6个人类尚未解答的重大的科学问题，全程烧脑，你能看懂吗？

在过去的两个世纪中，科学已经取得了极大的进步。我们已经能够研究星系和粒子世界、我们制造的计算机可以在最复杂的游戏中战胜人类。但是，这个世界仍旧充满另外我们无法回答的问题。

本文挑选了6个尚未解决的重大科学问题，希望能够为你平凡的日常生活打开一扇窗户，嗅一嗅科学前沿的新鲜空气。

生命的起源

我们一直痴迷于研究其它星球上生命的可能性，但是我们对地球上的生命起源依然感到困惑。尽管回答这个问题似乎没有什么实际用处，但它有助于推动微生物学和天体物理学的发展。

科学家认为，了解生命起源的关键可能在于找出生命的两个特征——繁殖和遗传转移——是如何开始的，因为这些过程涉及具有复制能力的分子。曾经一种流行的理论认为，在地球早期，太阳能和雷电激发产生了分子混合物，然后这些分子在很长一段时间内发生反应形成了构成生命的复杂有机结构。这一理论受到著名的米勒-尤里（Miller-Urey）实验的支持，二人通过让电流通过甲烷、氨气、水和氢等简单元素的混合物成功地产生了氨基酸。但是后来DNA的发现给这种理论泼了一瓢冷水，因为DNA复杂而优雅的结构似乎不可能从这种原始的分子混合物中产生。于是一种新的理论认为早期世界是RNA（核糖核酸）而不是DNA，因为RNA具有加速反应、复制和存储遗传物质的能力。但是这个理论同样有硬伤，就是RNA的重要构成部分核苷酸极难产生，即使是在实验室环境下。这个难题导致了另一种流派，认为原始生命中存在所必需的有机分子是源自地球之外，通过流星来到地球，这导致了“泛种论”的发展。还有一种理论认为地球上的生命起源于深海，是由在海底火山喷口附近的高压热水中发生的化学反应产生的。

总之，到目前为止，仍然没有一种理论被完全证明和普遍接受，我们仍然无法准确地知道地球是如何产生生命的。但是一些跨学科的科学研究小组对这个问题产生了极大的兴趣，并提出了定向研究的举措。

量子引力论

我们都知道一个苹果砸到牛顿的头导致了引力的发现。但现在，世界已经不一样了。爱因斯坦的广义相对论将引力重新想象成时空的扭曲。想象一下，在席梦思上有一个很沉的大球，而它旁边有个小球。大球是床垫凹陷，从而使小球向大球滑动。爱因斯坦的引力理论创造了奇迹，甚至解释了光的弯曲。但是，广义相对论却与量子力学有着难以解决的矛盾，因为广义相对论的引力方无法解释为什么电子没有固定的轨道而是随机出现在原子核外的某一空间点上。因此，需要一种新的理论来统一量子力学和广义相对论。

这个问题在物理和数学领域催生了一些新的令人兴奋的新理论。最受关注的是“弦理论”。弦理论用微小的振动弦代替了粒子的概念，这些振动弦可以呈现各种形状，每根弦可以以特定的模式振动，从而使其具有特定的质量并旋转。弦理论已成功地解释了引力与量子力学之间的许多奇异之处，被誉为“万有理论”的顶级竞争者之一。

表示量子引力的另一种理论是“圈量子引力”（Loop quantum gravity），它认为空间并不是无限可分的，它是离散的，有最小的组成体积，这个最小的组成体积是一个普朗克单位，它等于10∧-99立方厘米。也就是说，在1立方厘米的空间中，含有10∧99个普朗克单位，要知道，整个宇宙的体积也不过是1立方厘米的10∧85倍。在圈量子引力理论中，时间同样不是一条连续流淌的长河，而是如时钟的滴答声一般，每“滴答”一次，就大约是一个普朗克时间：10∧-43秒。时间滴答滴答地跳过10∧43个普朗克时间，我们的手表指针刚好走过1秒。圈量子引力理论的野心相对较小，它的主要目的只是向成为一个一致的引力理论，而不试图实现任何形式的大统一。

两种理论都有其自身的优势和缺陷，而且都没有经过实验证明。验证上述任何理论都是物理学中的主要挑战。量子引力理论可能不会对我们的日常生活产生明显的影响，但可以使我们在黑洞、时空旅行和虫洞等领域取得飞跃。

缓步动物的生存机制

缓步动物是一种在自然界中广泛存在的微生物，它们能够在极端环境下的生存，生存技能直接甩人类的荒野求生专家十万八千里。

让我们从一个有趣的事实开始——缓步动物是最早发现可以在真空环境中生存的生物。有一些缓步动物搭载在火箭的外表环游太空，经受了各种宇宙射线的轰炸，最后活着回到地球。不仅能够在太空中生存，缓步动物还可以承受马里亚纳海沟（深11公里）的水压，也可以在低至绝对零度、高至150度的温度范围内生存。研究认为，这种惊人的生存能力归功于缓步动物能够实行隐性生物形式。在这种状态下，缓足动物失去水分，新陈代谢活动严重减慢甚至停止。但是当重新获得水时，缓步动物又可以恢复活动，仿佛什么也没发生。在脱水状态下，缓步动物的体内还可以产生抗氧化剂来对抗太空辐射导致的氧化反应和帮助修复受损的DNA。

