问题重于答案——25个挑战性的科学问题

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沈致远

《纽约时报·科学时代》为庆祝创刊25周年，在2003年11月11日的纪念特刊中提出了25个最富挑战性的科学问题，并就每个问题由专人著文作说明。编者在前言中指出，该刊一贯的指导原则是：科学并非答案之汇集，而是由好奇心所驱使的提问题之道。现将这25个问题译出，摘译其相应的说明文章，并分别加以评论。


1． 科学有作用吗？


克林顿总统的科学顾问吉本斯（John H.Gibbons）博士说：自从1962年卡逊（R.Carson）的《寂静的春天》发表以来，人们对科学的看法改变了。以前认为科学是好东西，现在要在好坏之间作选择。迫切的任务是重建科学的基本定位，以科学知识解决社会疾病。希望理性会获胜，但也不一定。


——摘自布罗德（William J.Broad）与格兰兹（James Glanz）的文章


评论：科学是一柄双刃剑，为善为恶在于人们如何利用。这确实是首要问题。


2． 战争是我们的生物学命运吗？


“只有死人才看到战争的尽头”，柏拉图说对了吗？最近关于博弈论的研究指出：人类乐于建立相互合作关系。可以想像人类的未来战争是稀少的，并会被一致谴责。但也许要再丢一颗核子炸弹人们才会醒悟。爱因斯坦说：“我不知道第三次世界大战会使用什么武器，但第四次世界大战将会使用棍棒和石块。”


——摘自安吉尔（Natalie Angier）的文章


评论：战争是否由生物遗传基因所决定并不重要，重要的是人在意识中要不要战争。否则人与动物何异？


3． 人类会不会访问火星？


问题不是会不会去火星，而是：什么时候去？如何去？谁先去？祖布林（Robert Zubrin）博士提出了一个登火星的方案：先用无人飞船分批将人类登火星后返回地球所需的设备送去，然后再送人登火星。这样就可以避免建造为一次性往返所需的巨型载人飞船的困难。火星能告诉我们有关生命起源和归宿的问题。


——摘自利里（Warren E.Leary）的文章


评论：如何去火星是技术问题，研究火星才涉及科学问题。


4． 大脑如何工作？


人的大脑有1000亿个神经细胞，每个细胞有1000到10000个突触。大脑皮层有大约100万亿个连接及3亿英尺长的连线。这些神经细胞构成6层。研究者不了解这6层神经细胞如何产生自我意识。考虑自由意志问题，我们的某些行为是意识的，但大部分是无意识的。我们能作出选择。就其大部分而言，自由意志只是一种幻觉吗？


——摘自布莱克斯利（Sandra Blakeslee）的文章


评论：人类从来都是研究客观世界，探索大脑中意识和自我意识是人类第一次研究自己。


5． 引力究竟是什么？


牛顿发现引力定律，但不知其所以然。爱因斯坦的广义相对论认为，引力是物质和能量所产生的时空弯曲。近来有迹象表明，原子等“可见物质”只占宇宙中总物质的5％，其余25％是暗物质，70％是暗能量。现有的引力理论未能解释宇宙的95％，显然这不可能是完整的理论。一些科学家提出不同的解释，其中包括具有11维时空的超弦理论。


——摘自奥弗比（Dennis Overbye）的文章


评论：引力问题不仅关系到宇宙论，而且现有的引力理论与量子论相抵触，这可能是物理学新突破的契机。


6． 人类会不会找到亚特兰蒂斯？


亚特兰蒂斯（Atlantis）是古代传说大西洋中的一个岛屿洲，后被地震和洪水所毁，沉没于大西洋中。有关亚特兰蒂斯的传说可以追溯到公元前4世纪的柏拉图，他写道：“这个王朝积聚了全部权力，企图一举征服你们的国家和我们的国家。”《想像亚特兰蒂斯》的作者埃利斯（Richard Ellis）认为亚特兰蒂斯是幻想，他说：“亚特兰蒂斯活在人们心中，主要是因为你无法证明它不存在。你不可能去搜索洋底的每一英寸，所以希望在沉没的宫殿中寻宝的念头常在。”亚里斯多德更直截了当：“梦想它的人使它消失。”


