美国《探索》杂志:未来的科学何去何从

2010-12-12 10:35 来源: 科技日报
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11位顶尖科学家对今后30年科学将引领人类走向何方进行预测

  美国科普杂志《探索》为庆祝发行30周年,邀请11位世界顶尖科学家对今后30年科学将引领人类走向何方进行了预测。下面,就让我们看看这些科学大师们到底怎样说。

  1.肯·卡尔代拉(Ken Caldeira,卡内基科学研究所的资深科学家,美国国家研究委员会气候变化科学小组成员):

  能源是个大问题。聪明的投资将带来大收益。

  在我的主要研究领域气候科学中,最大的问题是能源。因为我们的大部分能源技术都已相当成熟,我的猜想是,在未来几十年里,我们很有可能看到能源技术的渐进性改进而非突破。唯一可能发生例外的是,将阳光直接转换为化学储能,例如,你可利用阳光分解水,你还能得到氢气。如果你能直接从太阳光产生化学燃料,而且又经济实惠,这将开启替代石油的光明前景,而且这一过程不会将碳从地面传送到大气中。这或许将真正地改变游戏规则,不过,主要的障碍还在于投资规模。现在,美国花在薯片上的钱要比能源部花在能源研发上的钱还多,产业部门只愿在几年内就能商业化的项目上投资。我希望我们能够建立一种筹资机制,以为那些真正前瞻性的能源基础研究服务。

  更广泛地说,我认为即将到来的最大变化将是生长出新的组织和器官的能力,以及在人体中植入机械的能力。我们已能看到,人们可通过深脑刺激植入物来治疗癫痫,植入心脏除颤器来治疗心脏病。生物学组织取得的进步,再加上人类与机器的进一步整合,在未来几十年里有可能会发生真正的改变。它可以改变人们对待生活和老龄化的方式,作为个人,我希望在我需要这些东西的时候,它们已唾手可得。将整个社会作为整体以及它对人类的意义来看,很难说由此带来的后果是好是坏。衰老、死亡并让下一代接手,一直是人类发展的基本过程。如果我们开始加以改变,最终的后果难以预料。但我认为它一定会发生。植入物也将把我们带到计算机革命的新阶段。我们也许可将互联网直接连接到我们的大脑,并不间断地获取信息。我不知道这是否会在未来30年里发生,但我认为这是我们前行的方向。

  2.杰克·霍纳(Jack Horner,世界上最著名的恐龙专家,美国落基山古生物博物馆馆长):

  恐龙或许很快就能步出博物馆,走入实验室。

  在将来,我很乐意看到古生物学作为一个整体取得更多的定量分析成果。我们正在从事越来越多的分子古生物学研究,并将统计学应用其上。我们对于再造古动物存活期间的模样很感兴趣,而这类研究需要搜集庞大的数据。具体来说,我们正在努力搜集同一物种的诸多标本,这样我们就可观察其个体发育学(生物的成长和发育)特征,并解释其行为,而不只是构建说明各物种间进化关系的进化分支图。我们至今还有很多人在从事相关的搜集工作,他们或只是想找到一种新的恐龙并给其命名,但我希望,我们不久将真正利用古生物学汇聚出我们这个星球的生命历程。  

  现在,如果你问美国国家科学基金会将在今后30年里会向古生物学投入多少资金,他们大概会说零,因为他们不太关注历史科学,历史科学已被他们遗忘在角落里。但是,古生物学并不是纯粹的历史科学,或者说它的历史至少不会更长,因为不久我们就有可能复活已灭绝的生命形式。如果我们希望看到一个像速龙(一种小型肉食性恐龙)一样的动物,我们就能利用基因工程创建一个。当然,它不会和过去的速龙一模一样,但它很可能可做到惟妙惟肖。一旦我们了解了所有基因的功用以及如何将它们打开和关闭,我们甚至还可能创建出看似霸王龙的生物。

  人们现在对基因工程的兴趣主要在于其如何帮助人类。基因工程是一项崇高的事业,而这也正是我们的前进方向。但是,一旦我们了解了哪些遗传疾病是我们可以应对的,越过这一关,当我们开始思考未来时,我们就有了创造新生命形式的机会。作为一名科学家,我不会试图确认此类事情的对与错,我只想看看什么事情是可能发生的。如果我们能够创建出新的物种,我也将会非常兴奋。

  3.奥利弗·萨克斯(Oliver Sacks,临床神经学家,畅销书《错把妻子当帽子》的作者,现为美国哥伦比亚大学医学中心神经学和精神病学教授):

