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科学家在引力波之后孜孜以求的十大事物
http://www.slrbs.com  2016-05-30 09:43:38  科技日报

经过一个世纪的追寻,科学家们终于发现了引力波,人类也从此获得新的宇宙感知力。但这并非科学探索的终点,而是下面一些重要科学探索的起点。从鳗鱼产卵之地到难明是“何方神圣”的黑洞;从位于太阳系边疆的奥尔特云到让动物感知磁场的磁受体,英国《新科学家》杂志日前列出了令科学家们因求之不得而辗转反侧的十大事物。

“只在此山中,云深不知处。”我们确信它们的存在,但一直未曾揭开笼罩在其头上的“神秘面纱”。或许,下一个科学突破从其中诞生。

黑洞

在银河系的心脏潜伏着一个怪兽,但迄今无人窥其真容。我们非常确信这个怪兽的存在是因为其附近的恒星疯狂地围绕着一个质量为地球质量400万倍的庞然大物旋转。对于大多数物理学家来说,那是一个恐怖的超大质量黑洞。

黑洞是宇宙中一片密度极大的区域,包括光在内的任何物质都无法摆脱其强大的引力,我们无法通过光的反射来观察它,只能通过它对周围星系、行星以及星际尘埃施加的影响发现其所在。

科学家们普遍认为,不久前探测到的引力波源自两个质量较小黑洞的并合,正是黑洞的确存在而并非理论“白日梦”的最新证据。但这也引发了一个问题:我们理解物理现实的两大基石——广义相对论和量子理论对黑洞的解释存在矛盾。1976年,英国科学家霍金称,自己通过计算得出结论,黑洞一旦形成,就开始向外辐射能量,但这种辐射并不包含黑洞内部物质的“信息”。最终黑洞将因为质量丧失殆尽而消失,而那些黑洞内部的信息也就不知去向,这便是所谓的“黑洞悖论”。但霍金的上述理论与量子物理学的理论背道而驰。量子物理学认为,类似黑洞这样质量巨大物体的信息是不可能完全丧失的。霍金对之解释说,黑洞巨大的万有引力场在某种程度上破坏了量子物理学的理论。

模型表明,黑洞会随着时间的流逝慢慢蒸发,直到灰飞烟灭,释放出的能量被称为霍金辐射。但黑洞吞噬的光和其他物质,尤其是其嵌入的信息,会遭受什么样的命运呢?美国亚利桑那大学的丹尼尔·马龙正在从事的一个项目旨在帮助厘清这一情况。将于2017年为科学家们服务的事件视界望远镜(EHT),通过搜寻稠密磁场内呈螺旋样旋转的炽热电子释放出的微光,为一个假设的黑洞拍照。如果它所见到的情况与人们目前对黑洞的描述和假设相吻合,那么光扭曲等特征将让我们能更好地洞悉黑洞内部的工作原理。

最初的祖先

生命的化学组成,尤其是蛋白质和核酸是如何在地球原始环境中形成的,一直是科学家们面临的最大谜团之一。

最开始是艾达(Ida)——地球上第一种物质,接着转变成卢卡(Luca)——地球生命最后的共同祖先,这种分子能作为遗传代码存储信息,并产生了地球上所有的生命。

艾达和卢卡继续与我们生活在一起。我们的细胞都使用同样的遗传代码,这些代码嵌入DNA内,这表明卢卡本身由DNA组成。但它并非那么简单。所有的生命使用蛋白质来制造DNA,并执行DNA的代码,但蛋白质本身由DNA模板组成。那么,是先有蛋白质还是先有DNA?或者两者都不是?

RNA是在所有活体细胞内发现的DNA近亲,也携带遗传物质,更重要的是,RNA还能催化化学反应。RNA世界假设称,卢卡由一锅RNA汤生成,最终生成了DNA和第一个细胞。但RNA又从何而来呢?

