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simon81620 2011-1-3 09:45

科學界的八個難題

難倒科學界的八個難題 
 
1、流感的季節性 
 
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在溫帶，流感和寒冷天氣總是如影相隨：在北半球，流感高發期是在11月份至次年的4月。但流感病毒自身的活動卻沒有“週期性”，它們在一年中任何時候都可以在人群間傳播。在熱帶，流感病毒的傳播幾乎沒有季節性，而且在溫度較高的月份，還可能產生新的流感病毒，比如今年出現的HINI。 
 
目前，科學家已提出很多種可能原因，來解釋為什麼一年中，流感病毒在某些月份更易在人群間傳播。寒冷、乾燥的空氣有助於流感病毒在地表生存，而缺乏維生素D（人體內維生素D的含量與陽光照射量有關，在冬天，陽光照射量偏少），人們的免疫能力就會有所下降，給流感病毒有機可乘。另外，如果天氣過於寒冷，人們喜歡聚集在屋裡、學校或辦公室，更有助於流感病毒的人際傳播。房間內的加熱系統（如中央空調）也與流感傳播有關：一旦有病人咳嗽，他咳出的帶有病毒的氣溶膠能很快傳播到其他房間。 
 
上述原因聽起來都很合理，但實際上，幾乎沒有相關研究來支持甚至反對這些“假說”。在2007年的“流感季”，美國塔夫斯大學的埃里克勞夫格倫發表一篇綜述，他們認為，流感病毒呈季節性傳播的原因很可能是多種因素共同作用的結果。 
 
2、高溫超導的起源 
 
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上世紀80年代中後期，物理學家在對銅氧化物研究時發現了一個令人嘆為觀止的電學特性。該材料在液氮溫度（77K，-196℃）下出現了超導現象。而在此之前，其他超導材料的工作溫度都在絕對零度（0K，-273℃）附近。圖中所示為一塊磁體漂浮在與它極性相反的強磁場中，而這個磁場是由液氮降溫的銅氧化物超導體產生的。 
 
由於銅氧化物超導轉變溫度（transition temperature）相對較高，它也因此掀起了超導領域的一場革命，促使物理學家重新審視已經被接受的超導理論——BCS理論。 BCS理論指出，當電子對形成的時候，就會有超導電流產生。一個電子從物質中間穿過的時候，就會輕微地拉動該物質帶正電荷的晶格，它後方的正電荷密度就輕微提高了，這個正電荷密度增大的區域就可以吸引另一個電子的到來。這樣一來，這種所謂的“庫珀電子對”的聯繫就變得較弱，不計其數的庫珀對就可以沒有能量損失地流過晶格。不過，BCS理論還預測，一旦溫度超過39K，周圍的熱量就會導致晶格振動過於劇烈，破壞庫珀對的穩定性。 
 
在高壓環境中，銅氧化物甚至可以在164K的溫度下進行超導，遠遠超過了BCS理論39K的極限，因此超導必須一個新的理論來支撐。而鐵基超導材料（超導轉變溫度也遠高於絕對零度，但低於銅氧化物）的發現，或許能為破解高溫超導之謎帶來新的希望。 
 
3、語言 
 
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當600萬年前人類和黑猩猩從同一祖先沿不同分支向前發展時，我們人類就開始發展出說話的能力——傳播八卦、爭吵、抱怨以及裝腔作勢。然而由於諸如聲帶、喉、舌頭、小舌以及大腦這樣的軟組織並沒能保留在化石當中，所以我們的祖先究竟是在什麼時候進化出說話的能力，以及經過多長時間這種能力才最終被人類掌握，我們不得而知。 
 
其他動物也會交流——土撥鼠警覺的叫聲是在警告其他夥伴周圍有捕食者；飢餓的貓喵喵地叫是告訴它的主人趕緊把食物放下來給牠吃。然而這些動物的“語言”都沒有語法，也缺少複雜性。嬰兒是如何掌握語言能力的？這一爭論從未停歇，然而至今也沒有明確答案。或許正如諾姆·喬姆斯基所說，人類天生就具有“萬能語法”，抑或語言是我們大腦處理信息的一部分。 
 
在喬姆斯基的著作《第一個詞語：追尋語言的起源》中，她問幾個主要研究人員一個問題：如果將嬰兒放在一個孤單上生長，它們還能否發展出語言能力？幾乎所有人都認為，嬰兒會發展出一些交流形式，但是不會形成一套完整“正常的”語言體系。 
 
4、物質戰勝反物質 
 
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我們在對稱中發現美，但如果不是一個關鍵的不對稱，我們都不可能有機會來欣賞這些美好事物。在粒子碰撞和量子過程中，反物質和普通物質一樣，經常被產生出來。事實上，大爆炸產生的物質和反物質數量應該相等——這可不是一件好事，因為每一塊反物質都會毀滅等量的物質。因此，大爆炸應該產生一個只有光和能量的宇宙，不存在任何固體、液體和氣體。 
 
有可能大爆炸確實創造了足夠多的反物質，它們形成了反恆星、反行星、反星係等等，只不過它們存在於宇宙中與我們隔離的另外一塊區域。不過幾十年來的深空觀測表明，這樣的可能性極小。 
 
