【科学探索未解之谜】2018年 我们还有这六大科学未解之谜仍需探索

2019-12-05 - 科学

导语:近百年来,人类科技水平一直以指数速度增长。我们彻底改变了社会结构; 见证了足以重建世界观的科学进步。然而,一些科学之谜仍然存在。为什么我们每晚都不得不睡觉? 为什么我们仍然无法“看见”暗物质?ASMR为什么让我们感到舒服?哪里都“有”外星人?

【科学探索未解之谜】2018年 我们还有这六大科学未解之谜仍需探索
【科学探索未解之谜】2018年 我们还有这六大科学未解之谜仍需探索

学界几十年来一直在辩论着像这样的问题,在历史上这样的争论有时甚至可以持续几个世纪。幸运的是,我们正在一步步地揭示世界的奥秘,一步步地接近着这些问题的答案。本文列出了六个仍然让科学家夜不能寐的未解之谜,让我们看看他们距离真正揭晓答案到底还有多远。

【科学探索未解之谜】2018年 我们还有这六大科学未解之谜仍需探索
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我们为什么需要睡觉?这听起来像一个很白痴的问题,但它的答案远比你想象的复杂得多。已经有无数的人尝试去找到人类每晚需要睡觉的理由,但是至今还无人能提供一个明确的答案。

一些睡眠科学的发现为研究复杂的睡眠阶段和大脑活动提供了一些线索,但最终它们还是只带来了一个不完整的、不断变难的谜题。我们没有太多可以比较的东西,因为其他动物的大脑活动和睡眠模式与人类大相径庭,这进一步加大了我们研究睡眠的难度。

【科学探索未解之谜】2018年 我们还有这六大科学未解之谜仍需探索
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加州大学洛杉矶分校赛梅尔神经科学与人类行为研究所的精神病学教授Jerry Siegel一直在研究动物的睡眠习惯,希望借此了解为什么人类每晚都需要进入睡眠状态。

“我们对睡眠的理解和定位与其他任何动物不同,因为我们大多数人都希望一天24小时保持清醒。但在自然界,像我们这样每天使用大量能量的动物根本无法生存。“Siegel告诉记者说。自然很眷顾能节制自身活动的动物——例如,冬眠使得某些动物可以恢复并储存能量。

Siegel解释说:“在物种之间,节能是促进动物睡眠进化的主要激励因素。例如,非洲大象在野外每天只能睡2个小时,可能是因为他们需要剩下的时间来进食,以便给它们庞大的身体提供足够的能量。

非洲大象在野外每天只能睡2个小时

节能理论是科学家用来解释我们睡眠原因的说法之一。由于科学家们已经创造了可以在睡眠行为中追踪大脑活动的工具,所以他们即将彻底解答这一难题,揭开睡眠的所有奥秘。

例如,大脑有适当的机制,可以在睡眠中清除不必要的信息。威斯康星大学麦迪逊分校的精神病学教授Giulio Tononi告诉记者说,“睡眠是我们学习的代价”。 Tononi和他的团队曾经对睡眠的小鼠进行了实验,发现睡眠后大脑中的突触大小与睡前相比有显著性减小。

神经突触

Tononi的研究小组得出了结论:大脑需要让这个活动减少,以巩固它在清醒时收集的信息。大脑在白天被信息“轰炸”,并以强大的神经联系加强这些收集到的信息。但是,为了将这些新的信息与所有现有的信息混合起来,这些连接之后需要被削弱以“吸收”新的信息。换句话说,睡眠状态下,大脑能使新的信息完美融入现有的所有信息中。

虽然这个理论完美地描述了大脑在睡眠中制造新信息的过程,Tononi和其他神经科学家还不能证明睡眠确实是因为这样的需求才发生的。

为了充分了解睡眠,睡眠科学家需要更好地了解有关大脑清醒和睡眠周期的神经生物学过程。比如说,为什么有些人能够在极其嘈杂的环境中睡觉,而有些人却不能?一旦我们能够准确地测量人类大脑的清醒或睡眠状态,我们就能能进一步了解所有关于睡眠的知识。

