資本實驗室·今日創新觀察

聚焦前沿科技創新與傳統產業升級

王進

在過去一個世紀，人類科技取得了驚人的進步，並幫助我們回答了我們是誰和我們所居住的世界這兩大基本問題。然而，我們面對的仍然有很多未解之謎。

例如，爲什麼我們每晚都必須睡覺？爲什麼某些聲音讓我們如此興奮？爲什麼我們仍然無法“看到”暗物質？外星人到底在哪裏？……幾十年來，甚至幾百年來，人們一直在爭論這樣的問題。

乍一看，這些問題好像虛無縹緲，似乎沒什麼意義；又好像如此平常，一般人根本就不會去想。但是，正是這些問題，包括這些問題的提出和解決過程，推動着人類不斷前進。

2018年，六個平常而又偉大的謎題仍然困擾着科學家們。幸運的是，我們會堅持不懈地去探索這些奧祕。而且，現在我們比以往任何時候都更加接近真相。

1.我們到底爲什麼需要睡覺？

我們知道，在這個星球上，有很多人因爲睡不好覺，而對自己的生活與工作帶來或輕或重的不利影響。與此同時，衆多的創業公司也爲解決這一問題帶來了從移動應用，到睡眠用具等各種解決方案。

但是，我們爲什麼需要睡覺？這似乎是一個簡單的問題，但答案遠比你想象的要複雜得多。已經有無數的理由和猜想來解釋爲什麼人類每天晚上需要睡覺，但是科學家仍然無法給出一個明確的答案。

睡眠科學爲睡眠階段和大腦活動的複雜性提供了一些線索，但最終只是爲這個不完整的謎題補充一點內容而已。

我們沒有太多可以比較的東西，因爲其他動物的睡眠模式和大腦活動與人類存在着明顯差異，這讓我們對睡眠研究更加困惑。

Jerry Siegel是美國加州大學洛杉磯分校塞梅爾神經科學和人類行爲研究所的精神病學教授，一直致力於動物睡眠習慣的研究，以瞭解爲什麼人類每晚都需要進入睡眠狀態。

Siegel認爲：“我們對睡眠的理解和定位與任何其他動物都不同，因爲我們大多數人都希望每天24小時都保持清醒。但是在自然界中，消耗大量能量的動物是無法生存的。“

“例如，冬眠使得某些動物能對能量進行恢復和儲存，”Siegel解釋說：“在物種之間，節省能量是睡眠的主要進化動力”。

非洲大象在野外每天只能睡2個小時，可能是因爲它們需要用剩餘的時間來進食，以確保有足夠的能量來維持龐大身體的運作。

節能理論是科學家用來解釋我們睡眠的原因之一。由於科學家們已經創造了可以在睡眠過程中跟蹤大腦活動的工具，他們已經接近完成這個難題，揭開睡眠的所有奧祕。

例如，大腦有適當的機制，允許它在睡眠中清除不必要的信息。威斯康星大學麥迪遜分校精神病學教授Giulio Tononi認爲：“睡眠是我們學習的代價”。

Tononi的研究團隊對小鼠進行了實驗，發現小鼠睡眠後，神經突觸強度顯著低於睡眠前。

該研究團隊認爲：大腦需要減少這個活動，以鞏固它在醒着時收集的信息。大腦在白天受到各種信息的轟炸，並以強烈的神經聯繫加強它。爲了將新的信息與所有現有的信息混合起來，這些連接需要削弱，才能“吸收”它。

換而言之，睡眠能夠讓大腦把新的信息變得柔韌，以適應所有的舊信息。

雖然這個理論優雅地描述了大腦在睡眠中製造新信息的過程，Tononi教授和其他神經科學家還沒有明確證明睡眠是確實必要的。

爲了充分理解睡眠，睡眠科學家需要更好地瞭解大腦在清醒和睡眠週期中的神經生物學過程。例如，爲什麼有些人能夠在極其嘈雜的環境中睡覺，而另外一些人卻不能？

一旦我們能夠準確地測量出人類大腦的清醒或睡眠狀態，這將使我們進一步瞭解關於睡眠的全部內容。

但有一件事情是非常明確的：沒有睡眠，我們的生活就會每況愈下。Siegel教授說：“我們知道，如果你睡眠不足，你的注意力會與睡眠中受到的干擾有關。”睡眠不足會直接影響到你對周圍環境的關注程度。“當然，當你開車的時候，只要有兩秒鐘失去警覺，就可能是致命的。”