  我们正在学习利用大脑惊人的可塑性。

  作为一名医生,我特别关注那些遭受神经损伤或疾病的人,或是那些正在努力改善其神经功能的人。最近令我感到痴迷的一个问题是,为什么一个人在失明后,没有了心灵的窗户,他的大脑依然能创建视觉图像,这种能力非但能保持,还可得以提高和利用。很多失去视力的人仍然是有视觉的。当他们用自己的指尖读盲文时,他们仍会有视觉体验。这不只是一种比喻或说法:他们视觉皮层的功能性影像表明,在他们读盲文时,视觉皮层就被激活。这是一种交叉模式转移,以至于触感转化成了大脑中的视觉体验。

  用术语来说,这叫感觉替代,这个概念最初是由神经学家保罗·巴赫-丽塔提出的。他想知道,通过使用一台摄像机,并将之连接到皮肤上的一个区域,一个人是否就可基于皮肤感受到的触觉脉冲形成一幅心理图片。他用舌头进行了尝试,因为舌头是人体内最具感觉辨别力的器官。有了这样一个设备,盲人就能形成一幅具有足够细节的环境图片,例如,可抓住一个正在向他滚过来的球。但是,这还不是极限。这些盲人还可拥有更高的辨别力,其所拥有的感知力甚至可媲美于一个正常人。最不同寻常的是,尽管是舌头受到了刺激,但使用这些设备的人们拥有的却是这个世界的视觉图像。

  感觉替代也可以采取其他形式,人们一定想知道,就未来技术而言,使用其他感觉是否能够提升这种能力。人工耳蜗植入物现在已是相当精良,视网膜植入物也开始进入人们的生活。我认为,感觉皮层的直接刺激迟早会得到应用,但我特别喜欢非侵入性装置的想法,比如在舌头上的传感器。这种事情在40年前几乎是不可想象的,那时我们都不会想到大脑还会有可塑性。我们曾经认为,大脑的每一个部分在遗传上都是业已决定的,遗传什么就是什么。现在我们知道,大脑功能发生巨大变化是可能的。神经系统的可塑性和可重新部署的奇迹,简直让我兴奋极了。

  4.西尔维娅·艾莉(Sylvia Earle,海洋学家,美国国家海洋与大气管理局前任首席科学家,创建了“深海搜寻”基金会和“蓝色使命”组织,现为美国国家地理学会常任探险家):

  花5千万美元,我们就能饱览我们星球的其余三分之二美景。  

  50年前,“的里雅斯特号”潜水器首次将人类送到了海洋最深处——马里亚纳海沟。在未来几十年,我们还要到太阳系的深处去瞧一瞧。我们目前已探索的还只是约5%的海洋。我们甚至都不知道,深水地平线钻井平台开始漏油前,这里的海底到底是什么样的,而且这里只有一英里(约1.6公里)深。对于我们来说,我们已拥有的月球、火星还有木星的照片要比我们自己的海底照片强得多,这样的现实令人沮丧透顶。

  自然世界,特别是海洋,维系着我们的生存。我们大气中超过一半的氧气是由海洋中的微生物产生的,我们需要了解支撑着我们的这个系统。像“海神号”这样的水下监测和遥控工具正在改进中,但光有这些还不够。日本、俄罗斯、法国的深潜器已能携带人类到达5000米及以下的海洋深处。但目前没有载人深潜器可到达11000米的深度。不过,这样的技术已经存在:我们已能以不到5000万美元的花费建造出一艘3人深潜器。连大导演詹姆斯·卡梅隆都在向单人深潜器的万米纪录发出挑战。

  为此,我们还需要加紧努力。我们必须意识到,我们仍有机会阻止鲨鱼、珊瑚礁和热带雨林的损失,以稳定我们的大气层和海洋酸化。我曾在海底实验室待过9次,因而有机会了解个别鱼类及其古怪的习性。我在一艘单人深潜器中见过驼背鲸、海龟、巨石斑鱼,还有一条正在孵卵的章鱼,这些生物此前从未见到过人类。许多动物都在艰难地度过这个正在发生危险转变的时代。但是,我们还只是停留在了解会发生什么事,该怎么办才好的阶段。看到海洋生物数量的急剧下降,我开始了解并时刻提醒自己,我们必须寻找新的方式将我们的地球从气候变化中拯救出来,我们需要重新检视历经45亿多年形成并运行良好的自然机制,并尽我们所能来恢复其功能。这是我们奔向未来的动力引擎。

  5.罗德尼·布鲁克斯(Rodney Brooks,美国麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室前主管,iRobot公司创始人):