——摘自威尔福德（John Noble Wilford）的文章


评论：将亚特兰蒂斯当作科学问题提出的人具有丰富想像力。


7． 人体的哪些部分是可以替换的？


从头到脚，几乎人体的每一个部分都可以用器官移植或人工器官所替换。MIT的兰格（Robert Langer）教授说：“我还没有找到人体的一个部位不曾有人在作替换的研究。借以时日，每一个部位都可以替换。”


——摘自维拉罗萨（Linda Villarosa）的文章


评论：大脑可以修补，但不能替换，否则我将非我。Prof.Langer！你同意吗？


8． 我们应该吃什么？


一个字的回答：少！


——摘自格雷迪（Denise Grady）的文章


评论：Denise是富人的一字师，饥饿的穷人可不能学。


9． 下一个冰期何时到来？


下一个冰期几乎肯定将在公元82000年达到高峰，但对将在何时开始一直有争论，最近的理论认为影响大气层的人为因素将使之大大推迟。


——摘自列夫金（Andrew C.Revkin）的文章


评论:在劫难逃？


10． 大爆炸之前是什么？


在广义相对论和量子论尚未形成统一理论前，对此问题的回答只能是科学幻想。有两种候选的统一理论：一是所谓“一切事物的理论”——超弦理论；另一是不大为人所知的“环量子论”，据此，大爆炸是大反弹。被称为“物理学诗人探险家”的惠勒（John A.Wheeler）博士则根据他对量子论和信息论的理解，提出了关于大爆炸的“观察者起源说”。


——摘自奥弗比（Dennis Overbye）的文章


评论：谁说科学家没有幻想？没有幻想就没有突破。


11． 我们能永远活下去吗？


德国马普人口研究所的沃佩尔（James Vaupel）博士认为：“寿命没有限制。”根据是：从1840年到如今，做得最好的国家（日本）中人的寿命每10年增加2.5岁，而且是线性的，没有减慢或停止的迹象。他指出：“生物医学的进展令人振奋，我们正在开始了解癌症、心脏病和老年痴呆症，在对动物进行减缓衰老的试验。”他预言:到2050年，人的平均寿命可达100岁。


——摘自洛拉塔（Gina Lolata）的文章


评论：大家好好地活吧！每增加1岁就可以得到0.25岁的额外奖励，何乐而不为？未雨绸缪！应该开始考虑地球人满为患的问题。


12． 男人是必需的吗？女人呢？


男人的存在只是为了传种，精子银行中已有足够供若干世代的DNA，所以男人过剩了。由于若干年后才能有人造子宫，所以女人还是不可替代的。


——摘自麦克尼尔（Donald G. McNial Jr.）的文章


评论：这是典型的非人文“科学”观点。难道男人和女人除了传种接代之外就没有别的存在价值了吗？


13． 下一个瘟疫是什么？


从14世纪欧洲的黑死病，到1918－1919年间杀死4000万人的伤寒症，无人知道下一个瘟疫在何时何处到来，但它会来。沙夫纳（William Schaffner）博士认为下一个瘟疫由病毒产生的可能性比细菌大。


——摘自奥尔特曼（Lawrence K.Altman）的文章


评论：远的且不说，AIDS和SARS（非典）的教训使我们对可能到来的瘟疫不能掉以轻心。


14． 机器人能有意识吗？


有两派相反的意见。卡内基·梅隆大学的莫拉韦克（Hans Moravec）博士认为人无非是一架精巧的机器，他说：“我相信我们能做出具有和人类同样丰富行为的机器人。”牛津大学数学家彭罗斯（Roger Penrose）博士利用数学的不完备定理争辩说：任何应用计算的机器，包括机器人在内，都不可避免地在其成就方面比不上人类数学家。