2.什麼是暗物質，爲什麼我們看不見它？

暗物質？我們看不見它，我們不知道它長什麼樣子。但是，在已知宇宙的物質中，它們佔到了26％以上。

自從1922年荷蘭天文學家Jacobus Kapteyn推測暗物質存在以來，由於暗物質與我們所能觀察到的物質之間的相互作用，我們得知它的確存在，但它仍然是我們看不見的神祕物質。

我們所看到的大部分物質都是由中子、質子和電子組成的。但暗物質不屬於這些分類。它由各種不同的粒子組成，我們還不能對它們進行分類，它們以完全不同的方式與光線和物質相互作用。

暗物質不吸收、反射或發光。但受它的引力影響，它附近的光線會發生彎曲，這是科學家們得以知道暗物質存在的觀察方式。

研究人員一直在研究這個現象，試圖揭開它的奧祕。

最近，歐洲核子研究理事會（CERN）的大型強子對撞機讓我們更接近真實。研究人員正在努力通過加速微小粒子來識別不可見的物質，然後研究它們高速碰撞時涉及的能量和動量。

研究表明，引力波探測器可以讓我們第一次“看到”暗物質。但是對於宇宙中這個最豐富的物質的真相，我們可以說仍然一無所知。

3.宇宙是如何形成的？

我們正在接近拼湊出宇宙最早的時刻，但它的真正起源仍然是一個謎。保羅·薩特（Paul Sutter）是俄亥俄州立大學的天體物理學家、哥倫布市科學與工業中心（COSI）科學中心的首席科學家。他說：“任何關於‘創造’的理論或模型在這一點上都是令人難以置信的推測。”

關於宇宙起源的最著名的理論莫過於宇宙大爆炸理論。在該理論中，宇宙是從138億年前的一個極度炙熱和緻密的奇點擴展而來。

但是人們理解錯了，如果他們認爲事情只是簡單地從零開始，那麼“宇宙大爆炸時，應該發生在宇宙的每一個角落，它不是宇宙中的爆炸，而是空間的爆炸。”然而，究竟是什麼導致了這一現象（那裏到底發生了什麼）仍然是未知的。

Sutter教授說：“我們越早進入宇宙的歷史，我們就越不瞭解。雖然我們捕捉到了三十萬年前宇宙的短暫一瞬，但科學家仍然在猜測宇宙初始時期的極端力量。”

就像所有好的謎團一樣，一個看似簡單的問題會產生更多的問題，在我們找到答案之前我們必須先解決這個問題。

Sutter說：“由於我們沒有從量子方面來完全理解重力，所以我們無法知道最早的時刻是什麼樣。”

爲此，爲了充分理解宇宙的誕生，我們需要對物質和反物質的物理規律有一個全面的認識。

這是一個問題，因爲歐洲核子研究理事會最近證實，粒子物理學的標準模型無法解釋大爆炸產生的大部分物質，必須要調轉研究方向。

一旦我們完全理解了反物質的性質及其與物質的相互作用，我們並不會對宇宙的起源有一個最終的答案，但是我們將會更加接近理解它是如何形成的。

4.第九大行星在哪裏？

在柯伊伯帶（太陽系在海王星軌道（距離太陽約30天文單位）外黃道面附近、天體密集的中空圓盤狀區域）以外，一個神祕的物體組合正在繞着太陽旋轉。

它們的軌道比海王星更遠離太陽，但是一些物體的軌跡似乎不符合預期的模式。它們中的大多數圍繞着海王星，通過強大的引力保持在行星軌道上。但是這些物體中的一小部分似乎被質量更大的物體拉扯了出來。

康斯坦丁·巴蒂金（Konstantin Batygin）是加州理工學院地質與行星科學系的助理教授，他認爲，這些特性至少部分是由於太陽系中第九顆行星的存在而造成的，這顆行星尚未被發現。

