能源、环境和人口等各个学科。所谓科学家，其实就是一群承认自己不知道，而又努力在现实中寻找答案的人。

这些问题我们上期介绍了其中的一部分，现在我们来看看另一部分。我们会以一些问题为例，介绍目前科学家碰到的问题，也许其中就有你感兴趣的，没准儿将来你会解开某个问题的关键环节，这也说不定呢。

1.地球内部如何运行?

人类自古就有登上太空的梦想，古人认为天空以上是神的世界，登上去可以长生不老；与此相反，地面以下的世界通常被认为是冥界，是人们去世后或许要去的地方。古人往地下挖，能挖一百米深就是不得了的大工程了，地下深处究竟是什么样子，谁也不知道。

人类在几百年前通过环球旅行确认了地球的形状和大小，也知道了太阳系的环境和构造，但是对地下的情况基本上还是一无所知。直到地理学家发现了地震波的特性，才对地球内部结构开始了解。

我们大概知道，地球内部有几个大的层面。岩石的外壳叫作地壳，平均深40千米，里面是由炽热而粘稠的岩石组成的地幔，平均深2700千米。地壳和地幔的分界是莫霍洛维奇不连续面（莫霍面），于1909年被南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇发现。地幔的深处是地核，分界面是古登堡面，于1914年被美国地震学家古登堡发现。地核有两层，分别是液态外核和坚实的内核。

我们对地球内部的情况了解得惊人的少。我们知道地表的主要成分是硅酸盐，硅酸盐很轻，不足以说明地球的整体密度，地球内部的元素会比较重。为了产生磁场，地球内部肯定要有浓缩的液态金属元素带。除此之外，我们了解得就不多了，地壳、地幔和两层地核，究竟是怎么形成的，它们之间是怎么相互作用的，以后它们会发生些什么？我们几乎什么都说不清楚。为什么说不清楚呢？因为我们根本没见过地幔和地核，对于它们的研究，在很大程度上还是猜测。

为了增进对地球内部的了解，科学家们从20世纪60年代开始，就渴望挖开地壳，取一块真实的地幔来看看，事实证明这个任务难得不可思议。美国人觉得海底的地壳比较薄，应该比较容易钻探，实际上只向下打了几百米就打不下去了。苏联人有一股子坚持的韧劲，向下打了12262米，最后也是因为难度太大而打不下去了。苏联人的钻探发现，地震波传回来的信息未必准确，挖出来的岩石层和地震波测定的结果不相符，地下世界比想象中暖和得多，一万多米深的地方温度高达180°C，岩石缝隙中充满水。悲观论者认为，我们对地球内部信息的了解只能依赖于地震波，如果地震波反应的结果与实际情况不太相符，那等于我们对地下世界一无所知。

总之，和上天一样，入地也是一项伟大的工程。预测地震、了解地球资源，归根结底要依靠对地球内部的了解。科学家们依然在做着各种打穿地壳的计划和实验，但是到目前为止，我们连地壳的三分之一都打不到。

2.地球人类在宇宙中是否独一无二

“外星人”是一个很有吸引力的话题，那么，是否真的有外星人呢？

每当夜幕降临时，我们可以看到满天繁星，非常壮丽，事实上，我们肉眼只能看到大约2500颗恒星，这个数量只是银河系里恒星数量的一亿分之一，也许还不到。这2500颗恒星离我们的距离大部分都在1000光年之内，这点儿距离在银河系里也就是个大一些的“点”罢了，银河系里有1000～4000亿颗恒星，那才叫满天繁星。宇宙里有多少个像银河一样的大星系呢？在可见的范围内，大概也有几千亿个。

生命是罕见的，但是在庞大的数量面前，一切都是有可能的。说几个数据吧，根据粗略估算，地球上有一粒沙子，可见的宇宙里就有一万颗恒星，而且，哪怕以最严格的测算方法，地球上的一粒沙子，也可以在宇宙里对应100颗和地球条件差不多的行星。我们假设类地行星上，只有1%的概率存在生命，又只有1%的概率发展出文明，那么，可观测的宇宙里的智慧文明至少要有上百亿个。同样，银河系里能有多少文明也是可以估计的，科学家们保守地估计，大概有十万个吧。

在巨大的数量面前，我们有信心说，宇宙里肯定有外星人，我们肯定不是宇宙的“孤儿”。

然而问题是，我们并没有收到过来自其他文明的信号，找也找不到，看也看不到。科学家在想方设法积极寻找外星人，向宇宙各个方向进行广播，希望能被外星人发现。

我们的地球有四十多亿年的历史，年头虽长，但在银河系里并不是很古老的星球，比我们古老几十亿年的行星比比皆是。

3.在太阳系的其他星球上，现在和过去是否存在生命?

