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生命、宇宙、万物——42个基本大问题

Learn from yesterday, live for today, hope for tomorrow. The important thing is not to stop questioning.

—— Albert  Einstein


2017年,已成为过去。迎接而来的2018年似乎充满了无限的希望,至少这是每个人所希望的。在这充满希望的第一天,有人正默默地写下今年的目标,有人则翻找着自己18岁时的青葱岁月,而有的人则选择打开这篇文章静下心来阅读。


42,这个数字对于许多人而言并不陌生。根据道格拉斯·亚当斯(Douglas Adams)在他的科幻作品《银河系漫游指南》一书中的描述,生命、宇宙、万物的终极答案便是42。但42究竟诠释着什么?至少在这篇文章中,它意味着42个探究真理的基本大问题。


每当基础科学有颠覆性的新发现时,都揭示了自然的一些新特征,但伴随而来的总是新的谜题。从宇宙学常数问题,到时空和量子场的起源,再到生命和意识之谜,这些都是当前科学家所面临的最具有挑战的问题。通过这篇文章,希望能够让更多的人了解科学中的一些基本大问题。(由于篇幅原因,本文将分成上、下两篇分别推送)


生命篇


1. 什么是生命?


1944年,物理学家薛定谔(Erwin Schrödinger)撰写了《生命是什么?》一书,在书中他写道:“我们从先祖那继承了对统一一切知识的强烈渴望”。这句话或许可用来解释为何物理学家总是敢于去讨论那些非他们专业领域的问题。


病毒是一种介于生命与非生命物种之间的物种,因为一方面它们不能自行复制;另一方面当有正常活细胞供它们使用时,就可进行非常高效的传播。这是一个在薛定谔年代就为人所知的事实,而这一问题在70多年后的今天变得更加宽泛。是否存在基于外来生物化学的生命形式?它们或许根本不以DNA为中心分子结构?又或者甚至不以碳为中心元素。或许目前于我们而言是未知的原理,能在其他系外行星上产生完全陌生的生命形式。


2. 地球上的生命是如何开始的?又是如何演化出复杂的生命形式?


地球形成于太阳系早期。许多证据证明地球上的生命经历过两个主要阶段。首先是单细胞原核生物,再接着是多细胞的真核生物。这些简单的单细胞经过漫长的岁月,形成了复杂的生物,例如人。这是个非常令人惊叹的过程。


人们对地球上的生命起源进行过非常多的讨论和研究,因此有许多不同理论,但并没有哪种理论特别令人信服。其中的一个关键问题就在于,开启地球生命的第一个有机分子是完完全全原生于地球的,还是始于其他地方再以某种方式被带入地球的?根据实验和基因分析,科学家们认为地球生命最后的共同祖先,约生活在海底的深海热液口附近。由于地球上的所有生命形式都是从这个遥远的祖先演化而来,所以它们都有一些共同的属性和分子,如DNA。


另一个同样重要的问题是,单细胞的前体是如何变成复杂生物的?由 Lynn Margulis 提出了一个现已被广泛接受的思想:即真核细胞中的线粒体和叶绿体曾经都是独立的细菌。在那样的情况下,生命将仅限于单细胞细菌,而古细菌(原核生物)则不能与细菌共生合并,最终导致了真核生物的出现。


○ 在NASA的艾姆斯研究中心悬挂的一幅壁画中描述了地球上生命的出现。 | 图片来源:NASA Ames Research Center


3. 生命在宇宙中有多普遍?


在过去20多年中,人类发现了数以千计的系外行星,其中少数几个星球或许可作为宜居星球。从概率角度来看,这是否意味着宇宙中的许多地方或许都存在生命呢?毕竟在可观测宇宙内就已经有数以万亿的星系,且每个星系中又有数以千亿的恒星。


在宇宙138亿年的历史长河中,其他的生命都在哪里呢?或许更高级的智慧生命倾向于不与文明程度较低的生命接触,又或者高级智慧生物因发展出危险的科学技术而导致了自身的灭亡。还有一种可能性就是高等智慧生物出现的可能性本来就极其的低,因为在进化成高等智慧生物的过程中所面临的障碍实在太多了。


4. 生物为何能完成那些复杂到不可能的任务?


生物有两项特别值得骄傲的能力:一个是蛋白质折叠,也就是蛋白质链形成具有正确生物功能结构的过程;另一个是形态发生,即在一个初级单细胞增殖成一个完整的有机体过程中,让分化细胞形成像眼睛、心脏、大脑等复杂结构的能力。这两种能力是非常复杂的,绝非任何计算机能模拟或复制。目前我们仍不能解开生物为何能具有如此复杂能力的奥秘。


5. 我们能够理解并攻克那些威胁生命的疾病吗?


