神秘的黑箱

游丹南

它們一定在某個地方，只是我們還沒找到。

經過一個世紀的探索，引力波終于被發(fā)現了，但這只是劃去了長長的神秘名單中的一個。從產卵的鰻魚到黑洞的事件視界，有很多我們確信存在的事物，如同躲在神秘的黑箱中，始終不見蹤影。下面我們就為大家列舉10個這樣的有趣例子。

宇宙物理中的黑箱

黑洞

黑洞是我們耳熟能詳的事物，理論早已證明它的存在，我們也已經談論了很多年，但就是沒人見過它的真容。

黑洞的引力如此強大，沒人任何物質，包括能使它們可見的光，能從它的引力場中逃脫出來。所以，黑洞不能像普通天體那樣能夠直接觀測到。而最近所探測到的引力波，是兩個相對較小的黑洞合并時產生的。這可看作黑洞存在的間接證據——也許是目前最好的證據。天文學家認為，引力波的發(fā)現說明了黑洞或類似的東西廣泛分布于宇宙之中。

但如果使用現有的理論來分析黑洞，就會產生許多悖論。例如，理論表明黑洞會因不停輻射“霍金輻射”而逐漸萎縮變小，直至消失。那么，黑洞內部物質攜帶的信息也會隨之消失嗎？現在，理論學家仍沒有找到一個完美的解釋理論。

也許，直接觀測到黑洞才能搞清楚這些問題。

現在，一個被稱為“事件視界望遠鏡”的觀測陣列，集結了位于美國、墨西哥、智利、法國、格陵蘭島和南極的天文望遠鏡，將會在2017年發(fā)揮出全部的威力。這個觀測陣列的主要任務是通過尋找圍繞人馬座A*的高速旋轉的發(fā)光發(fā)熱物質，來為它畫一個大致的圖像。人馬座A*位于銀河系的銀心，它的質量是太陽質量的400多萬倍，使得附近的恒星都瘋狂地圍繞它旋轉。許多天文學家認為它就是一個黑洞。如果這是真的，那么對它的觀測結果進行分析，應該可以得到一些黑洞內部的信息，也許還能搞清楚我們的黑洞理論該怎樣修正，才可消除悖論。

奧爾特云

你會在每一本天文學教科書里看見它：一個圍繞太陽、主要由億萬塊巖石和冰塊組成的球狀云團，是太陽系的外層邊界。奧爾特云的最遠邊緣到太陽的距離，是地日距離的10萬倍，這已經越過了前往臨近恒星——比鄰星路程的三分之一。

不過，奧爾特云內的天體都太小了，而且?guī)缀跆幱诤诎抵?。所以，我們從來就沒見過奧爾特云。唯一間接表明奧爾特云存在的證據是，那些“長周期”彗星偶爾的造訪。遠離太陽的奧爾特云容易受到臨近恒星或整個銀河系引力的擾動，致使奧爾特云的天體離開原有軌道，進入內太陽系，成為彗星。

奧爾特云的天體被認為是太陽系形成時遺留下來的物質，它們的分布和大小可以幫助我們理解這一過程。尋找系外行星時所使用的一個技術——尋找凌星（行星從恒星“臉”前掠過）時恒星亮度的變化——可用來找到奧爾特云。2009年，天文學家發(fā)現，從理論上來講，新發(fā)射的開普勒太空望遠鏡可以探測到奧爾特云中幾十千米寬的天體——如果它們正好從某顆恒星“臉”前掠過的話。

但在實踐中，星光短暫地變暗常常會被認為是探測器的故障。而且，開普勒指向的是太陽系平面的上方，遠離奧爾特云天體最為集中的地方。但不斷涌入內太陽系的新彗星，給了天文學家足夠多的研究材料。因此，天文學家都很確信奧爾特云的存在，即使我們從未見過它。

膠球

膠子是傳遞夸克之間強核力的粒子，能使夸克們粘在一起形成諸如質子或中子等強子。膠子還有一個奇怪的性質：因為它們也能感受到強核力，這意味著它們彼此也可以結合在一起。于是，理論學家提出了膠球概念——一種完全由一堆膠子構成的復合粒子。