这个问题和前一个问题高度相关。

从概率上说，宇宙里应该有那么多生命，实际上我们看不到来自其他星球的生命。这是怎么回事？如果宇宙里真的没有其他智能生命，对我们而言又有什么意义呢？

一种说法是：宇宙诞生生命的难度大得异乎寻常。以地球为例，太阳系只有地球是处于温度合适的金凤花带上，水以液态存在。经过漫长的时间，一般元素在水中逐渐从无机物变成有机物，再用很多亿年的时间发展出DNA，出现生命。之后生命还要用几十亿年时间才能进化成寒武纪之后的复杂生物，复杂生物还要花几亿年的时间，才能出现人类这样的智慧生物。这个观点是想说：我们是宇宙里最古老的一批智慧生物。

另一种说法是：文明发展到一定程度之后，会自我毁灭，例如被核战争或者其他一些奇怪的高科技消灭掉……这似乎也并非不可能。

太阳系里除了地球之外，最有可能出现生命的，是土星的卫星——泰坦。泰坦星离太阳很远，表面温度很低，水只能以冰的形式存在。泰坦星的大气里主要是氮，密度很大，没有氧气。泰坦又是太阳系里除了地球之外，唯一会下雨的星，表面有湖泊和海洋，这些不是水，而是液体的甲烷和乙烷。科学家一直怀疑，如果太阳系里有其他的生物，最有可能出现的地方就是泰坦星了。那里的生命可以吸进氢气，呼出甲烷，能量来自乙炔。

如果泰坦星上有生物，或者火星、金星这种行星上曾经有过生命，说明宇宙里出现生命的条件比我们想象得要低得多，生命的数量要远比我们想象得要多得多。科学家们希望仔细探查太阳系的其他星球，如果没有任何生命迹象，说明宇宙里观测不到外星人的原因，是宇宙本身太难出现生命了。

4.地球到底能负担多少人口?

我们今天的人类，都属于晚期智人，祖先来自于一个大概只有一千多人的小群体。这个小群体凭借超级棒的智商，征服了地球，开枝散叶，开创了人类的时代，到了21世纪初的今天，我们的人口已经超过70亿了。

这70亿人说多不多，说少也不少，人挤人站在一起，大概能站满大半个北京市区，如果都堆起来，大概能组成一个几百米高的金字塔。要是单纯按地球陆地面积来算，地球人口再多几千倍都能站得下。然而事情不能这么算，地球上的土地，大部分不是太冷，就是太热，要不然太高，还有的地方太干，总之，九成以上的土地是不适合人类居住的。只要看看中国的人口分布就知道，从黑龙江省黑河到云南省腾冲之间，如果画一条线，你会惊讶地发现，96%的中国人口居住在这条线的东南方，只有4%的人口住在西北方。这是可以理解的，人类最高的居住海拔是5500米，青藏高原上能住的人有限，新疆的塔克拉玛干沙漠大概也住不了几个人。

自数百年前马尔萨斯的时代开始，人类就开始担心，我们小小的地球村究竟能装下多少人。从20世纪开始，世界各国都进行了或多或少的人口控制，在中国叫作计划生育政策。这个原因不纯粹是因为土地不够，更大的担心来自于资源不足。地球的资源，无论是煤炭、石油等能源，还是金、银、铜、铁等矿产，还有树木、山石等材料，归根结底都是有限的。地球就这么大，东西就这么多，如果人太多了，地球的负担总有上限。