但是有一件事情一直很明确:没有睡眠,我们的状态就会很差。Siegel说:“如果你睡眠不足,那么你的注意力就会相应地下降。没有得到足够的睡眠会直接影响到你对周围世界的感知程度。比如,在你开车的时候,失去哪怕两秒钟的警觉都可能是致命的。”

我们不知道暗物质是什么样子,因为我们“看不到”它们。但在已知的宇宙中,暗物质的占比可能超过了26%。自1922年荷兰天文学家Jacobus Kapteyn推测其存在以来,由于它与可观察物质之间的相互作用,我们已经知道了它的存在。但是,暗物质仍然是我们“看不见”的神秘物质。

我们所看到的大部分物质都是由中子,质子和电子组成的。但暗物质不属于这些分类。它是由不同类型的粒子组成的,我们还无法将它们准确分类,并以完全不同的方式让它们与光或其它物质相互作用。暗物质不会被吸收,反射或是发出光。但是它的引力会使光线在通过其附近时弯曲——正是这种现象使得科学家得以知道暗物质的存在。

几乎是从这个学说建立以来,科学家们就在一直研究这个现象,试图解开它的奥秘。最近,欧洲核子研究理事会(CERN)的大型强子对撞机让我们离发现真相更近了一步——通过加速微小粒子,研究人员正在努力识别这种无形物质,然后研究它们高速相撞运动中涉及的能量和动量。

欧洲大型强子对撞机(LHC)是现在世界上最大、能量最高的粒子加速器

最近的研究表明,引力波探测器可能会让我们第一次“看到”暗物质。但是我们对于这种宇宙中最丰富的物质之一的理解,仍然处于迷雾之中。

我们正在一步步还原宇宙的早期状态,但它的真正起源仍然是一个谜。俄亥俄州立大学天体物理学家,科学与工业中心首席科学家Paul Sutter告诉记者说:“任何有关‘宇宙产生’的理论或模型都是极具不确定性的。“

也许关于宇宙起源的最著名的理论是宇宙大爆炸理论:宇宙从138亿年前的一个能量非常高的密集奇点中扩展而来。但是,如果人们只是简单地认为宇宙浩如烟海的物质只是在一场爆炸中就从无到有地产生了,那他们可是理解错了。Sutter说:“宇宙大爆炸并不是不是空间中的爆炸,而是整个空间本身的爆炸。“然而,究竟是什么导致了这个事件,科学家们还一无所知。

Sutter说:“我们对宇宙的历史研究得越深入,反而越不了解它。”虽我们最多只能观察到30万年前的宇宙图景,但科学家仍然在尝试探索宇宙初始时刻的那种极致力量。

就像所有未解之谜一样,在找到最初那个看起来很简单的问题的答案之前,更多必须解决的问题都会冒出来。Sutter说:“由于我们没有完全理解重力的量子层面意义,因此宇宙产生时最初的那段时间中都发生了什么,我们还不得而知(比如在小于宇宙产生后10 ^ -40秒的范围内)。

宇宙大爆炸时间表和后来的演变

为此,为了充分理解宇宙的产生过程,我们需要全面理解有关物质和反物质的物理定律。这确实是一个问题,因为欧洲核子研究组织最近证实,粒子物理的标准模型可能需要重塑,因为它不能解释大爆炸中的大部分问题。

一旦充分理解了反物质的本质以及其与物质的相互作用,虽然还不能真正确定宇宙的起源,但是我们将会更好的理解宇宙是如何产生的。

在柯伊伯带以外,一个神秘的物体组合正在绕太阳旋转。它们的轨道比海王星更远离太阳,但是其中一些物体的轨迹似乎并不符合预期模式。他们中的大多数都是被海王星强大的引力吸引,围绕着海王星旋转。但是这些物体中的一小部分似乎被质量更大的天体所吸引,偏离了预定轨道。