盡管許多理論學家堅信膠球必然存在，但實驗人員卻認為我們可能永遠找不到它們。

理論研究表明，能量達到1500兆電子伏特，或者說相當于一個質子所含能量的一半時，就足以把一堆膠子粘在一起，形成一個膠球。1995年，瑞士蘇黎世大學的理論學家提出，在歐洲核子研究中心發(fā)現的兩個分別具有大約1370兆電子伏特和1500兆電子伏特的粒子，可能就是膠球。之后，他們還發(fā)現了第三個候選者，它具有的能量約為1710兆電子伏特。

但強核力是出了名的難以計算。為簡單起見，膠球的模擬計算往往是在一個只充滿膠子的假想世界中進行的，但真實的世界并非如此。當你開始準備測量一個膠球時，夸克也會不可避免地迅速粘到膠球上，就像一些帶刺草籽會粘到襪子上一樣，因此你很難證明它曾經是一個純粹由膠子構成的粒子。所以，上面那三個候選粒子很有可能是包含夸克的復合粒子，真正的膠球我們還是無法發(fā)現。

動物中的黑箱

磁受體

隨著小海龜從美國佛羅里達海灘上的卵中破殼而出，生物學家肯·羅曼開始了行動。他舀起一些小海龜，把它們放進一個黑屋子里的水箱中，水箱的周圍繞著電磁線圈，然后他試著改變磁場方向……

這是羅曼在1991年所開創(chuàng)的新實驗，它證實了之前的懷疑：海龜可以感知磁場，根據磁場方向的變化來改變游動的方向。那么是什么原因使得它們不僅能感知地球的磁場，還能借此導航？許多不同種類的生物，例如老鼠、龍蝦和果蠅，似乎也有類似的能力，但沒人找到它們感知磁場的生物器官，即一種被稱為磁受體的東西。

針對這些動物大腦的研究，我們有了些線索。2009年，美國的神經科學家對鴿子大腦在磁場下的活動情況進行了成像。他們發(fā)現，隨著磁場的變化，鴿子大腦內有53對神經元改變了激活方式。但是，它們從哪里得到磁場改變的信號呢？鴿子身上并沒有像耳朵或鼻子那種明顯的器官來感知磁場。

一個候選對象是隱花色素——一種在鳥類、鱒魚等許多動物的眼睛發(fā)現的蛋白質。這種蛋白質能感知磁場變化。研究人員還發(fā)現，用基因工程把果蠅的產生隱花色素的基因去除后，果蠅就感知不到磁場變化了。

但這一解釋并不全面。首先，我們人類的眼睛中也有隱花色素，但我們卻不能感知磁場。其次，沒人知道磁場是如何向大腦傳入信號的。

2015年，來自北京大學的研究人員發(fā)現了一個對磁場敏感的蛋白質（名為MayR），而且它還具有控制肌肉細胞和神經元的能力。這是一個新的候選對象嗎？許多科學家對此表示懷疑?？傊谶@個研究領域中，科學家有點迷路了。

52赫茲鯨

它以“世界上最孤獨的鯨”而出名。它出沒于太平洋，呼喚著它的同伴，但從來沒有得到一個應答。52赫茲鯨是獨一無二的，它能發(fā)出52赫茲的歌聲，但這一頻率比起任何已知品種的鯨都高很多（藍鯨的為10到39赫茲，長須鯨的約為20赫茲）。

1989年，52赫茲鯨的歌聲首先被生物學家比爾·沃特金斯記錄到。但是，即使到了現在，我們還沒有見到這頭唱歌“跑調”的鯨。

然而，這頭雄性鯨——只有雄性鯨可發(fā)出宏亮的歌聲——可能并不是獨一無二的。美國斯克里普斯鯨魚聲學實驗室的約翰·希爾德布蘭認為，應該有不止一頭這樣的鯨。因為，他的團隊曾利用水聽器只在幾個小時之內就記錄到這種獨特的鯨魚之歌。

它季節(jié)性的游弋路線類似于藍鯨，沃特金斯認為它是藍鯨與長須鯨的雜交物種。希爾德布蘭認為，它的母親是藍鯨，而父親是長須鯨。長須鯨像鼓手，會發(fā)出短促的歌聲，而藍鯨像美聲歌唱家，可拉長音，52赫茲鯨則有點混合這兩種唱法。