几乎任何器官的生物途径都是错综复杂的,我们掌握的只是其中的一部分。其研究难度在于未知的自由度过大,并且个体与个体之间的差异无法逾越,因此我们不禁想问,人类对疾病根源的探索究竟能走多远?对它的研究需要依靠的是临床实验,还是理论系统生物学的突破?


6. 什么是意识?


我们与现实之间的直接接触都是通过自身对外界的体验,科学认为这些体验都来自于大脑内的神经元结构,越来越多用于进行神经科学研究的工具可对大脑的信息做更深层准确的探索。


据研究发现,不同的心理过程能激发大脑中不同的部位,但是科学家仍搞不清楚的是与意识相关的自理过程。其中最主要的问题是,科学家还无法确定意识的形成是与大脑中的某单一区域还是多区域有关。另一个重大问题是由意识引发的我们能够感受到的真实体验,受到了怎样的物理系统的支持?如何才能判断另一个人的体验是否与我们相同?常规的图灵试验并不足以为我们提供这些问题的答案。


引力和宇宙篇


7. 爱因斯坦的引力理论如何与量子力学结合?


上个世纪,有两个伟大的理论彻底地改变了我们对自然的理解。其中一个是爱因斯坦的广义相对论,将引力和弯曲的时空联系在一起。另一个则是量子力学,描述了粒子和它们之间的相互作用。二者各司其职,并且经受住了无数次对它们的检验。但是,当我们谈及宇宙大爆炸或黑洞的时候就会意识到,它们必须合二为一才能揭开宇宙更深层的秘密。


自爱因斯坦的时代物理学家就已经开始试图构建一个量子引力理论,即对引力场进行量子化描述的理论,就跟自然界中的其它场一样。在所有理论中,最著名的两个尝试分别为弦理论和圈量子引力。前者将一个粒子的世界线替换成弦的世界面,因此费恩曼图中的线相交被拓展为面相交。后者则认为时空具有“颗粒性”。虽然这两个理论在数学上非常具有吸引力,但它们目前还没有做出可检验的预言。其它的尝试包括“因果集”理论,“因果动态三角剖分”理论,“渐进安全引力”理论和“涌现引力”理论等。


○ 通往量子引力理论的所有可能路径。| 图片来源:https://arxiv.org/pdf/1708.07445.pdf


8. 黑洞的熵和温度的起源是什么?


自约翰·惠勒提出“黑洞”一词后,科学家、科幻家、小说家等就没有停止过对它的想象。它不仅仅只是理论上的产物,大量天文观测都证实了恒星级黑洞和超大质量黑洞的存在。2018年,黑洞也将迎来历史性的一刻,我们即将看到它的第一张照片!


一直以来,黑洞都是滋生悖论的温床。上个世纪,贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)和霍金(Stephen Hawking)提出了黑洞熵和辐射的概念后,争论就从没有停止过。霍金和索恩(Kip Thorne)为此有过好几次著名的打赌。到目前为止,都是索恩获胜(他还获得了2017年的诺贝尔物理学奖)。贝肯斯坦-霍金熵的公式为

霍金温度定义为

公式中假定了一些著名的常数为1。式子中的量同时联系了引力和量子力学,但最基本的问题是为什么熵正比于面积(A)而不是体积。弦理论、圈量子引力理论、以及其它的模型都尝试推导式子(1),但都没有成功。这足以证明,我们并未真正理解黑洞熵的深意。


○ 霍金辐射。| 图片来源:E. Siegel


9. 信息在黑洞中丢失了吗?


黑洞的热力学有两种可能性:


就像普通的热力学一样,如果在宏观层面它只是一个统计学上的描述,那么当物体落入黑洞时,信息只是表面上消失了,之后以霍金辐射的形式出现。在这种情况下,可能存在一个更深层的微观描述,在这个过程中,时间的进化是完全确定的,并没有任何信息真正消失。