  机器人的入侵已经开始,这是好事。

  在未来,我相信在生活的各个角落会有更多的机器人。如果你在1985年告诉人们,25年后他们会在厨房里用上电脑,那对他们来说根本没有意义。他们会同时想到在电视屏幕上看到的“电脑”形象。但现在,你的微波炉、音响和冰箱里的电脑早已不是原先的模样。同样,机器人现在似乎也被定格为某种特定形象,但它们会随时间而改变,人们的看法也会随之改变。

  汽车肯定也会更加机器人化。将有更多的机器人出现在我们的家、医院、工厂以及军队里。我们现在还没有武装机器人士兵,一个机器人士兵可承受子弹的第二次射杀,而这是人所做不到的,机器人一点不在乎其生命是否处于危险之中。人们可以想象,机器人在检测危险物品方面会有上佳表现,它们会知道哪里有危险,哪里安全。它们实际上已变得比我们更加道德。

  我的iRobot公司设计出了“鲁姆巴”机器人吸尘器,但目前存在的最大问题是,它太便宜了,以至于还不能实现自主化。而军用机器人则是因为太贵了,所以也不能实现自主化,把它搞坏了你可负担不起。如果鲁姆巴错过了一个地方,没什么大不了,它之后还能找到它。所以,今后将会有更多的自主机器人出现,但令人意外的是将最先出现在低端市场,然后再逐步推向高端市场。

  肉身和机器的集成,我认为是一个人们还没有意识到、但确实正在向我们走来的领域。在未来,当我们的身体零件失效时,我们将会拥有大量的替代品。尤其对我们这一代人,也就是“婴儿潮”时代出生的人来说,我们期待这一天的到来。我们关于药物和运动的争论,与即将到来的诸如“人的定义究竟是什么?”的纷扰相比,简直是微不足道。我们现在有残奥会,但我们在未来会有一个“增强版”残奥会,那时你可能无法分辨到底是人还是机器在比赛。

  我注意到,机器人技术正在摆脱危险、肮脏和枯燥的工作。有人说:“你不能这样。人们有很多事做不了。”但我们发现,他们所说的很多事情,其实要比顶着烈日在田野里辛勤劳作容易得多。自己动手吧,你的生活会更好。

  6.黛博拉·费舍尔(Debra Fischer,美国耶鲁大学天文学家,帮助发现了约160颗系外行星):

  在其他星球发现生命将揭示人类在宇宙中是何等的平凡。

  我们在宇宙中有同伴吗?在接下来的30年,我们可能会知道。我相信,我们将通过观察目前正在探测的系外行星(围绕其他恒星旋转的行星)的大气层来发现生命的迹象,尤其是那些与地球的质量与轨道相似的行星,在那里我们或可发现氧和其他化学特征。我们或许无法在未来30年里发现科技文明,但我们应该能够找到简单生命形式的证据。为了达到这一目标,我们的太空任务将必须能够获取系外行星的大气光谱。这包括阻断来自中央恒星的光,让身处昏暗的行星发出的光成为关注的焦点。

  1995年首个类日系外行星的发现帮助我们调整了技术。自那时以来的每一年,我们发现的行星都要比前一年多(至今已超过450颗)。在外星生命的搜寻过程中,也同时发生着这样的情形:每发现一颗行星,我们的探测策略就会变得更聪明、更有效率。我还希望,未来的火星探测器在火星表面进行挖掘后,可能会幸运地发现生命化石或生命的化学特征。与地球上最原始生命形式进行比较,将会告诉我们,改变生命前化学的那一片火花到底是常见的还是罕见的。

  我期冀更有活力的空间探索活动会持续下去,人类将拥有一个驻留于地球和月球之间的空间站。在地球引力场之外的区域,我们可以将机器人驾驶的航天器发射到太阳系中的其他目的地。看得再远一些,我非常乐于见到比手机还小的微型机器宇航员的出现,它们将冲出我们的太阳系到达最近的恒星系——阿尔法半人马座。让这些机器宇航员保持低质量,我们就可以很容易地对它们进行加速。我们甚至可以发射一支由这些微小的机器宇航员组成的军队,并让它们达成手机所能完成的任务:拍照、打电话回家。

  7.山田忠孝(Tachi Yamada,美国比尔及梅琳达·盖茨基金会全球健康项目主席,致力于为发展中国家开发和提供各种低成本的救生健康工具):

  是时候了,让我们发动一场针对儿童疾病的新全球大战吧!

