21世纪科技10大难题

21 世纪科技 10 大难题 粒子物理学的两个谜 在当代的粒子物理学中有两个谜：一是对称破缺，二是看不见的夸克。 目前我们了解的理论，如量子色动力学、爱因斯坦的普遍相对论，都是来 源于对称的。可是在我们的宇宙里，还有不少东西不守恒，这就很奇怪。我们 的很多理论是根据对称产生的，可是为什么我们的世界又是不对称的？这表明 现有的全部知识是很不全面的，一定另外还有一个力。这个力是推翻对称的。 这个力是什么，我们不了解，它的存在是关于粒子物理学的第一个谜。现在我 们认为，很可能真空在里面起作用，真空有很复杂的性质。如果我们了解了对 称性的来源，很可能就可以了解质量的来源，包括暗物质。 第二个谜即是看不见的夸克。我们知道，所有的物质都由两类基本粒子组 成，一类是夸克，一类是轻子。我们现在已经发现有 6 种夸克和 6 种轻子。我 们有充分的实验证据表明，夸克是存在的，我们知道其质量不大，但就是看不 见。所以，为什么一切强作用的物质都是由夸克构成，而夸克却看不见，这是 一个很奇怪的事。 生物学难题：生命是怎样开始的？ 1922 年，苏联生化学家亚历山大奥巴林提出一个著名的假说：生命来自 闪电。太阳和地球自身的放射性能量作用于大气层中的无机分子，使之变成有 机分子；它们在地球湖泊、海洋提供的“原始汤”中“定居”，发展成为原始 的生命。 1950 年，美国芝加哥大学第一次用实验来验证奥巴林假说。他们模拟“原 始汤”，在水中加进甲烷、氨等分子，加热并通以电火花。一个星期之后，甲 烷中有 5的碳变成了氨基酸分子，而氨基酸正是构成生物蛋白质的基本单位。 此后，科学家进行了许多类似的实验，不仅从无机物中得到了各种氨基酸， 而且得到了核苷酸、磷脂等构成生命的重要有机分子。这样，生命起源第一步 化学无机分子怎样变成有机分子基本上搞清楚了。 然而更困难的是第二步有机分子怎样组成具有生物繁殖能力的细胞？ 美国迈阿密大学生化学家福克斯对此进行了研究。他相信，细胞起源于一 种由类蛋白组成的微球体。他将这种微球体称之为前细胞。他已在实验室里得 到了这种微球体。这种由氨基酸分子选择性结合而成的类蛋白微球体，具有类 似细胞的功能；能新陈代谢，能自我复制，甚至对光的刺激具有类似神经信息 的反应。最近，福克斯还发现，如果微球体中含较多的赖氨酸时，能催化氨基 酸链和核苷酸链的形成。 另外一些科学家则相信，生命是从具有遗传密码的核糖核酸自我复制开始 的。他们在实验室里模拟这种原始过程。 最近，英国克拉斯哥大学的化学家彻因、史密斯等人提出了生命起源于黏 土的理论。他们认为，核糖核酸起源于黏土晶格。在实验中，由硅、氧、铝等 元素形成的黏土晶格，能吸引周围游离的晶体，按一定规则排列分层，还能吸 收和贮存环境中的能量，并释放出来。这种黏土结构像一种模板，不断复制出 相同结构的黏土层。也许正是从这种黏土中，进化产生了原始的脱氧核糖核酸。 看来，我们必须重新考虑生命的概念，因为任何教科书关于生命的定义都 是：有高度组织，结构稳定，有适应环境能力，能自我复制。而黏土晶格模板 也具有这些特征，黏土是不是具有生命呢？没有人能够回答。从无生命进化到 有生命的漫长过程中，还有一大段未知领域。 天文学难题：宇宙高龄几何？ 现代宇宙学理论告诉我们，宇宙起源于“大爆炸”，宇宙中所有的星系均 彼此远离，宇宙处于普遍的膨胀之中。因此，如果能够知道宇宙的膨胀速度， 便可直接推算出宇宙的年龄。宇宙膨胀速度的大小由一个关键数值决定，这就 是“哈勃常数”。其值越小，宇宙膨胀得越慢，宇宙达到目前的规模所花的时 间也就越长，即宇宙的年龄越大；反之，宇宙膨胀得越快，宇宙就越年轻。因 此，若以地球为中心，一直伸展至看得见的宇宙边缘，其距离就可透露宇宙的 年龄。天文学家尚未能一致肯定看得见的宇宙究竟有多大，其中一个主要原因 在于大爆炸发生的确实时间是个谜。 人类学难题：人类的祖先是谁？ 一些加州生化学家研究线粒体内的 DNA。线粒体是细胞能源的制造工厂， 每个人体细胞都藏有它。这种线粒体里的 DNA，不易混合，并会由一代累积遗 传给下一代。研究线粒体的 DNA，是追寻人类起源的一个可靠方法。从考察不 同人种妇女的线粒体 DNA，发现累积 DNA 最多的妇女是来自非洲，由此说一小 部分非洲人口，衍生成今天各种肤色的人种。 这一论调似乎已为人类祖先谁属的问题找到了答案。不过，华盛顿大学遗 传学家坦普尔曼认为，上述理论值得商榷，他认为生化学家的分析技术未臻完 善。因此，人类的祖先是谁，仍然是个谜。 医学困境：人类可以彻底消灭疾病吗？ 科学研究表明，今天地球上的 1 千多万种生物，是同一个单细胞生物的后 裔。