上世纪50年代,美国化学家斯坦利·米勒和哈罗德·尤里进行了一个著名的实验。他们建立了一个密封系统,再现地球早期大气环境。当时的海洋被模拟成盛有温水的烧瓶,水蒸汽从水中释放出来,被收集到另一个烧瓶,尤里和米勒引入氢气、甲烷和氨气,模拟无氧大气层状况。然后,他们用电火花代表闪电,引入到混合气体构成的无氧大气层中。最终,冷凝器将这些气体冷却成液体,收集进行分析。

一周后,尤里和米勒得出了惊人实验结果:在冷却的液体中存在大量有机化合物。米勒发现了几种氨基酸,其中包括氨基乙酸、丙胺酸和谷氨酸。氨基酸是构筑蛋白质的基础,而蛋白质是细胞结构和细胞生化酶进行重要化学反应的关键成分。尤里和米勒得出结论称,有机分子可能来自于无氧大气层,同时最简单的生命体也可能在这种早期环境中孕育出来。

而现在,更微妙的思想流行。例如伦敦大学学院的尼克·莱恩认为,海底温暖的排气孔提供了RNA形成所需的甲烷汤、矿物质和水。他在其著作《能量、性、死亡》中指出,线粒体是生物不可或缺的重要胞器。每个人的体内都带有一万兆个线粒体,约占体重的百分之十。这个微小的细胞器曾经是自由生活的细菌,却在二十亿年前被吞噬进更大的细胞中,从此和宿主细胞共同生活在一起,塑造了生命的纹理。而科罗拉多大学波尔得分校的迈克尔·亚努斯则认为,生命源于一个充满泥泞的池塘,其不断地冰冻和解冻将化学物质推到一起,孕育了生命。

奥尔特云

你会在每一本天文学教科书里发现它的踪迹:由数万亿个岩石和冰团块组成的球体星云,大多数星体的直径在一公里以上,总质量约为地球质量的几倍到几十倍,形成了太阳系的最外层疆界,这就是科学家们所说的“奥尔特云”。

1950年,荷兰天文学家简·奥尔特对长周期彗星进行了研究。他发现,很多长周期彗星的远日点位于距太阳5万到15万个天文单位的区域内,由此假设:在那里存在一个长周期彗星的大本营。这一假设与将柯伊伯带视为短周期彗星补充基地的假设有着异曲同工之妙。那个遥远的长周期彗星大本营后来被人们用奥尔特的名字命名为“奥尔特云”。

奥尔特云被认为是恒星形成时留下的天体,它们的分布和大小能帮助我们理解恒星的形成过程。奥尔特云究竟有多大呢?今天的很多天文学家认为它的范围延伸到距太阳约5万个天文单位的地方,但也有人像奥尔特当年一样,认为它延伸得更远,直到太阳引力控制范围的最边缘,约在距太阳10万到20万个天文单位处,在那之外,银河系引力场的潮汐作用及附近恒星的引力作用将超过太阳的引力。

奥尔特云距我们如此遥远,而且包含的又大多是小天体,所以,尚未发现直接证据证明奥尔特云的存在。直至今日,只有编号为90377的天体被认为可能是奥尔特云的天体,不过还未获得证实。

奥尔特云存在的唯一且非常间接的证据是一颗彗星偶尔的拜访。2013年12月,彗星ISON在接近太阳前三天,不幸“土崩瓦解”。科学家们认为,这颗彗星的轨道表明其来自奥尔特云。卡内基科学研究所的斯科特·谢泼德说:“我们相当确信,奥尔特云的确存在,尽管我们从来没有真正为其拍过照。”

意识

生命为什么会有意识呢?这个古老的问题,至今仍然没有确定的答案。科学发展到现在,在解剖学和各种扫描仪器的帮助下,人脑的细部结构已经不是秘密了,然而在意识如何产生这个问题上,科学家们还是一点儿头绪都没有。

意识像一个开关:要么你正在体验这个世界,要么你没有,但科学家们很难找到使我们的大脑在这两种状态之间切换的开关。密歇根大学意识科学研究中心负责人乔治·马舒尔说:“意识并非我们看见的事物,而是通过它我们能看见,这一点使其成为科学家们的研究挑战。”

我们确实知道,某些脑部区域如果被破坏或受到刺激,会导致意识的丧失,大脑内一种薄如纸翼的屏状核结构是其中的一个区域,但很多旨在描述意识的理论不再专注于在大脑内寻找某个供意识扎根的点,而是转向另一个理论:从外部世界获得的信息会争夺注意力。

我们仅仅意识到某些事情,比如,如果正在叮叮响的电话打败其他信息进入人脑,那么我们就会意识到电话铃响。而信息整合理论认为,意识是数据合并在一起大于各部分简单相加的结果。