我們可以把太陽系看作一個巨大的圓盤。這些行爲奇怪的物體的軌道似乎使圓盤的邊緣向上彎曲。第九大行星需要有巨大的吸引力，擁有比地球更大的質量。然而，我們還不能夠證明它的存在。在某種程度上講，我們只是剛開始尋找它。在2014年，科學家們首次開始對它的存在進行理論分析。

然而，這並不是第九大行星未被發現的唯一原因。“我們還沒有找到它，因爲它非常模糊。”Batygin教授說，“用最好的望遠鏡，我想我們可以勉強探測到它。”

紅外分析解決不了問題，因爲儀器不夠靈敏。這迫使天文學家尋找反射光，這是比紅外分析更具挑戰性的任務。

因爲，行星反射的任何光線都必須從太陽到太陽系的遠點，從第九行星反射回來，然後回到地球，而反射光在穿越空間時呈指數衰減，從而讓我們難以發現這個星球。

然而，隨着科技的進步，一個更靈敏的望遠鏡或許能記錄從它反射回的光線，從而證實第九行星的存在。天文學家們還利用計算機模擬來估計它的運行軌道，以便更好地瞭解它何時會在哪裏。它可能只是處在軌道的某個點上，只不過因爲太過遙遠而無法被觀測到。

5.爲什麼這些聲音讓我的大腦興奮？

您可能在視頻網站上見過這種類似的大量視頻：以低沉的聲音講述，伴隨着柔和的聲音，如按摩一塊織物或一個理髮器發出的微弱嗡嗡聲。專門的麥克風能讓你身臨其境。對於一些人來說，這種聲音會產生頭皮按摩的感覺。

這種體驗的結果是：大約90%的人的大腦能夠感覺到一種放鬆與共鳴的狀態。但爲什麼會發生，爲什麼不是每個人都能感覺到，目前還不得而知。

Craig Richard是美國雪蘭多大學生物學教授兼ASMR（自發性知覺經絡反應）大學的創始人。自2013年起，他就一直在研究這種奇特的感覺。

“我們正處在解讀ASMR背後的科學的初期”，雖然過去的生物學研究表明，產生ASMR體驗和沒有產生這種體驗的大腦在功能連接上是不同的，但ASMR仍然是一個謎。

爲什麼只有一部分的人類能夠體驗到它？甚至它爲什麼存在？他說：“我認爲沒有一個解釋能滿足所有人。”

6.智慧外星生命到底在哪裏？

宇宙有上百億年的歷史了。考慮到宇宙的年齡和浩瀚無垠，我們很難理解，爲什麼我們還沒有發現其他智慧生命的跡象。基本概率表明，我們現在應該已經找到了外星人，可他們到底在哪裏？

天文學家和物理學家提出了許多理論來進行解釋。一種理論認爲，有一個巨大的災難性的事件，阻止任何文明的接觸；而另一種理論認爲外星人存在於遙遠的衛星的厚厚的冰層和岩石之下。

如果我們的太陽系存在外星生命，研究人員認爲它很可能是微生物，而不是智慧的外星生命。這些外星生物被認爲是在小型而又冰凍的行星上，如土星或木星的衛星。

美國NASA的科學家已經對這些衛星上的巨大海洋的組成和狀態進行了研究，並計劃在未來十年內前往木星的冰衛星木衛二進行觀察。

他們預測，大量的水的存在可能會使外星生物得以繁衍。但到目前爲止，這些只是根據伽利略衛星的發現，以及廣泛的掃描和觀察而得到的猜測。

但是，即使我們找到了外星生命，我們是否能夠認出它呢？

尋找熟悉的以水作爲生命支撐的碳基生命形式可能會限制我們尋找外星生命。科學家們必須能夠將外星人的信息與太空中所有其他的噪音完全區分開來，即使如此，也遠非簡單。如果他們的信息與其他頻率沒有區別呢？如果他們不想被發現呢？

無論如何，搜索遠未結束。事實上，在許多方面，探索只是剛剛開始。

|編譯：王進 原作者：Victor Tangermann