这些生物（包括人类）之所以能产生如此巨大的变化，全因为它们不断被 “线粒体”所“感染”，“线粒体”原本是侵袭远古单细胞生物的“细胞”， 使细胞能借氧气制造能源而使生物不断演变，以便更能适应环境和气候，对它 们抵抗疾病也有帮助，生物中的基因异常，有时对它们适应新环境也有莫大帮 助。然而，在我们身体日趋健康的同时，却由于地球环境的日益破坏，反而使 人类自身付出了更高的健康代价，许多我们的祖先闻所未闻的疾病现在又开始 肆虐人类了。人类能否彻底消灭疾病？这是医学面临的难题。 气象学难题：人类能否控制天气？ 20 世纪五六十年代，当电子计算机和火箭技术共同开始应用于气象研究时， 控制天气的前景似乎十分光明。当时，美国、苏联等许多发达国家都制定了改 造天气的计划。许多科学家相信，用碘化银晶体凝聚水汽，不久就可以在大面 积地区耕云播雨。然而，不久，人们发现，实验室里小规模实验是一回事，自 然界真实的风云变幻又是另一回事。 目前气象学家们认为，由于建立了超级计算机系统、卫星遥感系统和多普 勒雷达系统，进行准确的 10 天以内较大范围的天气预报是可能的，对台风、旋 风、雷暴等自然灾害进行预测也是可能的。可是，由于模拟模型的误差随着时 间延长呈指数式增长，10 天以上更长时间的预报还存在相当大的困难。 那么，人类能不能改造天气呢？美国麻省理工学院的爱德华劳伦兹教授 是第一张大气系统模拟图的制作者。他认为，从理论上讲改造天气似乎能做得 到，但实际上几乎没有可行性。他举例说：“大自然极微小的变化就可以使局 部地区的气温升降 05，而人类要使得一小块地区的气温升降 05，就得 动用相当于好几个氢弹的能量，这显然是不现实的。”从这一意义上说，人类 随心所欲地控制天气，仍是一个相当遥远的梦。 脑科学难题：智能从何而来？ 根据骨骼化石、原始的石器工具、原始人类的遗址，科学家提出了许多人 类智能起源的解释，但这些解释都带有很大的猜测成分。 智能是怎样诞生、进化的？达尔文认为，在原始部落的冲突中，智能高的 部落容易取胜，消灭对手，因而他们高智能的基因也容易保留遗传下来。今天 的社会生物学家研究了现存的原始部落，他们发现，部落的社会生活密度和复 杂性，是促进智能进化的强大动力。 过去我们在研究智能进化时，往往注意大脑体积的增加，或者大脑与身体 比例的增加。加州大学医学院的神经生物学家杰里逊指出：大脑结构的改变对 智能的进化更为重要。可是化石资料无法反映这一点。这是研究智能进化的一 大困难。 有一些科学家指出：原始人类智能的突飞猛进是一个“幸运的机遇”，由 于直立行走，使得骨盆变宽，胎儿可以变大、胎儿与成体大脑之比在灵长动物 中是恒定的，所以人类的大脑可以比其他灵长类动物大得多。 加拿大多伦多大学进化生物学家查利斯近年来提出了一种引人注目的新假 说基因文化协同进化论。他认为：人类智能的诞生进化是由于生物进化和 文化进步相互作用的结果，基因的改变迫使人类适应新的文化，而新的文化又 加速了基因的进化。 关于智能的起源目前仍然是难解的谜，然而鲁斯顿相信：20 世纪结束时， 人类将进入伟大的大脑时代。知识经济时代的到来，正需要一个“伟大的大脑 时代”相适应。 能源科学难题：“梦想的能源”能否变为现实？ 把海洋中的无穷尽的氢氦作为燃料的核聚变，早就有人说它是把人类从能 源桎梏中解放出来的“梦想的能源”。日本、美国、苏联、欧洲共同体都进行 过这方面的开发，并且确实在稳步地接近目标，但现在还没有最后突破。 对核聚变的研究现在面临三个难题： （l）超高温问题。它需要 1 亿摄氏度到 2 亿摄氏度的超高温。怎么才能研制 出能耐与太阳表面温度相同的超高温材料呢？目前正用精陶瓷等新材料进行研 究，但即使在研究室能耐超高温，要使之实用化也很困难。 （2）磁力封闭问题。要想使加热到 1 亿摄氏度到 2 亿摄氏度的等离子体不致 飞散，必须用磁场封闭，否则核聚变不会开始。这就需要使用超导磁石的强大 磁场。如此强大磁场必须找出不磁化的材料，而这样的新材料能否找到呢？这 是需要解决的问题。 （3）材料因中子的作用而劣化问题。以氢氦为燃料的核聚变，有大量高速中 子被释放。这种中子线一接触材料，材料的原子成分就会完全改变。那么，能 否找到一种不会劣化的优质材料呢？ 全世界之所以都在大力研究核聚变，正是因为它作为新能源具有无穷魅力 及种种波及效果。例如，对核聚变的研究会推动超导实用化，会波及中子工程 技术、高真空技术、超导磁石技术、极低温技术等种种领域。其中任何一项技 术都有变革产业基础的可能性，而与未来的技术开发有联系。据估计，核聚变 也许要到 21 世纪中期才能实现。 人工智能难题：电