马舒尔说:“意识并非被大脑的某个可以关闭的区域调整,而是被通讯故障调整。”最近,一项研究对慢慢被麻醉者的大脑活动进行了扫描,研究结果似乎证明了这一情况。它或许也解释了为什么麻醉剂开他敏能让人昏迷:这个功能强大的镇静剂增加了很多促进清醒但抑制不同区域之间沟通的大脑区域活动。

胶球

如果你想要一个能使用的光剑,请试着用“胶球”做一个。尽管理论非常肯定,胶球一定存在,但实验学者也非常确信,我们不太可能证明它的存在。数十年以来,科学家一直致力于寻找胶球,其对于物理标准模式运行至关重要。

胶球被认为完全由胶子构成,胶子则是理论上预言传递夸克之间强核力的粒子,它们把夸克捆绑在一起,使之形成质子、中子及其他强子。胶子有个怪癖:它们本身携带强核力电荷,这意味着它们也能彼此依附,形成胶球。换句话讲,胶球完全是由作用力结合的微粒,但由于它们处于不稳定状态,因此,仅能在研究其衰减过程中探测到,此前未发现任何胶球结构。

模拟表明,大约1500MeV的能量足以将大量胶子依附在一起形成一个胶球。1995年,克劳斯和瑞士苏黎世大学的理论学家克劳德·阿姆斯勒证明,两个能量分别为1370 MeV和1500 MeV的粒子“共振”可能制造出一个胶球。后来,科学家们又加入了第三个候选对象——能量为1710 MeV的粒子。但众所周知,强核力很难计算,而且因为简化的原因,胶球模拟一般都是假设一个全是胶子的环境。

但克劳斯说:“这并非宇宙的真实情况,在真实的宇宙中,当你在测量一个胶球的状态时,夸克可能已经开始依附到其上,使科学家们很难证明它是一个纯净的胶子球。因此,对上面参与共振的三个粒子的可能解释是,一堆被不同数量的夸克污染的胶子。”

奥地利维也纳科技大学的安东·瑞汗和弗雷德里克·布鲁恩使用一种最新理论研究法,发现一种较强的核衰变模式——f0(1710),从而证实胶球的存在。如果他们的计算结果被证实是正确的,该研究将对于证实宇宙标准模型至关重要。

磁受体

50年前,科学家们发现了某些动物能利用地球磁场来侦查方向;30年前有研究人员提出至少一些细胞能“感应”到弱磁场。2009年,美国北卡罗来纳大学的生物学家肯·洛曼领导的研究团队通过模拟磁场环境,来观察刚孵化的海龟如何辨识经纬度,最终发现,海龟这种迁徙动物,能够利用细微的地磁场变化来感知经纬度,并找到回家的路。他们认为,老鼠、龙虾和果蝇以及包括鸽子在内的某些鸟类似乎也拥有同样的能力。

但迄今还没有人找到使动物感应磁场的“幕后功臣”——磁受体。不过,科学家们的确在大脑方面找到了蛛丝马迹。2009年,美国休斯敦贝勒医学院的神经科学家大卫·迪克曼和吴乐清(音译)进行了一项研究,他们将7只信鸽关在一个暗室里,以一个人造磁场取代地球磁场,并对鸽子在这种磁场下的脑部活动进行了监测。研究人员发现,随着磁场角度的变化,鸽子有53对神经元出现了变化。但鸽子是从何处获得这些信号的呢?

牛津大学化学物理研究所资深教授彼得·霍尔说,没有明显的器官,比如一个耳朵或一个鼻子对此负责。科学家们的一个怀疑对象是隐花色素,这是一种在鸟类和虹鳟鱼等很多动物眼睛内发现的蛋白。科学家们现在已经知道,根据磁场的不同,这种蛋白能产生名为自由基的化学物质。而且,通过遗传修改去掉这种隐花色素基因的果蝇不再对磁场产生反应。

但情况可能并不完全如此。首先,人眼也有隐花色素,但我们无法感应磁场。而且,我们也不知道自由基如何制造出一个大脑能解读的信号。

原初引力波

美国科研人员2016年2月宣布,他们利用激光干涉引力波天文台(LIGO)于去年9月探测到了穿过地球的引力波,被预言将近百年、苦苦追寻几十年之后,首个位于地球之外13亿光年的引力波源GW150914被人类直接探测到,证实了爱因斯坦100年前所做的预测。

