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  科学研究不仅扭转了我们对宇宙及我们在宇宙中所处地位的认识,还帮助我们理解并处理一些超出我们控制的变化。相对论、自然选择、微生物理论、日心说(heliocentrism)以及对自然现象的其他解释,已经重塑了人类的智力与文化;互联网、形式逻辑(formal logic)、农业以及车轮等多种多样的发明,也会起到同样的效果。

  对人类而言,未来有哪些令人瞩目的事件将会发生呢?我们挑选出12个可能发生的重大事件,并评估了它们在2050年前发生的可能性。其中一些无疑会让我们恐慌,比如导致物种大灭绝的小行星撞击、发动战争的智能机器,还有弗兰肯斯坦的科学怪人(Frankenstein’s monster)。然而经验表明,许多事件的发展往往和人们事先的设想不同。实际上,对同一件事,一些人可能会觉得平淡或失望,而另一些人则可能觉得新鲜或振奋。不过有一点是肯定的:它们都具备足够的“杀伤”力,可以永久改变我们对于自身的认识,并颠覆我们的生活方式。

  1.克隆人

  有可能

克隆人

  克隆人的过程困难重重,但它的诞生似乎已是必然。

  从1996年多利羊诞生之日起,克隆人的诞生似乎就已经不可避免了。但迄今为止,除了信奉UFO的邪教组织支持的一家公司曾号称实现了克隆人,还没有社会认可的人类克隆记录——当然,自然诞生的同卵双胞胎除外。尽管其他哺乳动物的克隆研究已经捷报频传,但事实证明,克隆技术应用于人类时,要困难得多。

  科学家用体细胞的细胞核取代卵子中的细胞核,就能克隆出一个细胞。目前

  他们已经能够克隆出人类胚胎,但这些胚胎最多只能顺利发育成所谓的“桑椹胚”(morulas),也就是一个由细胞组成的实心球。还没有克隆人类胚胎能够活过这一早期阶段——这是因为转移细胞核的行为可能会破坏细胞分裂时染色体正确排列的能力。美国马萨诸塞州伍斯特市先进细胞科技公司(Advanced Cell Technology)的罗伯特·兰扎(Robert Lanza)说:“无论什么时候,想克隆一个新物种,总要经历一个学习过程。对克隆人类而言,得到足够多的高质量卵子用于试验是一个大难题。”兰扎曾在 2001年首次成功克隆人类胚胎,因此大出风头。克隆的某些步骤格外棘手,需要反复尝试才能掌握——包括确定能让细胞恰当重编程的最佳时机及化学品混合配方。

  就算有了实践经验,克隆出的动物中仍有大约 25%存在明显生理缺陷。兰扎指出,重编程、细胞培养及胚胎处理过程中的“差之毫厘”,都会导致发育结果“谬以千里”。他认为,克隆人类的尝试风险极高,这就“如同让婴儿乘坐有一半爆炸几率的火箭发射升空”。

  即便技术上能够做到万无一失,伦理问题也依旧无法回避:在某人不知情或违背他意志的情况下,能否对他进行克隆?而在另一方面,克隆体的人生可能会更加完美,因为他可以“吸取”母体的经验教训,美国哈佛医学院的分子技术专家乔治·M·丘奇(George M. Church)说:“如果我到 25岁才发觉自己有一双音乐家的耳朵,却没有接受过任何音乐训练,我就可以告诉自己的克隆体,5岁时就开始学习音乐。”

  有可能被克隆的人类或许也并不仅限于智人(Homo sapiens)。科学家可能很快就会完成尼安德特人基因组全部序列的测序工作。丘奇表示,尽管在化石形成过程中 DNA会受损,但一块完好的化石仍能提供足够多的分子,用以获取一个可克隆的基因组。考虑到子宫环境与妊娠期等因素可能不匹配,与常规克隆相比,让已灭绝物种的克隆体在现代物种体内孕育是更大的挑战。迄今为止,仅有的一次尝试是克隆一种西班牙野山羊(bucardo,于2000年灭绝),但克隆体在出生后不久就因肺部缺陷死亡了。

  在美国,并非所有的州都禁止人类的生殖性克隆。联合国对此颁布了一项无约束性禁令。兰扎推测,如果克隆人真的诞生了,它也将“出现在世界上管制措施比较薄弱的地区——很可能是由某个富有且古怪的人完成的”。一旦克隆人成为现实,我们是在恐惧中畏首畏尾,还是像对待体外受精(in vitro fertilization)那样逐渐接受呢?可以肯定的是,对创造生命新方式的开发将促使我们思考,掌握了威力如此巨大的科学力量后,随之而来的责任是什么。

  2.隐藏的维度

  50%的实现可能

隐藏的维度

  世界上最大的粒子对撞机或能揭示更多的空间维度。

  想不想把手伸进第四维空间?在那里你能挣脱三维几何的枷锁。乱如麻的各种线缆从此不再让你绝望;宠物狗咬坏了你的右手手套,你可以把左手的翻过来给右手戴;牙医不需要在牙上钻孔,甚至不需要你张嘴,就可以完成根管治疗。