2015年，一個嘗試找到52赫茲鯨的項目以失敗告終，因為調查人員沒有及時地分析水聽器錄下的聲音。等他們開始分析錄音時，才發(fā)現要找的動物早已跑遠了?，F在，位于美國加州圣巴巴拉海峽的監(jiān)測網絡——主要是用來監(jiān)聽藍鯨的——可能還有機會找到這個或這些神秘動物。

產卵的鰻魚

自然界中有很多很多鰻魚，然而直到今天，也沒有人真正知道鰻魚是怎么生產下一代的。我們常聽說這樣一個遷徙故事：美洲鰻和歐洲鰻穿過數千千米的水域，游到馬尾藻海來產卵。馬尾藻海位于北大西洋西部，臨近百慕大群島，是一個巨大的、有著獨立環(huán)流的溫暖海域。新出生的幼鰻從這里游回到各大洲河流里生活。

但上面這個故事完全是推測出來的。這個故事是丹麥研究人員約翰內斯·施密特在一個世紀前，根據他在馬尾藻海的一系列探險而推測出的。但直到現在，沒人見過正在這里產卵的成年鰻魚，也沒人見過產卵后洄游的成年鰻魚，它們的遷徙故事完全成謎。但這一切一定與馬尾藻海有關，因為在那里能找到微小的幼鰻。

最近，為了破解鰻魚產卵之謎，大西洋兩岸的科學家給一些成年鰻魚裝備了微小的追蹤器。這些追蹤器會在6個月后自動浮出海面，并通過衛(wèi)星發(fā)布數據。開始時，沒有得到任何有價值的數據。直到2014年，一條在加拿大海岸放生的鰻魚，被追蹤到在2400千米外的馬尾藻海北部邊界出現。盡管這可作為證據，但是這只是來自一條魚的數據。而在瑞典標記的歐洲鰻所傳回的數據，沒有一個是越過了亞速爾群島的。而抵達亞速爾群島的路途，還不到抵達馬尾藻海路途的一半長。另外，科學家現在也沒追蹤到哪怕一條產卵中的鰻魚?？磥?，這些狡猾的魚類仍將保持神秘。

生命進化的黑箱

地球上的第一個生命

科學家把地球上第一個從非生命變?yōu)樯臇|西稱為“艾達（IDA）”，即最初達爾文主義祖先（the Initial Darwinian Ancestor）。之后，艾達產生了露卡（LUCA），即最后的共同祖先（the Last Universal Common Ancestor）——使用遺傳密碼存儲信息的一種分子，地球上現存的和已經滅絕的所有生物都由露卡衍生而來的。

可以說，艾達和露卡仍生活在我們身體中。我們細胞內的DNA都使用著與之相同的遺傳密碼，這暗示著露卡也可能就是DNA構成的。但事實上并沒那么簡單。所有的生命都是用蛋白質來把脫氧核糖核苷酸合成DNA，并執(zhí)行DNA上的代碼，但是蛋白質本身也是由DNA模板制造出的。那么誰先誕生出來的？

也許哪個都不是。RNA與DNA類似，而且存在于所有的活細胞中。它也攜帶遺傳密碼，最為關鍵的是，它還可以催化生物化學反應。所以，一種被稱為“RNA世界”的假說認為，露卡是RNA構成的，它最終產生了DNA和第一個細胞。

但是，RNA又是從哪里來的呢？英國倫敦大學學院的尼克·萊恩認為，溫暖的海底火山口有著很多甲烷和礦物質，RNA可能會在此誕生。而且，最近模擬RNA誕生的實驗表明，如果化學物質合適的話，許多生命的基本零件幾乎都可以自發(fā)地組裝起來。

黑猩猩到人類缺失的環(huán)節(jié)

每年都有許多古人類和古猿的化石被發(fā)現，但我們仍然沒有挖出原始的“缺失的環(huán)節(jié)”——人類和黑猩猩的最后共同祖先在哪里？

我們有一個很不錯的理論，告訴我們這個生物何時存在以及在哪里出現：在非洲，大約700萬年前。但是化石證據卻十分難找。經過幾十年的搜索，我們已經有了相當豐富的人類祖先的化石，最早可以追溯到400多萬年前，但是更早的祖先幾乎沒有留下什么化石。