加州理工学院行星科学助理教授Konstantin Batygin认为,这些特性至少部分是由于太阳系中第九颗行星的存在而造成的——这颗行星还尚未被发现。

把太阳系看作一个巨大的光盘,这些行为奇怪的物体的轨道似乎是在光盘边缘将盘面向上弯曲了。因此,第九行星需要有巨大的引力——这代表着甚至比地球还大的质量。虽然它的影响十分明显,但我们还没能证明它的存在。部分原因是因为我们才刚刚开始寻找它。科学家们最先是在2014年才开始对其存在进行理论研究。

极端KBO显示出严重的轨道偏移

然而,这不是它未被发现的唯一原因。Batygin说:“我们还没有找到它,因为它惊人地暗淡。我们认为,只有用最好的望远镜,我们或许才可以勉强地观测到它。”红外分析是不可能的,因为仪器还没有灵敏到那种程度。

这迫使天文学家寻找反射光——这是比红外分析更具挑战性的任务。这是因为行星反射的任何光线都必须从太阳行进到太阳系的远端,再从第九行星反射回来,最后回到地球。反射光线在一定距离内是成指数地减少的,这种特性使我们尚不能发现第九行星。

然而,随着技术的进步,一个对光更敏感的望远镜或许能记录到从它反射出的光线,从而一劳永逸地证实第九行星的存在。天文学家也使用计算机模拟来估计它的轨道,以便更好地了解它的位置。可能第九行星只是因为正处于其轨道上的一个远点,由于距离太遥远才无法被观察到。

您可能已经在YouTube上看到过了这些:数以千计的视频中播放着柔和的声音,比如摩挲编织物或开动理发器的微弱嗡嗡声。一个特制的麦克风会让听众如临其境。对于一些人来说,这种声音会让他们产生一种头皮按摩的感觉。

ASMR (Autonomous Sensory Meridian Response),中文译名"自发性知觉经络反应"

这种体验的结果是:大约90%的听众都会在大脑中感觉到放松、酥麻的感觉。 但这种感觉为什么会产生,以及为什么它不适用于每个人,我们目前还不得而知。

谢南多厄大学生物药学教授、ASMR大学创始人Craig Richard,自2013年以来就一直在研究这种奇特的感觉。理查德告诉记者说:“我们正处于研究ASMR背后科学原理的初始阶段。 虽然过去的生物学研究表明,经历过ASMR的大脑的功能连接(功能磁共振成像能探测到的大脑区域)不同于那些没有经历过的大脑,但我们了解的还是太少太少,ASMR仍然是一个谜。

为什么只有某些人才能感受到它?甚至为什么它会存在? 他说:“我认为这里永远不会有一个能令所有人信服的解释。”

宇宙已经存在了数十亿年之久。考虑到我们所处宇宙的久远和浩瀚,我们很难理解,为什么我们至今仍未发现其他智慧生命曾经存在的迹象。基本概率上讲,我们现在应该已经发现了外星人,那么他们到底在哪里?

天文学家和物理学家提出了许多理论来解释。一个理论认为,有一个巨大的灾难性事件会阻止文明之间的接触,而另一个假说认为外星人被困在遥远卫星上那些厚厚的冰层和岩石之下了。

如果我们的太阳系存在外星生命,研究人员认为它们可能都是微生物,而不会是智慧生命。这些外星生物大概生活在小而冰冷的行星上,比如土星或木星的卫星。NASA的科学家对这些卫星上海洋的组成和状态进行了研究,因为他们认为足够大的水环境最可能是外星生命茁壮成长的温床。

但到目前为止,这些还都只是基于NASA伽利略卫星的发现和广泛的扫描观测所得,而衍生出的一些猜测。NASA正计划在未来十年内前往冰冷的木卫二——欧罗巴,进行进一步的观察。

冰盖下可能存在大量液态水的木卫二

但是,即使我们确实找到了外星生命,我们是否能够认出它呢?碳基生命依赖于水的刻板印象可能会限制我们对外星生命形式的想象力。科学家们必须能够将外星人的信息与太空中的其他噪音完全区分开来——即便能够做到这样,想找到地外生命也不是那么简单。如果他们的信息与其他噪声的频率无法区分开呢?如果他们不想被我们发现呢?

无论如何,探索还远远没有结束。事实上,在许多方面,探索还只是刚刚开始。2018,我们的科学之旅还将继续。

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