  额外的维度看起来确实神奇,而且它们可能真的存在。从相对较弱的引力(引力是 4种基本相互作用力中最弱的一种),到看起来各不相同的粒子和作用力之间的深层联系,这个世界的众多谜团都让人觉得,我们所认识的宇宙只不过是一个更高维实在的投影。果真如此的话,瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)将粒子撞碎而释放出的能量,或许就足以使粒子脱离三维空间的束缚,让我们一窥神奇的高维世界。

  美国麻省理工学院的宇宙学家马克斯·泰格马克(Max Tegmark)说,若能证实额外维度的存在,“目前对‘实在’的所有认识将被颠覆”。他曾在 1990年编写过一个四维空间版的俄罗斯方块游戏,用来体验额外维度是个什么样子。(游戏中你要同时在四维空间的各个不同三维切片中控制下落的方块。)

  在现代物理学理论中,额外维度的主要理论基石是超对称(supersymmetry)概念,它试图将各种不同类型的粒子统一在一个大家庭里。要实现这种统一,超对称需要空间总共具有 10个维度。我们之所以觉察不到三维之外的其他维度,要么是因为这些维度非常细小,要么是因为我们本身被限制在一个三维的膜上,犹如趴在叶片上的一条毛虫,只能在叶片上爬来爬去。

  当然,不是所有的大统一候选理论(unified theory)都要求有额外维度。所以能否发现这些维度就将成为一个分水岭。“这能让我们集中在最有可能的理论上,”以研究三维膜理论而闻名的哈佛大学物理学家莉萨·兰多尔(Lisa Randall)说。增大粒子加速器的能量是接触这些额外维度的方法之一。按照量子力学定律,一个粒子能量越高,它的尺度就越小,1 TeV(1012电子伏特)对应的尺度大约是 10-19米,如果某个额外维度有这么大,这个粒子就会落入这个维度,并开始振荡。

  1998年,美国密歇根大学安阿伯分校的物理学家戈登·凯恩(Gordon Kane)猜想,两个质子在 LHC中对撞产生出电子和其他粒子,它们的能量既有可能是1TeV,也有可能是 1TeV的整数倍,例如 2TeV或 3TeV。如果观察到了这种能量倍增现象,这就说明撞击导致了粒子在额外维度中发生振荡。除此之外,不论是常规的粒子过程,还是暗物质粒子之类的奇异过程,都无法作出解释。

  额外维度还可能通过其他方式暴露踪迹。如果 LHC制造出了亚原子尺度的黑洞,就能直接证明额外维度存在,因为三维空间中的常规引力在如此之小的尺度上极度微弱,根本无法产生黑洞。由于几何上的原因,额外维度可能增强引力的作用,也有可能改变电磁力等其他基本力在小尺度范围内的作用方式。额外维度还决定了超对称性如何发挥作用,从而有可能在粒子的质量和其他性质中留下独特的印迹。除了LHC,测量引力强度、观测黑洞或爆炸恒星运行轨道等其他手段,或许也能帮助科学家找到额外维度的蛛丝马迹。

  一旦发现额外维度,面临变革的不仅有物理学,还有与之相关的所有法则。额外维度或许可以解释宇宙加速膨胀之类的一些谜题,甚至可能成为重新定义整个维度概念的序幕——因为它进一步强化了科学家日渐萌生的一个猜测:这个世界本质上既不存在空间也不存在时间,空间和时间都是从一些物理学原理中涌现而来的。

  “因此,尽管额外维度会是一个让人震惊的发现,”美国新泽西州普林斯顿高等研究院的物理学家尼马·阿尔坎尼-哈米德(Nima Arkani-Hamed)说,“但在更深的层次上,额外维度的概念并非特别基本。”

  虽然额外维度对物理学家来说魅力无限,作为普通人的我们却永远无法造访。如果构成我们身体的粒子可以随意造访这些维度,额外的运动自由度会使包括生命在内的复杂结构变得不再稳定。杯具啊,绞成一团的耳机线和疼痛难忍的牙钻孔,竟然是为了保证我们得以存在而必须付出的代价。

  3.人造生命

  极有可能

人造生命

  合成生物学(synthetic biology)能够改造有机体,但它能赋予无生命物质生命吗?

  一位科学家将少量无机化合物添加到冒着气泡的烧杯中,然后摇了一摇。瞧,微妙的反应发生了,新的生命形式自行组装而成,马上就能够繁殖生长。上述场景就是对合成生物学或实验室中创造生命的通俗想象。

  不过,该领域的研究者对给无生命物质赋予生命并无兴趣。事实上,无生命的化合物在没有指导的情况下如何自组装形成有生命且可自我复制的细胞,科学家对这些基本过程仍知之甚少。在 1952年著名的米勒-尤列(Miller-Urey)实验中,二人以原始大气为原料制备得到了氨基酸,但这一实验难以重复。