這可能是多種原因導致的。與早期的祖先相比，較晚的人類祖先的數量已經很多，而且在新的生活區(qū)域，例如湖岸或洞穴那里，他們更可能會變?yōu)榛?/p>

如果我們知道要找的化石是什么樣的，那么找起它們來會更容易。比較早期古人類化石、猿類化石和大量現存的靈長類動物，一些古人類學家認為，更早的祖先是有手的，而且大腿骨更像人類的。他們可能仍然用四肢走路，但是不是黑猩猩那樣。另一些古人類學家認為，他們的肩膀更像黑猩猩的，可能會像現在的黑猩猩那樣能在樹之間晃蕩。

科學家希望對現存猿類的基因組進行比較，以得到人與黑猩猩分道揚鑣的時間表。但最近的基因研究暗示，我們的一些染色體從早期祖先那里分化出來的時間，比另一些染色體的分化時間更早。這可能暗示著早期靈長類曾分開過一段時間，然后又重新回到一起發(fā)生雜交，然后再分開并出現永久的隔離，而這一切只經歷了數百萬年。所以，古人類學家現在面對的是一個十分混亂的局面，找到真正的早期祖先更是難上加難。

思維的黑箱

意識

意識不是我們所能看到的東西，它是我們看到東西時所需要的東西，這使得對意識的研究變得極具挑戰(zhàn)性。

意識的作用就像一個開關：你要么能體驗到世界，要么就體驗不到。所以，一種通常定義意識的方法是這樣的：一種在我們進入無夢睡眠時失去的東西，而當我們醒來后又重新得到的東西。但事實上，你能體驗到多種不同水平的意識。比如我麻醉你：你也許能聽到我的說話，但無法應答；你也許進入夢鄉(xiāng)并聽不到我說話；你也許什么都感受不到，既不做夢，也聽不到我說話。那么，這些不同水平的意識體驗與哪些大腦區(qū)域的活動有關呢？

我們知道大腦中的一些區(qū)域如果損壞或受刺激后，會引發(fā)意識的喪失。屏狀體——一種深埋于大腦中的薄片結構，就是其中之一。但許多主流理論認為，意識并不局限于某一個解剖結構上。例如，“信息整合理論”就認為，意識是整合的數據大于各部分相加的一種效果，即“1+1大于2”的效果。而無意識不一定是因大腦區(qū)域被關閉了，也可能只是一個通信故障。

最近，一些研究人員掃描了志愿者緩慢麻醉時的大腦活動情況，掃描結果似乎符合“信息整合理論”。這也解釋了為什么氯胺酮具有迷幻作用：這種強效的鎮(zhèn)靜劑會降低大腦不同區(qū)域之間的信號傳遞。

無窮大

數學中的許多地方都可找到無窮大。沒有無窮大，以及它的相反面無窮小，數學很難順利地進行下去。

當我們嘗試寫下所有的正整數時，很容易發(fā)現這個序列是沒有盡頭的，于是我們把最后一項就叫做無窮大；定義一個完美的圓，需要一個小數部分是無窮盡的數π；計算連續(xù)運動，我們需要把時間分割為無窮小的塊兒。

但這些在實際中是真實存在的嗎？就拿整數來說，你是永遠不可能寫完的。

鑒于這個原因，處理實際問題時，物理學家通常要避免出現無窮大，但這說起來容易做起來難。例如，宇宙大爆炸理論認為宇宙誕生的“奇點”具有無窮大的密度和溫度，但是面對這種無窮大，分析它的物理規(guī)律就都失效了。一些諸如弦理論的替代理論，旨在讓我們避免這些無窮大，但是這些理論仍不成熟，而且有時仍會產生其他的無窮大問題。

少數的科學家認為我們要完全避開無窮大，還聲稱它在一個有限的宇宙中并不存在。但大多數科學家并不想放棄它。因為，只要能確保它不會毀了你的計算，無窮大的概念仍十分有用。