我们现在越来越意识到，人口虽然在增长，但是资源的价格一直在下跌，因为我们开发利用资源的能力越来越强了。换言之，人口越来越多，我们能利用的资源也越来越多，这大概不会是一个问题。然而，地球的面积终究是有限的，人口要是随意增长，肯定有一天会出问题。

我们可以想一下，如果第一代人是10亿，其中5亿男人5亿女人，他们互相配对之后成家生子。如果大家都只生一个，第二代会有多少人呢？答案是5亿人，也就是说，只需要一代，人口就能衰减一半，第三代是2.5亿人，如此下去，这些人很快就灭绝了。相反，如果大家都生三个孩子，那么第二代会有多少人呢？答案是15亿，第三代是22.5亿。如此下去，每一代增加1.5倍，用不了几千年，地球大概就要满了。实际上，世上的夫妻在长期大样本的统计中，生育率基本维持在两个多一点点，不然没办法维持人口的正常缓慢增长。让人类生育率不做太大变化的根本原因是什么呢？现在还说不清楚。

人口的增长，本身就是一个奇怪的问题。人类的生育规律我们到现在没有真正摸清楚，实际情况非常复杂。原来我们以为人穷就会多生孩子，在非洲确实有很多贫穷的国家人口飞速膨胀，后来我们发现了孟加拉国，那里穷得叮当响，但是生育率并不是特别高；原来我们以为人富有了就可以随便生孩子了，事实上很多人富裕起来后，考虑到各种成本高昂，反而不生孩子了，例如日本、德国那种富裕国家的人口居然会逐渐下降。

总之，地球上会出现多少人口，地球又能负担多少人口，是一个值得研究的问题。这个问题的答案，也许会让人类社会学有颠覆性的进展。

马尔萨斯：英国教士、经济学家。以人口理论闻名于世。在1798出版的《人口论》中指出：人口按几何级数增长而生活资料只能按算术级数增长，所以不可避免地要导致饥馑、战争和疾病；呼吁采取果断措施，遏制人口出生率。

5.宇宙是否唯一?

宇宙只有一个吗？这听起来是句废话，因为无法证实，也无法证伪。你说宇宙有两个，你有证据吗？你说宇宙只有一个，你能证明没有第二个吗？这种不能证实或者证伪的命题，听起来似乎是没有意义的胡思乱想，但这个还真不是！

我们先来谈一个看似无关的问题：地球为什么有生命？答案是多选题，因为必须满足好几个要求。

第一：我们的星球必须在金凤花带上，离太阳不远不近，温度恰好在0～100°C之间，水以液态存在，方便碳原子产生有机物，如果我们离太阳的距离要是再近5%或者远15%，地球就不会有大量的液态水了。

第二：足够的时间。一个合适的星球，要出现生命，需要漫长的演化时间，从无机物到有机物，从有机物到生物，从单细胞生物到多细胞生物，从无性繁殖到有性繁殖，从动物到智慧动物，从智慧动物到文明社会。几乎生命的每一步脚印都需要漫长的时间和好得令人难以置信的好运气，这个好运气只能靠漫长的时间来实现。

第三：生命进化需要漫长的时间，太阳不能太大。恒星越大，燃烧越快，如果太阳是现在的10倍大，那么它烧个几千万年就完蛋了。地球根本没机会在那么短时间内发展出智慧生命。

第四：一个活跃的行星。月亮是我们的伴星，我们的外在条件月亮也有，只可惜月亮上没有兔子。原因何在呢？地球有移动着的大陆板块，无数火山不断喷出气体，建立了大气层和磁场，让地球上的生命恰到好处地被保护了起来。地球板块移动的褶皱造成了山峦起伏，也确保了有一部分土地始终在水面以上，这为地面上动植物的发展提供了可能。

第五：一个帮助稳定的伴星。我们不能缺少太阳，同样，我们也不能缺少月亮。由于月亮的引力，地球以合适的速度和角度进行自转，为生命的长期稳定发展提供良好的环境。如果一个行星缺乏维稳的伴星，摇摇晃晃的，那天气肯定会糟糕得很。