另一方面,如果熵和温度是黑洞的基本特征,直接由引力和量子力学决定,那么最初的物质的详细性质就会在事件视界内被抹除。在这种情况下,原先的信息就会丢失。


试图解释黑洞信息悖论的尝试有很多,比如全息原理、火墙悖论和黑洞记忆等。


10. 宇宙学常数问题


1917年,为了描述一个静态的宇宙,爱因斯坦在场方程中引进了一个额外的常数项,称为宇宙学常数,它提供了抵抗引力的排斥作用。然而,当哈勃发现宇宙正在膨胀的时候,爱因斯坦认为这是他一生中犯的最大的错误。而现在看来,这个“错误”或许有着更深的含义。根据量子力学,真空本身会有微小的涨落,这些涨落会产生能量。物理学家认为量子真空能量可以充当宇宙学常数的角色。但是,基于量子力学计算的真空能量的值远高于实际观测到的能量密度——高出120个数量级,这个结果被惊叹为“物理学史上最糟糕的理论预测”。这便是宇宙学常数问题。物理学家提出了人择原理和多重宇宙等模型来解决理论和观测之间的偏差,但目前并没有统一的意见。


11. 什么是暗能量?


1998年,两个独立的天文小组通过对遥远的超新星爆发的测量得出了一个惊人的结论:宇宙正在加速膨胀!科学家把造成加速膨胀的幕后推手称为“暗能量”。暗能量占据了宇宙总质量和能量的68.3%,它支配着宇宙的终极命运。但究竟什么是暗能量,我们并不知道。


在这个问题上,科学家耗费了大量的笔墨和实验观测,一个最简单的解释或许是暗能量就是宇宙学常数,但如上述,我们遇到了问题。也有人提出一些具有奇异性质的粒子能够充当暗能量的角色,比如变色龙粒子,它的性质会随着周围的环境而改变。又或许宇宙中存着一种微弱且长程的第五种基本力,它会抵消掉一点引力的作用。当然,一些物理学家认为根本不存在暗能量,只是现有的引力理论需要得到修正。(在2017年发现的双中子星合并中,有一些试图修正引力的理论已经被否定。)虽然有许多的理论被提出,但暗能量依旧保持着它的神秘。


12. 宇宙经历了暴胀时期吗?如果是,暴胀又是如何以及为何开始的?


当宇宙的年龄仅为10^-32秒时,宇宙经历了一场指数式的膨胀,这段时期被称为暴胀时期。暴胀理论的提出是为了解释传统大爆炸理论所面临的难题(比如视界问题和平坦性问题) 。但是,暴胀理论面临着几个问题。第一个重要的问题需要由观测来回答,即是否有暴胀的直接证据。第二个需要同时由理论和观测来回答,即暴胀的起源之谜。目前有许多富有竞争力的模型,但都受到许多质疑。2017年,针对于暴胀理论是否是一个科学理论,世界上最富盛名的物理学家都加入了这场辩论。


13. 为什么宇宙中遍布着物质,而不是反物质?


根据粒子物理学的标准模型的预测,在宇宙诞生之初,应该有等量的物质和反物质被创造。而我们知道,当正反物质相遇时会发生湮灭,化作一团能量。理论上,这样的一次大湮灭事件应当发生在138亿年前。但事实是,在那场战役中,物质战胜了反物质,并存活了下来,否则我们就不会在这里寻找这个问题的答案。


1968年,物理学家Andrei Sakharov意识到,如果宇宙满足三个条件,那么物质和反物质不对称性就是不可避免的。这三个条件分别是:重子数不守恒、违反C对称(电荷共轭对称)和CP对称(电荷共轭与宇称联合对称性)、存在偏离热平衡的相互作用。解决物质-反物质不对称性的理论包括轻子数不对称产生机制、电弱重子数产生机制、Affleck-Dine机制和普朗克/大统一重子数产生机制。


14. 什么是暗物质?


Fritz Zwicky在1930年代和Vera Rubin及她的合作者在1970年代的观测都表明,星系中的引力大多数来自不发光的物质,即所谓的暗物质。近年来许多天文观测数据都倾向于暗物质的存在,它的数量大约是普通物质(比如行星、恒星、气体等)的5到6倍。在宇宙的138亿年的演化过程中,它对星系、星系团和大尺度结构的形成至关重要。但我们仍旧不知道暗物质的真实面目。到目前为止地底下的大型探测器、太空中的卫星、以及对撞机中均为发现暗物质的踪迹。寻找暗物质是高能物理学和天体物理学的首要任务。


○ 两个星系团间的碰撞合并成一个更大的星系团。这被认为是暗物质的强有力证据。| 图片来源:NASA


15. 宇宙中还有哪些新的天体等待被发现?


