七大研究困惑科學家:從宇宙常數到神秘粒子(圖)

據美國《探索》雜誌報導,科學研究看上去就像一段不停前進的旅程:每一次發現都有助於建立對事物的瞭解,每一次實驗都讓我們對大自然的基本法則有更深入的認識。以下是七個令科學家更加困惑的研究發現,它們非但沒有揭露事件的本質,反而增添了更多的謎團,使研究人員開始懷疑他們最基本的臆斷。這一名單無疑難稱完整,只是希望引起大家廣泛的好奇心,跟隨科學家一起去探究真相。

1.宇宙常數

20世紀20年代,天文學家認為宇宙的大小是固定的。即便廣義相對論預示事實並非如此的時候,愛因斯坦也沒有轉變思路,找出正確答案。相反,他在自己的理論中發明瞭一個術語去抵消幾乎無處不在的引力,用以保持宇宙的恆定不變。愛因斯坦後來將這一術語(宇宙常數)稱為他一生中「最大的錯誤」。

美國科學家埃德溫-哈勃的研究揭示了愛因斯坦的錯誤,讓天文學家放棄對靜態、穩定宇宙的原有認識,重新開始揭示一個奇異而令人困惑的宇宙。哈勃在自己的研究發現中採用了當時新發現的「宇宙捲尺」——稱為「造父變星」(Cepheid variable)的一類特殊恆星。通過在威爾遜山天文臺掃瞄天空,哈勃確定了天體——模糊星雲(被認為是銀河系中的氣態雲)的距離。

在前人的基礎上,哈勃的研究不僅表明,這些星雲是它們自己的星系,而且還通過測量它們隨時間而變化的速度,證實它們快速遠離地球。哈勃的研究還表明,距離銀河系越遠,這些星雲的速度越快。這種解釋聽上去很有道理,但其他星系為何加速離開地球的原因尚不得而知。今天,大多數物理學家認為是暗能量在作祟,但他們尚不能準確確定這一原因。

2.愛滋病疫苗

當研究人員開始從事「STEP研究」——3000人參與的雄心勃勃的愛滋病病毒疫苗試驗,他們認為這種疫苗會是阻止愛滋病病毒擴散的最佳方法。但是 2007年,國際製藥巨頭默克公司的研究人員突然中止了這項研究。原來,愛滋病病毒疫苗非但不能保護參與者,反而令他們更有可能被這種病毒感染。這項研究利用功能受到削弱的感冒病毒(腺病毒5)去傳遞在實驗室製造的愛滋病病毒片段。研究人員希望,人體免疫系統可以攻擊這些愛滋病病毒片段,接著識別並消滅真正的病毒。

雖然參與者就如何避免被愛滋病病毒感染接受了專門培訓,但最後仍有一些人被感染。僅僅這一點就意味著,愛滋病病毒疫苗對這些參與者不靈驗。令研究人警察覺的一件事是,那些以前曾暴露於感冒病毒的人,在接種過愛滋病病毒疫苗以後,似乎更有可能被愛滋病病毒感染。

研究人員立即停止了利用感冒病毒進行的同類研究。研究人員至今未找到疫苗令有些人更易感染愛滋病病毒的原因,這次引人注目的研究失敗被廣泛視為疫苗研究領域的一次重大挫折。有些科學家提出放棄臨床試驗,重新回到基礎研究。美國愛滋病疫苗倡導聯盟則表示,在愛滋病疫苗研究領域,「STEP研究提出的問題多過解答的問題。」

3.量子糾纏

聽一聽愛因斯坦是怎麼說的吧:任何事物的移動速度都沒有光速快。狹義相對論宣稱,如果可以,那麼就能改變因果關係:例如,你可以在第一球投出以前,給朋友打電話,告訴他棒球比賽的勝負結果。1935年,愛因斯坦和另外兩位物理學家鮑里斯-波多爾斯基和納森-羅森利用這一事實說明,量子力學是不完整的理論。

他們設計了一個實驗,尋求兩個粒子之間奇異的量子聯繫。量子糾纏則宣稱,兩個粒子,無論分離多遠,它們之間都存在一種神秘的關聯,相互影響。三位物理學家設計的實驗假設使兩個處於量子糾纏的粒子遠離彼此。如果測量一個粒子會影響另一個粒子同時做出改變,那麼兩個粒子互動的速度應該超過光速。這顯然是不可能的。

20世紀80年代,研究人員實施了這個看似不可能的實驗,而且成功了。想像一下,粒子穿過兩個粒子間的物體或一個滿載信息的粒子。在2008年的量子糾纏實驗中,日內瓦城的研究人員發現,在他們的裝置中,那個物體可能以至少一萬倍於光速的速度運行。這似乎表明,兩個粒子並沒有相互之間傳遞任何真實的信息,相反,測量其中一個會立即影響另一個。不幸的是,這種解讀讓我們回想起愛因斯坦最早對量子糾纏的苦惱——這位偉大的物理學家稱那是一種「鬼魅似的遠距作用」。

4.人類基因組

1909年,丹麥植物學家威廉-約翰森(Wilhelm Johanssen)造出了「基因」一詞,將其描繪成一種可令子女遺傳父母特質的機制。到20世紀60年代,這一定義因特定原因而發生變化:基因是用以製造蛋白的DNA編碼。10年前,人類基因組計畫成功繪製出第一個人類基因組序列圖。但是,科學家卻無法對完全揭開人類基因組之謎感到高興,因為整個故事還有許多疑問。