——摘自钱（Kenneth Chang）的文章


评论：在对人的意识和自我意识尚未弄清楚以前，奢谈机器人的意识，是否言之过早？


15． 我们为什么睡觉？


食色性也，众所周知。最有天赋的科学家也无法解释人为什么睡觉。芝加哥大学的雷希特舍费恩（Allan Rechtschaffen）博士说：“这可能是生物学最大的未解问题。”50年来对睡眠的研究有了一些头绪，但离解答甚远。2003年10月《自然》杂志上发表两篇报告，指出睡眠的REM（眼珠速动）期能巩固记忆并帮助学习，但也有人列举事实提出异议。婴儿的REM期比成人的长，所以它可能有助于大脑的发育。雷希特舍费恩博士说：“其中有重要的东西，只是我们尚未找到。”


——摘自古德（Erica Goode）的文章


评论：科学家在寻梦。梦中的潜意识说不定握有解开意识之谜的一把钥匙。


16． 动物有多聪明？


大猩猩能学习语言和句法的某些方面，鹦鹉和海豚也能。这些动物能学习，它们比多数人所想像的更聪明。程序化的行为主要源出于进化。加州理工学院研究果蝇的迪金森（Michael Dikinson）博士说：果蝇在第一次起飞时，就像一架战斗机。他还说：“许多人争辩说，动物比我们所承认的更聪明。更多时间，它们比我们所承认的更欠聪明。”


——摘自戈尔曼（James Gorman）的文章


评论：两面都说了，当然没错，但等于没有说。


17． 科学能证明上帝存在吗？


18世纪法国著名数学家拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）在被问到上帝是否适合于他的天文学理论时说：“我不需要这个假设。”他的理论应用牛顿定律，却否定牛顿的“上帝最初一击”。大爆炸是另一个有关上帝的热门话题，无中生有不是科学所能处理的。“精细调节说”也是上帝藏身之地——电子电荷、引力强度为什么取这样的值使得星球、原子、分子和生命可以存在？像一个八岁孩子那样问为什么？为什么？为什么？最后的回答是“就是这样”或“上帝使然”，任你选择。


——摘自约翰逊（George Johnson）的文章


评论：亿万富翁坦普尔顿（John M.Templeton）爵士设立以他命名的“宗教进步奖”，每年的奖金额超过单项诺贝尔奖。近几年都授予以科学名义宣扬上帝的科学家或科学作者。这就是“科学能证明上帝存在吗”这类问题花样不断翻新的原因之一。


18． 进化真是随机的吗？


进化生物学家思考一个难题：生物世界中有多少是出于偶然？密歇根州立大学的伦斯基（Richard E.Lenski）博士说：“许多研究发现：进化中具有令人惊讶的重复性。”已故的哈佛大学教授古尔德（Stephen J.Gould）则认为：将生物历史倒回重演，进化之路将与原先实际发生的很不相同。近来有许多实验支持重复性，但进行决定性的实验所需经费超出国家科学基金（NSF）的预算。


——摘自允（Carol K.Yoon）的文章


评论：两个极端——完全随机或完全重复性都不符合生物进化的实际情形。


19． 生命如何开始？


生命的出现是单一事件，发生在35亿到40亿年前。德国的瓦赫特绍泽（Gunter Wachtershauser）认为生物大分子DNA、蛋白质、细胞膜等的结构都太复杂，它们都是后来产生的。他主张生物起源于在黄铁矿表面简单的化学反应所产生的重复循环。另一些生物学家指出：RNA在生命起源中占有重要地位，它不仅存储遗传信息，而且具有酶的作用，在早期的细胞中起关键作用。尚未发现RNA能自我复制，但RNA能复制其一小段。尚不清楚第一个RNA如何形成。火山灰中的成分montmorillonite具有某种有趣的催化作用，能从部件合成RNA。陆地的火山或海底的“黑烟囱”有稀奇的化学物质和过程，是生命之源可能的候选者，但如果说这就是生命之源，则言之过早。


——摘自韦德（Nicholas Wade）的文章


评论：生命的一个明显特征是自我复制，它既是信息的存储又是信息的传递。探索生命起源不仅要着眼于物质和能量，也要着眼于信息和熵。问题是：低熵的生命如何从高熵的汪洋大海中冒出来？