因此，一定發生了某種不對稱，讓宇宙的演化朝著物質一方傾斜。這種傾斜並不過分——每出現10億個粒子－反粒子對才會多出一個物質粒子。研究人員已經在物質和反物質的性質之間發現了一種不對稱，稱之為電荷宇稱不守恆，可能已經讓事物的演化偏向了我們的物質世界這一邊。不過，要把這種微小的偏差轉化為過剩的物質，原始宇宙必須經歷一段環境極不平衡的錯亂時期，現在還沒人知道這一過程是如何發生的。 
 
5、超高能宇宙線 
 
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通常我們認為，亞原子粒子是微小而無害的。但在1991年10月15日，天文學家發現，一顆擊中地球大氣層的粒子攜帶的能量，竟然跟砸到你腳麵上的保齡球不相上下。從那時起到現在，一共有好幾十顆如此“強悍”的粒子擊中地球。不管是什麼東西發射了這些粒子，與它們相比，世界上最強大的粒子加速器——大型強子對撞機與它們相比，簡直就像是孩子手裡的玩具槍。甚至連一顆超新星爆炸都無法完成這樣的粒子加速任務，無論如何，如此高能的粒子應該會在傳播過程中損失能量。 
 
因此，已經有物理學家推測，它們可能涉及到物質的奇異形態及已知物理規律的失效。不過2年前，阿根廷西部的Pierre Auger宇宙線觀測站發現，這些粒子似乎來源於鄰近星系。那些星系中的超大黑洞或超級超新星能夠產生激波，給這些粒子狠狠“踢上一腳”，而且它們距離我們足夠近，粒子還不至於損失太多能量。不過，具體細節仍然不明。 
 
6、左右手使用習慣 
 
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通常有機分子的中心是一個碳原子，這個碳原子與其他4個原子或者原子團相連。如果至少有兩個這樣的原子（或者原子團）是一樣的，那麼這一結構就是鏡像對稱，它的鏡像就是它自己。如果這4個原子各不相同，這一分子就不對稱，它就會形成截然不同的兩個形態，就像我們的左右手。通常來講，這些不同的形態具有相同的化學機制，然而地球上的生命都只使用其中一個。這並不難理解：形態對於生化反應來說至關重要，不同形態的個體要提供兩種截然不同的鏡像，這對於大腦來說太複雜了。 
 
那麼為什麼地球上的生命會選擇其中之一呢？有些人認為這只是機率問題，但也有人認為，這種選擇是我們追尋生命起源的一個線索。水晶能夠將這兩種形態分開，那麼或許水晶可以為我們研究原始生命提供一個支架。抑或生命的架構來自於外星世界，不同形態是由偏振光篩選出來的。 
 
7、性別的起源 
 
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性別為什麼會存在？換句話說，男性為什麼會存在？若不是Y染色體（Y染色體只包含數十個基因，而X染色體則包含2,000到3,000個基因）引起了男性特徵，所有的人類胚胎都將成為按一個固定默認的發展，最後都變成女性。 
 
最早的生命都是無性繁殖的，但是，至少在10億年前，性別就出現了。今天，我們很難找到一種多細胞機體不是有性繁殖的。當然，有些生物同時具備兩種生殖方式，比如生長在印度尼西亞科莫多島巨蜥（Komodo dragon）就具備單性生殖能力。但是，性別是如何產生、進化並一直延續下來，其中的原理還沒有完全破譯。如果所有生命都是平等的，那麼無性生殖的生物的發展肯定要快過與其競爭的有性生殖的生命，直至這些有性生殖生命滅絕。因為，無性生殖的生命不需要花費時間來和能量來尋找伴侶，並設計出更好的方法來吸引異性。 
 
幸虧所有生物並非完全平等，有性生殖的生物要在生存競爭中活下來，就必須具備更高的適應性。毫無疑問，有性生殖可以更好地混合基因庫，但是目前科學家還不清楚這些混合是如何進化出適應性的。也許這種混合在清除或者屏蔽基因突變方面比無性生殖的生物更強，而這些被屏蔽的突變中的絕大部分都是有害的。或者，性別使機體具備具備防禦基因，因此可以更好的避免寄生蟲以及它們帶來的疾病。 
 
8、質子自轉 
 
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質子有一個屬性叫做自旋，這一量子物理量對應到我們日常生活中，就是人們更為熟悉的旋轉。不過，質子自旋不同於陀螺自轉，它決定著質子和其他粒子之間的磁相互作用，正是這一性質讓磁共振成像技術（MRI）得以實現。 
 
質子自旋的大小總是相同的，按歸慣例被設定為1/2。為了理解這一點，你可以認為質子的自旋直接來源於構成質子的三個夸克：兩個上夸克（每個自旋為1/2）和一個下夸克（自旋–1/2，因為它的自旋指向相反方向）。把這些夸克的自旋加在一起，就得到了質子自旋1/2。與此類似，中子自旋也可以通過類似方式相加得到（中子由一個上夸克和兩個下夸克構成）。 
 
不過，粒子加速器實驗證明，上面這種簡單的說法是錯誤的。 20世紀80年代，物理學家用高能電子和其他粒子來撞擊質子並反彈回來；這些粒子的偏轉角指明了每個質子內部的自旋。這些實驗證明，夸克自旋最多只佔質子自旋的30%。為了解決這一“自旋危機”，物理學家開始檢驗其他可以產生自旋的因素，比如將壓克粘在一起的膠子、夸克在質子內部的軌道運動，以及瞬間出現的虛夸克等。多虧了幾年來的實驗和計算，許多線索正變得越來越清晰，但物理學家仍然無法完全解釋質子自旋從何而來。

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