20世紀80年代和90年代,研究人員發現只有1.2%左右的人類DNA代碼用於蛋白製造:有些人稱這些代碼為「垃圾」。萊斯利-奧格爾和弗朗西斯-克里克在1980年發表的論文將這種DNA稱為「終極寄生蟲」。然而,即便是在這個看似無用的DNA「垃圾堆」,研究人員仍在尋找有功能的片段。

似乎,就在我們對人類基因組展開深入探究時,我們才意識到對它們的瞭解遠遠不夠。例如,研究人員發現,部分人類DNA片段就好比基因「電話總機」。依附於這些片段的分子可以打開或關閉生成蛋白的基因,一旦出現故障,可能會誘發從抑鬱到肥胖等眾多疾病。

此外,這些「開關」在誕生以後可以調換,依附於DNA片段的分子可以被環境因素添加或刪減。例如,麥吉爾大學研究人員邁克爾-米尼最近發現,小老鼠母親舔舐它們的頻率改變了依附於小老鼠DNA上的分子,從而可能改變了它們的壓力水平。正在實施的人類表觀基因組計畫希望對這些DNA片段及其影響進行研究。

5.西伯利亞指骨

這一切都始於在西伯利亞山洞發現的一塊擁有4萬年歷史的指骨。雖然一根手指似乎並不能令研究繼續下去,但研究人員從手指中提取了DNA,用以搞清楚手指的主人。他們原本以為手指可能來自尼安德特人,或早期人類的親屬,但分析結果卻發現指骨屬於一個非常特別的女士——研究人員稱之為「X女士」。

研究人員特別對提取自指骨的線粒體DNA做了細緻研究。線粒體DNA一般只通過母系遺傳,是探索人類進化的絕佳工具。兩個現代人的線粒體DNA 可能只有數十處不同之處,但他們與尼安德特人的差異卻有近200處。當研究人員將「X女士」的線粒體DNA與現代人做了比較後,竟然發現了大約400處不同。

這一發現又給人類進化過程增添了新的疑團。如果「X女士」代表一個新人種(這個疑問至今仍在討論之中),那表明一個我們一無所知的原始人種從非洲遷出,與尼安德特人及歐洲和亞洲的早期現代人生活在同一個地方。有關潛在新人種(如發現於印度尼西亞的「矮人族」弗洛勒斯人)的爭議進一步證明了一個概念,即人類進化樹有許多分支。由於智人是唯一生存至今的人種,所以,我們可能認為人類進化樹是筆直的,呈流線型。

6.信息素

談到愛情,人們往往會說一切取決於是否發生化學反應。但是,人的吸引力確實與信息素有關聯嗎?51年前,彼得-卡爾森和馬丁-盧徹 (Martin Luscher)發明瞭「信息素」一詞,用於描述在同一個物種成員之間傳遞的化學信號。從此以後,研究人員發現了各種各樣的生物利用化學物傳遞重要話題的信息,如食物、交配和危險等,其中就包括許多昆蟲以及從老鼠到吸血鬼魚等物種。

所有這一切似乎表明,人類也可以利用化學信號交流,科學家實施了大量有關汗液氣味的研究,試圖證明人類信息素可以傳遞各種信息,例如,害怕什麼東西,女人何時來例假。然而,令香水製造商沮喪的是,看上去沒人能夠找到相關化學物或受體。即便是那些堅決支持人類信息素存在的研究人員,也被迫承認「沒有任何以生物測定為導向的研究導致真正人類信息素的隔離」。

7.神秘粒子

20世紀30年代,物理學家看上去在識別由原子決定的一切事物的道路上暢通無阻。例如,他們知道原子核是由質子和中子構成的,他們懷疑世上一定存在某種力量,使得這些相互間強烈排斥的質子可以在原子核中緊密相連。這一猜測令他們相信,這種具有神奇力量的粒子可能是一種中間粒子——「介子」:比電子稍大,比質子稍小。

但是,研究人員在1936年掃瞄宇宙射線時,並沒有去尋找介子。他們發現的未知粒子最終使得美國物理學家、諾貝爾獎得主伊西多-艾薩克-拉比發出這樣的疑問,「這是誰定的?」宇宙射線包括大小相當於假設介子的粒子,研究人員由此認為他們發現了這種神秘粒子。

然而,就在物理學家繼續研究這種粒子(後被命名為「μ介子」)時,他們發現它只是在大小方面「達標」。μ介子是一種相當好用的「膠水」,因為它們與原子核幾乎不發生任何作用。數十年來,這一疑問始終縈繞在科學家心頭,直至1979年物理學家發現了「膠子」,這是一種攜帶較強核力的粒子,能使原子核結合在一起。

雖然已經有一個問題得到解答,但仍有更多的疑問至今沒有答案。歐洲核子研究組織(CERN)大型強子對撞機項目物理學家仍在尋找新粒子以完成標準模型。他們尤其在尋找被稱為「上帝粒子」的希格斯玻色子,其他所有粒子的質量都源於希格斯玻色子。物理學家能否找到這種粒子?或者,研究結果是否與他們預想的有出入呢?

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