尽管知道这些，但我们仍然无法从分子层面解释缓步动物为什么会这样，也很少有证据表明它的进化历史。对缓步动物的研究可能会产生令人兴奋的启示，例如未来我们或许可以设计出一种用于极端环境下探索的保护服，可以参考缓步动物的生存机制来寻找球外生命。如果地球上的一种微生物能够在某种程度上检验自然界的极限，那么在其它行星上可能也存在类似的生物，正等着人类去发现和激活。

暗能量和暗物质

很遗憾，我们所知的所有事物仅占已知宇宙的5％！宇宙的其余部分为“暗物质”（约27％）和“暗能量”（约68％），但人类对它们的了解少的可怜。

暗物质的组成是当今粒子物理学和宇宙学中最大的问题之一。它很奇怪，几乎不与任何物体相互作用，甚至不与光线相互作用，那它是怎么被发现的呢？最初研究人员发现某些星系的运动存在怪异，星系的已知质量无法解释这些偏差，因此他们推论，整个宇宙内存在某种形式的、具有引力但又不可见物质。科学家从来没有直接检测到暗物质，但是科学家可以从引力的角度能够观察到暗物质的影响。

暗能量则是是宇宙加速膨胀的原因。1998年，两个不同的研究小组确认宇宙膨胀正在加速，而此前人们普遍认为引力导致宇宙膨胀正在减速。理论家对此感到头疼，现在仍然头痛不已。一种理论大胆地将宇宙加速膨胀的原因归咎于暗能量。这种理论认为，暗能量可能是空间的一种特性，它能够制造空间，或者填补宇宙膨胀过程中新产生的空间从而加速宇宙膨胀。

虽然暗物质和暗能量这两种理论都源于我们观测到的一些无法解释的宇宙特征。暗能量排斥，暗物质吸引，这两种力量的谁来主导地位将决定宇宙会永远扩展或还是未来逐渐收缩。但就目前而言，我们对这两种理论都还都几乎一无所知。

湍流

这可不是一个新词，即使是普通人也可能非常熟悉，因为在飞行中遇到了颠簸时就说遇到了湍流。湍流，是由于两个以不同速度运动的流体相遇而引起的，这种现象自然界中湍流比比皆是，它的特征是速度和压力等变量的随机波动。

尽管有许多关于湍流的实验和经验数据，但我们还远没有令人信服的理论，即究竟是什么触发了流体中的湍流，以及如何控制湍流。科学家们借助高性能计算技术以及实验和理论简化来研究这种现象，但是仍然缺乏完整的湍流理论，这使流体湍流成为当今物理学中最重要的未解决问题之一。诺贝尔奖获得者理查德·费曼（Richard Feynman）宣称这是“古典物理学中最重要的未解决问题”。量子物理学家维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）被问到如果有机会他会问上帝什么，他说：“我会问他两个问题。一个问题是相对论是怎么回事？第二个问题是湍流是怎么回事？我相信他会选择回答第一个问题。”

蛋白质折叠

我们打多数人都知道到蛋白质是生命的组成部分。蛋白质由氨基酸序列组成，这些氨基酸序列影响蛋白质的结构，进而决定蛋白质的功能。蛋白质如何折叠并呈现特定的功能形状是科学界一个长期存在的问题。科学杂志甚至宣称它是科学界最大的未解决问题之一。问题本质上包括三个部分：1、一种蛋白质如何精确地进化成最终的天然结构？2、我们能否提出一种算法来预测给定氨基酸序列的蛋白质的结构？3、由于存在许多潜在的构造形状，蛋白质是如何迅速地进行折叠？在过去的几十年中，这三个方面都取得了重大进展，但是，科学家们让然无法完全解读控制蛋白质折叠的驱动机制和基本原理。

在蛋白质折叠过程中，大量的作用力和相互作用在发挥作用，驱使蛋白质达到可能的最低自由能状态，从而增强了蛋白质的稳定性。由于结构的复杂性和涉及大量力场，除小蛋白外，很难理解折叠过程的精确物理原理。可以想象一下，你正处于十字路口，前面有1000条不同的道路通向相同的目的地，而你最终选择的路径花费的时间最少。

蛋白质折叠问题可以说是当今生化和生物物理学研究中最热门的话题。为蛋白质折叠而开发的物理和计算算法导致了新的人造高分子材料的开发。除了促进科学计算的发展外，该问题还使人们对那些伴随着蛋白质错误折叠的疾病，如II型糖尿病、阿尔茨海默氏病、帕金森氏病和亨廷顿氏等有了更多的了解-。对蛋白质折叠的理解不仅可以导致材料和生物科学方突破，而且可以彻底改变医学。

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