20． 药物能使我们快乐吗？聪明吗？


这要看何谓“聪明”和“快乐”。现在已有药物能提高情绪，但这是否就使人更快乐呢？正如借酒浇愁能否得到真快乐。有药物能增强人的记忆，目的是治疗老年痴呆症，也许有朝一日能使健康人学习得更快。冷泉港实验室的塔利（Tom Tully）博士做出基因改造的果蝇，具有比通常果蝇高10倍的记忆力。几年前普林斯顿大学的钱卓博士也作出了基因改造的聪明鼠，他说：“人们通过教育改进其脑力，这百分之百有效而且没有副作用。”


——摘自波拉克（Andrew Pollack）的文章


评论：抑制忧郁与快乐是两回事，增强记忆也不能与更聪明划等号。但随着科学的进步，改善人脑力的药物定会出现。


21． 我们的基因应该改善吗？


解读人类基因以后，我们为什么不改善基因呢？这可能是生物伦理学的最困难的问题。BMP-2基因有三种，其中两种可能导致骨松症和脆骨症。在婴儿胚胎期是否要将坏的BMP-2基因换成好的？父母当然希望子女的生命有一个好的开始，但换基因的后果并不简单，换上去的好基因可能与其他的基因相互作用而产生坏的结果。为什么我们不能改善我们自己呢？难道每一个人无权拥有最佳的基因吗？但如果我们减少个体之间的基因差异，就会冒将整个人类变成一个巨大克隆群体的风险，从而不能适应环境的改变。追求完美如走到极端，就一定造成灭绝。


——摘自韦德（Nicholas Wade）的文章


评论：随着对人类基因及其功能知识的增长，改善基因势不可挡，只能因势利导，趋利避害。


22． 保留多少自然就足够了？


人口不断增长、资源消耗增加、试图影响气候以及将害虫等移来移去，这样会使地球上生命的多样性不可能维持下去。问题是：多少损失能被容忍？在几十年前问题并不复杂，建立许多保护地就是了。生物学家发现保护地必须大于2500英亩（合10平方公里）才能有效保护鸟类。雷文（Peter H.Raven）博士认为最重要的保护方法是，以减缓人口增长和更有效地利用资源来减少人类对世界上最后的自然野地所施加的压力。虽然有种子银行和基因库，但是保护现有的生物多样性，比在将来再重新产生它们更好。


——摘自列夫金（Andrew C.Revkin）的文章


评论：保护自然，刻不容缓。


23． 最困难的数学问题是什么？


黎曼假设，1859年由德国数学家黎曼（Friedrich B.Riemann）所提出，一直在逗弄数学家。黎曼假设涉及数论，他提出了一个公式给出质数的位置——zeta函数在复平面上的根除一般情形外均排列在一直线上。黎曼并未对此假设的证明给出暗示。数学家用超级计算机逐个计算，已算过1023个，都符合黎曼假设。最近物理学家也参加进来了，他们发现zeta函数根的分布与高度受激核子的能级有相似之处。这又多了一条路，尽管如此，证明黎曼假设前途仍然多艰。


——摘自科拉塔（Gina Kolata）的文章


评论：这再一次证明数论并非像原先所想像的那样抽象，而是有其实际原型。


24． 外星人在哪里？


1950年物理学家费米（Enrico Fermi）提出这个问题。半个世纪以来，宇宙飞船访问过太阳系中除冥王星以外的所有行星以及主要的卫星，一无所获。此外，天文学家检测过数千个星体的无线电信号，一片寂静。SETI（由私人资助的探索地外文明的组织）仍在继续探索。SETI的天文学家说：“缺乏证据不等于没有。”


——摘自奥弗比（Dennis Overbye）的文章


评论：SETI的勇气可佳，祝他们好运。


25． 超自然现象存在吗？


大部分科学家不相信超自然，民意测验表明约有一半美国人相信。马里兰大学物理学教授帕克（Robert L.Park）博士说：“如果你能用你的心来影响事物，就好像宇宙在注视着你，许多人认为这很重要。”


——摘自钱（Kenneth Chang）的文章


评论：关键是超越什么。如果超越已知的自然知识去探索新的自然规律，我赞成。如果是超越自然本身，那就是旁门左道，我反对。