地球能出现生命，要满足一大堆的复杂要求。我们已经在这里了，说明地球是满足这些条件的。月球或者火星不满足生命出现的条件，所以我们一开始就不会出现在那里。

那么，再进一步说，宇宙呢？我们为什么会出现在这个宇宙里？

宇宙的基本原理，是物理定律。宇宙的物理定律数值之精密，让人叹为观止。宇宙有一大堆常数，规定了从引力到量子力学的种种效应，这些效应的数值稍微改变那么一点点，例如，强核力的力度改变0.5%，宇宙里就不会有生命了。

如果说地球出现生命，要满足五个条件，那宇宙出现生命，恐怕要满足五千个条件了。从宇宙的维度到引力的常数，苛刻到让人觉得这个宇宙必须是故意设计出来的才行。

那么，我们该如何理解宇宙的各个数值都如此精确呢？难道真的需要求助于上帝的神创论吗？物理学家们提出了新的说法，那就是宇宙可能会有无数个，在无数个宇宙里，我们恰好处在一个各种常数都适合生命出现的宇宙里。那些不适合生命出现的宇宙，例如，二维的平面宇宙，我们也不可能在那里出现，就像我们不会出现在月球上一样。

这个多宇宙的概念，在基础物理和数学上，都有精密的测算，可以自圆其说。但是究竟有没有，如何证明或者证伪，还需要科学家去不断地钻研。

6.地球上有多少物种?

世界上的生物，有一个完善的分类方式，那就是七字真言：界门纲目科属种。界是最大的分类，一般而言有五界：原核生物界、原生生物界、植物界、真菌界、动物界。界下是各种细分，以我们人类而言，具体的物种分类是这样的：动物界、脊索动物门、脊椎动物亚门、哺乳纲、灵长目、真猴亚目、窄鼻猴次目、类人猿超科、人科、人属、人种，我们大部分中国人属于人种里的蒙古人亚种。

按照这种科学的分类方法，我们可以把全世界的生物统统归纳总结起来。但实际上，这个任务难度高得异乎寻常。我们以动物界——节肢动物门——昆虫纲（简称昆虫）为例，世界上大概有一万名物种分类学家，他们每年可以发现并总结大约15000个新物种，而光是昆虫，我们预计的未发现种类大概是几千万到一亿种之间。按照现在的发现速度，全世界的物种分类学界要工作好几千年才能完成一个昆虫纲的发现分类工作。

现在可以简单总结一下，在科学昌明的今天，为什么我们连“世界上有多少物种”这样的博物学基本问题也完全回答不了。原因有如下几个：

第一：大部分的生物太小了，注意不到。

你的枕头上有数以万计的螨虫，它们自远古以来就存在在人类的床榻之上，但是直到1965年才被发现，原因是什么呢？它们太小了，肉眼看不到。小生物太多，而且不被人类注意，这点并不是什么新闻。你只要走进一个森林，随便一个森林，抓起一把泥土，就能发现一大堆人类前所未知的新细菌。据保守估计，等待我们发现的细菌还有几亿种，也许是几十亿种。

第二：人才不足。

伦敦有一个喜欢研究吸螨（一种常见但罕为人知的微生物）的人，他发现了几百种吸螨，可以说，几乎全世界的吸螨都是他一个人发现的。他的研究不重要吗？不，很重要，但就是没人做。为什么？因为一切事情都是有成本的，现实就是没钱雇人去做那么多发现新生物的研究，也没有足够多的受过专业训练的人。

第三：地球太大。

我们看着地球仪，叫着地球村，好像地球不大一样，但实际上，地球很大，有很多地方科学家还没去过。一个植物学家只要在热带雨林里找对地方，一天发现几十种新植物是很正常的。热带雨林占地表面积大概6%，如果现有的生物学家去考察一遍，发现一下新物种，保守估计也要几千年。

接下来，我们来看看其他的问题，聪明的你也可以看一看，有没有自己感兴趣，想要研究一下的议题呢？

是什么驱动宇宙膨胀?

在胚胎期，不对称现象是如何确定的?

翼、鳍和面孔如何发育进化?

是什么引发了青春期?

干细胞是否位于所有肿瘤的中心?

肿瘤更容易通过免疫进行控制吗?

肿瘤的控制比治愈是否更容易?