  如今的合成生物学,更侧重于修改现有的有机体。合成生物学可以被视作加强版的遗传工程:合成生物学家所做的,不仅仅是替换一个基因那么简单,而是修改一大段基因,甚至整个基因组。DNA的改变可以迫使生物体大量合成化学物质、燃料,乃至药物。“他们的工作就是从零开始构建出生命指令,并将这些指令加入到某些已经存活的生物体中,取代原有的指令, ”美国斯坦福大学的生物工程学家德鲁·恩迪(Drew Endy)解释说,“合成生物学为生命在世间的散播定义了又一条途径。从此,生命无须再直接从父母那里遗传了。”

  就这一点来说,一些科学家认为,用人造细胞去复制现有细胞是没有任何道理的。美国哈佛医学院的遗传学家及相关技术研发者乔治·M·丘奇(George M. Church)就主张:“与其造出一个与现有细胞非常相似的细胞,还不如直接利用现有细胞。”

  合成生物学实际上就是把大规模工程学引入生物学领域。设想这样一个世界:无需机械或人工的手段编织椅子的外形,经过编程的竹子就可以长出椅子来;自组装的太阳能面板(即经过改造的树叶)可为房屋供电;树木的根部可以分泌柴油燃料;经生物工程改造的生物系统在气候变化的条件下同样能茁壮成长,有些还能用于清除污染;重编程后的细菌甚至能够潜

  入人体内,在我们的机体内部汇集成一支治疗疾病的医生大军。

  丘奇主张:“总体说来,任何能制造出来的东西都可以用生物学的方法来生产。”合成生物学在小规模水平上已经付诸实用:从耐高温微生物体内提取的、常用作洗衣粉添加剂的酶,经过改造已经能够在冷水中发挥效用,因此可以节约能源。

  合成生物学“将彻底改变未来 100年内我们制造任何东西的方式”,美国华盛顿特区伍德罗·威尔逊国际研究中心(Woodrow Wilson International Center for Scholars)科学、技术与创新计划主管戴维·雷赫斯基(David Rejeski)预言:“我们能够在生物学相关尺度上设计物质,如此巨大的变革可以与 19世纪的工业革命相媲美。”

  宏伟的前景也会带来巨大的风险——实验室中经改造的有机体可能逃逸。目前绝大多数的人造有机体还比较脆弱,尚无法在野外环境中生存。针对未来更加成熟的人造有机体,合成生物学家期望能够制定出多种形式的安全保护措施,诸如严格监管、在新的遗传密码中嵌入某种自毁序列等。由于科学家能够在基因水平上完全重塑有机体,他们有办法让人造有机体与自然系统隔离开——恩迪说:“我们能让它们快速失去活性。”

  虽然如此,一些科学家仍在尝试真正的再造生命。美国 J·克雷格·文特尔研究所的卡罗尔·拉蒂格(Carole Lartigue)、汉密尔顿·史密斯(Hamilton Smith)与同事已经从零开始合成出了一个细菌的基因组,甚至将一种微生物转变成了另外一种(参加第 34页《“人造生命”背后》一文)。其他地方的科学家已经构建出了人造细胞器(organelle),甚至还成功制造出一种全新的细胞器——合成体(synthosome),用于制造合成生物学所需的酶类。从零开始制造生命或许即将实现。

  这样的科学壮举并不意味着科学家已经理解了生命最初诞生的方式,却激起了一些人士的担忧,他们认为人不应当拥有神一般的能力。不过,创造生命还可能让我们变得更加谦逊,因为它会改变我们对于与我们相伴的生命形式的理解。“好处将是,与分子水平上的生命合作重建我们的文明,可持续地生产我们需要的物质、能量及原料,”恩迪说,“我们将与地球上的其他生命形成一个合作的平衡,实现的方式与目前人类和自然的相互作用方式截然不同。”

  4.室温超导体

  50%实现可能

超导现象

  如果它们存在,电网将会彻底改变。

  火力发电厂可以建造在任何地方,但利用可再生能源的绿色电厂就要谨慎选址了,因为高原上才有强劲的风,沙漠中方能长沐日光,因此要向绿色能源转变,我们面临的最大挑战之一,就是如何跨越数百千米的距离,将这些来自偏远之地的电力输送至城市。

  最先进的超导电缆可将电能输送几千千米而仅有百分之几的损耗。但麻烦的是,电缆必须一直浸在77K(约 -196℃)的液氮之中。因此,如果要架设这样的电缆,每隔一千米左右就必须安装泵机和冷却设备,大大增加了超导电缆方案的成本和复杂程度。

  能在常温常压下工作的超导体,将使全球化电力供应梦想成真。通过横穿地中海底的超导电缆,非洲撒哈拉沙漠的太阳也可以给西欧供电。然而,制作室温超导体的秘诀至今依然成谜,与 1986年时没有什么两样——研究人员就是在那一年,首次制备出了可在相对“高温”的液氮中实现超导的物质(此前的超导体需要冷却至 23K以下)。

  2008年,一大类以铁元素为基质的全新超导体(铁基超导体)被人发现。理论学家能够找到高温超导体工作机制的希望也因此而大增(参见《环球科学》2009年第 8期《高温超导“铁”的飞跃》)。如果掌握了这一机制,室温超导体也许就不再遥不可及。遗憾的是,目前进展仍很缓慢。

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