爱因斯坦1916年左右在广义相对论中提出引力波理论,认为聚集成团的物质或能量的形状或速度突然改变时,会改变附近的时空状态,效应就像涟漪以光速在宇宙传播。由于引力波产生的时空扭曲非常微小,在此之前科学家从未成功观测到。

科学家经过大量复杂的计算和分析后得出结论,在距地球13亿光年处存在两个黑洞,其中一个黑洞的质量相当于29个太阳质量;另一个黑洞质量相当于36个太阳质量。这两个黑洞不断旋转靠近,最终相撞,合并成一个相当于62个太阳质量的黑洞,而相当于3个太阳的质量转化为引力波,向四周辐射,于去年9月扫过太阳系,为人类首次提供了直接的引力波证据。

这无疑是科学的巨大胜利。但是,两个更大的黑洞(如被认为形成成熟星系中央的超级黑洞)的合并,将释放出波长更长的引力波。哈佛大学的天体物理学家阿凡·勒布说:“LIGO对这一波长并不敏感,因此,我们需要不同的天文台。”

目前欧洲空间局正在计划中的引力波探测天线组(eLISA)是基于太空的三个设备组成的集群,它应该对这些引力波更加敏感。另外,为验证eLISA技术的一个测试探测器——空间激光干涉引力波探测器探路者已于去年12月发射升空,我们可以借此屏息凝神,聆听宇宙。

不过,即便将于2035年发射升空的eLISA也可能无法探测到人们孜孜以求的所有引力波。目前被广泛接受的宇宙大爆炸模型表明,宇宙时空经历了一段快速膨胀时期,也即所谓的宇宙暴胀时期,在此期间发出的相当低频的引力波,波长可能像可见宇宙一样大。目前仍然没有科学家提出足以感受到这些“原初引力波”的探测器,因此,我们或许只能获得间接证据。

哈佛大学科学家约翰·科瓦克博士的研究小组曾宣布,他们使用位于南极的BICEP2望远镜,通过观测宇宙微波背景辐射的偏振信号,探测到了原初引力波的信号。但有关分析确认,发现的这个信号完全可以用银河系内尘埃的信号进行解释,而并非来源于一个更加古老的宇宙起源。当然,这并非意味着要想在宇宙微波背景辐射信号中找出真正的原初引力波信号是不可能做到的。

52赫兹鲸鱼

20世纪80年代末,美国海军开始为科学家记录鲸鱼歌声。美国伍兹霍尔海洋研究所的威廉·沃特金斯博士1989年开始整理这些声音记录,发现一头鲸鱼叫声的频率比任何已知品种的鲸鱼都高很多,科学家认为它的叫声一直无法被其他鲸鱼接收得到,因此,也从来未曾被回应,所以称它为“世界上最寂寞的鲸鱼”。

沃特金斯的研究激起了公众广泛的兴趣,但迄今无人见过这头鲸鱼,不知道它属于哪个品种,也不清楚这头不寻常鲸鱼的医学状况。不过,研究人员表示,它显然很健康,因为它在大海中已经存活20多年。2014年秋天,一个由科学家和纪录片制作人组成的团队沿着北太平洋鲸鱼路线寻找这条世界上最孤独的鲸鱼,试图给其拍摄纪录片,但最终一无所获。

实际上,这只鲸鱼的确唱歌,而且几乎可以确定它是一只雄性鲸鱼。它的季节性运动与其它蓝鲸无异。沃特金斯认为,它是蓝鲸和长须鲸的杂交品种。美国斯克里普斯鲸鱼声学实验室的约翰·希尔德布兰则进一步认为,它是一只蓝鲸母亲和一只长须鲸父亲的后代。他说,长须鲸是鼓手,以短脉冲唱歌;而蓝鲸是歌剧歌唱家。52赫兹鲸鱼的歌唱方式有点像这两者的混合。希尔德布兰说:“从文化上来说,它像一只蓝鲸。”

但它或许并非独一无二,希尔德布兰说:“可能有更多这种鲸鱼。”希尔德布兰的研究团队使用独特的水中听音器,记录了这种独一无二的呼叫声,时间长达数个小时。

不过,希尔德布兰团队的水中听音器网并没有连接到海岸上,因此,当读数被取回并被分析时,它们探测的动物早就离开了,所以,也就错失了与这只鲸鱼“邂逅”的好机会。

许多人对52赫兹鲸鱼的遭遇非常同情,一些音乐家和小说家甚至以它为灵感创作出非同寻常的故事。但是,流行巨星泰勒·斯威夫特在2014年的一次采访中提到:“每个人都为这只鲸鱼感到难过,但子非鱼焉知鱼之乐,说不定这只鲸鱼自己很享受,能够自得其乐呢?”