宇宙中遍布中许多不同类型的奇异物体。在我们熟悉的普通恒星内部,辐射压和引力的完美对抗,防止它进一步坍缩。而在白矮星中所发生的事情则更有意思,它是由电子的“简并压”所支撑着。类似地,恒星死亡后另一个结局——中子星,则是由中子简并压支撑。1967年,Jocelyn Bell Burnell发现了快速旋转的中子星——脉冲星。此外,宇宙中也有许多恒星级黑洞,天文学家通过黑洞周围的吸积盘辐射出的X-射线对它们进行观测。而超大质量黑洞被认为普遍存在于大型星系的中心。宇宙中也充满了不同的粒子和辐射,它们都有着不同的起源。基于过去几十年天文观测带来的惊喜,我们完全有理由期待未来会发现更多令人意想不到的天体。例如Katherine Freese提出来的“暗星”,或者由夸克组成的夸克星,或以暗物质湮灭做为能量来源的天体(而不是核反应)。未来,天体物理学充满了无限的可能性。


凝聚态物质和量子系统的奇异行为篇


16. 还有哪些超导和超流体的新形式等待被发现? 


在低温下,像氦-4原子这样的玻色子会经历玻色-爱因斯坦凝聚成为超流体。同样的,费米子会形成配对,凝聚成超流体,如果费米子带电则会形成超导体。从氦-3的超流体相,到原子的玻色-爱因斯坦凝聚,再到中子星的中子,这些都是科学家热衷研究的超流体对象。另一方面,超导体的例子也有很多,比如有机超导体、重费米子化合物和高温超导体等等。高温超导体的超导电性机制以及其它特征都有待被阐明。基于这些年来这个领域的蓬勃发展,我们可以期待未来有更重大的发现在等待着我们。


17. 有哪些新的拓扑相等待被发现?


继 Kosterlitz-Thouless 相变、以及整数和分数量子霍尔效应的发现后,拓扑绝缘体是近年来令人惊喜意外的发现。拓扑绝缘体是一种表面导电但内部绝缘的材料。目前,物理学家提出了许多与凝聚态物质系统中的其他拓扑非平凡相和物体有关的理论提议。


18. 在高度关联的电子材料中,还有哪些性质等待被发现?


对于许多凝聚态物质系统来说,单电子(或准粒子)的图景运作的如此之好是一件相当奇妙的事。但是电子相关效应可能会导致一些新的现象,而上面提到的那些现象肯定不会就是所有可能性的全部。


19. 物质还有哪些新的相和形式等待被发现?


普通物质的涌现性质已经显示出惊人的丰富性。在20世纪和21世纪初,许多奇特的相被发现:如不同形式的磁性、空间结构(如晶体和准晶、电荷密度波、自旋密度波等)、1维和2维材料、纳米结构、软物质(如液晶和聚合物)、以及颗粒体系。


现在,量子相变是一个热门的探索领域。包括普通材料中的电子液体在内的量子液体还没有被很好地理解,而任何液相的存在,都是物质的重大的涌现性质。


流体中的湍流仍是一个未解决的重大问题。更一般的非线性系统也可能潜藏着更多的惊喜,例如混沌和非平衡相变。


等离子体被描述为物质的第四种状态,在天体物理学和地球应用的许多领域中都极为重要。一个尚未实现的旧梦想是,如果在磁约束或惯性约束上有所突破,都将使受控聚变合成为无穷无尽的可用能量来源。


20. 量子计算机、量子信息和其它基于量子纠缠的应用的未来是什么?


量子纠缠是指两个粒子之间可以保持一种特殊的连接,如果你测量了其中一个粒子的状态,你就粒子知道另一个粒子的状态,无论距离多远,爱因斯坦把这种可以超光速的作用称为“鬼魅般的超距作用”。量子纠缠是发展量子计算和量子信息的关键。举个例子,当有多个量子比特被纠缠的时候,对其中的一个量子比特的操作就会瞬时影响所有其它的量子比特,也就意味着着空前的并行运算能量。但是,由于纠缠态在真实环境中是十分脆弱的,所以目前最大的问题是这些领域的重要性是否能在现实环境中实现。纠缠在量子计算机的物理实现和黑洞信息悖论的解决等问题上越来越受到关注。



21. 量子光学和光子学的未来是什么?


光子、电子在基于光子学的新技术(包括光电子学)中起着重要的作用。该领域的前沿研究涉及到更短的激光脉宽、更高的强度、先前无法企及的波长辐射、量子现象的控制以及更多新兴思想的涌现。什么样的新现象会伴随光子、或光子与电子以及其他粒子一起被发现呢?


未完待续

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