一般认为,雄性鲸鱼唱歌主要是为了求偶,但对于鲸鱼来说,求偶并非是为了陪伴。或许,这只鲸鱼实际上是世界上最花心的鲸鱼。

产卵的鳗鱼

鳗鱼是一种非常奇特的水产生物,它出生在海水中,却成长在淡水里,每年淡水湖中即将产卵的雌鳗,都会沿江口或河口进入大海中产卵,产卵结束后,它长久的洄游旅行便宣告结束,这也意味着雌鳗的死亡。而卵在海水中成苗后,开始逆河进入淡水中成长。

早在古希腊亚里士多德时期,雌鳗在大海中何处产卵就是个未解之谜。亚里士多德认为,它们来自蚯蚓。迄今为止,都没有人真正知道它产自何处。现在,科学界普遍认为,美国和欧洲的鳗鱼旅行数千公里前往大西洋西部的马尾藻海产卵,这一地方接近以温暖的盐水而著名的百慕大群岛。新产卵的鳗鱼接着洄游,但这个非同凡响的旅程完全是科学家们的推断,首先由丹麦研究人员约翰尼斯·史密特提出,早在一个多世纪前,史密特前往马尾藻海进行了几次探险,得出了这一结论。但没有人看见成年的鳗鱼在那里产卵。

找到鳗鱼在何处产卵不仅仅是满足学术好奇心的问题。近年来,欧洲和美国的鳗鱼数量一直在下降,而且现在已被列为濒危物种。污染、拦截河流的水坝、捕捞以及海洋变暖都是原因,尽管这并不能解释为什么大量鳗鱼从2009年开始洄游到欧洲。

为了破解这个谜团,在最新研究中,大西洋两边的科学家们开始给成熟的“银”鳗鱼配备细小的微波追踪器,这些微波追踪器在跟随鳗鱼离开6个月后会漂浮到海洋表面,向卫星传递数据。

黑猩猩—人类之间缺失的一环

每年都会有很多化石被发现,但我们仍然没有找到最原初“缺失的一环”:人类和黑猩猩的共同祖先在何处?

这是人类进化史上最大和最难解决的问题之一。我们确信,在历史的某个时间,我们与黑猩猩拥有共同的祖先,但确切的时间以及那时祖先的相貌如何,非常难确认。古生物学家一直在化石残骸中苦苦寻觅;遗传学家则通过历史文献徜徉于DNA序列的海洋。他们各自都有所发现,却无法达成一致。

现在已经知道,黑猩猩这种生物在大约700万年前,开始在非洲使用手,在树间穿梭。但化石证据很难找到。经过数十年的搜寻之后,我们获得了很多可以追溯到400万年前的古人类祖先化石。但更早祖先的化石就很少了。

美国乔治·华盛顿大学的古人类学家塞尔吉奥· 阿尔梅希亚对早期的古人类化石、猿类化石和大量活着的灵长类动物进行了比较,他认为,我们祖先的手骨和腿骨更像人而非黑猩猩。他可能仍然依靠四肢行走,但不像黑猩猩那样的方式。加州大学旧金山分校的内森·杨和同事使用同样的方法得出结论说,这种动物的肩膀像黑猩猩,这表明,它像今天的黑猩猩一样在树间飘荡。

科学家们认为,对活着猿类的基因组进行比较或许能为我们提供大家都满意的证据。但是,这假定我们只存在一个祖先。但迄今的遗传研究表明,我们的有些染色体比其他染色体更早从黑猩猩的染色体中分离出来,这可能表明,类灵长类动物群落从某个时刻分开,后来又聚到一起,接着开始杂交,最后永远分开,所有这些事情发生在百万年间。我们只能从这个混乱的纠缠中,尝试着挑出一个祖先。 (刘霞)

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编辑:崔 凡
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