  仅在10年前,世界各地每年死于疾病的5岁以下儿童的人数为1100万左右。今天,这个数字是770万。我相信疫苗胜过其他任何东西,因为疫苗能降低儿童的死亡率。几年前,麻疹还是导致儿童死亡的罪魁祸首,但在过去10年里,由于增强疫苗的接种,麻疹的死亡率已下降了将近80%。在发展中国家,接种标准疫苗的儿童比例目前已接近75%。

  但每年仍有770万儿童死于各种疾病,这是一个不可思议的大数目。他们大多死于可预防和治疗的疾病:腹泻、肺炎、营养不良、新生儿败血症、早产以及疟疾。光是疟疾,每年就夺走了100万孩子(主要是非洲儿童)的生命。

  挽救这些孩子生命最有效的方法之一就是接种疫苗。我希望儿童死亡率在未来能创下新低,如果我们能够为处于风险之中的九成儿童提供疫苗、疟疾治疗手段和其他现有救生措施,到2025年,儿童死亡率也许可下降一半。

  我不相信,仅仅因为你穷,你就没资格使用这些救生技术。某些东西在美国看似复杂且昂贵,但这并不意味着在发展中国家的你就只能望洋兴叹。一个很好的例子就是印度眼科医生格维达帕·凡卡塔斯威米创建的Aravind眼科医院。凡卡塔斯威米退休后,决定为一些因白内障致盲的印度患者做些事情。他知道,在发达国家,患者可以做白内障手术,但晶状体的成本约为200美元,这在印度是很多人所买不起的。于是,他与塞瓦(Seva)基金会合作,开发出一种仅花两美元就可买到的晶状体。而现在,他们为一百多个国家制作晶状体,这家医院每年开展的白内障手术也已超过20万例。

  我们支持为世界各地儿童提供可拯救生命的疫苗,并开发可负担得起的预防疟疾、结核病、艾滋病和其他疾病的新疫苗。在艾滋病疫苗上的进展虽然缓慢,但我们已从泰国的RV144试验中看到了一丝曙光,其中一种实验性艾滋病疫苗的有效率达到了大约30%。利用包含相同成分的改进治疗方案,我们正在做后续的研究。

  8.尼尔·图洛克(Neil Turok,宇宙学家,加拿大圆周理论物理研究所所长,非洲数学科学研究院创办人):

  我们会否发现宇宙既无始又无终?

  在关于宇宙起源的常规图片中,大爆炸是时间的始点。这是科学史上最大的奥秘之一,我花了好几年时间试图弄清楚这一时刻的意义,在那张图片中,宇宙诞生于具有无限密度和温度的一点,这就是我们所知的最初的奇点。我正在探索这样的想法,那就是奇点并不是时间的起点。在这个新观点中,时间没有始点,宇宙大爆炸是存在于更高维度现实中的片状空间碰撞的结果。这些碰撞可能会发生多次,创造出一个永恒的、周而复始的宇宙。

  令人兴奋的是,可检验这些设想的观测工作将在未来20年甚至更早的时间里得以完成。目前,有关大爆炸的最有力数据都来自普朗克卫星,其能测绘出宇宙极热早期所遗留下来的微波。普朗克可测量出这些微波的温度,寻找由宇宙学标准模型预测的一种特定模式。如果我们无法看到这种模式的某些特点,那必将是对标准模型的严重打击。此外,我们的循环宇宙模型可对不同类型的物质在宇宙中的分布作出具体的预测。例如,如果我们能够足够仔细地观察到宇宙中的暗物质团,也许就能支持宇宙循环论。  

  不管是否正确,本来只是哲学方面的一个问题,却能在短短10年或20年的时间里通过观察加以验证,科学达到这样的地步真是令人惊叹。我们甚至还能对一个最古老、最根本的问题作出回答,那就是:我们来自何处?这将是极大的满足。总有一天,无论是在百年后还是千年后,我们将进入太空,开始确保人类物种在地球以外生存的征程。更好地理解宇宙的运行在某种程度上也是在帮助我们自己,使我们可以利用宇宙的基本规律开发出新的和意想不到的技术,我绝不认为这样的设想是异想天开。 

  9.伊恩·维尔穆特(Ian Wilmut,胚胎学家,苏格兰爱丁堡大学再生医学中心主任,他所领导的团队曾成功克隆了“多利”羊):  

  数百万患者将受益于基因工程及干细胞科学的研究进展。 

  干细胞生物学、分子遗传学、化学工程等不同生物领域的融合,将为医疗事业带来大量新的机会。从长远来看,我们应该能够控制帕金森氏症等退化性疾病以及运动神经元疾病、心脏病等。我们将有机会了解这些疾病的分子基础,并确定可阻止这些症状的药物,或确定需要植入的以替代受损或死亡细胞的干细胞数量。

  干细胞可协同基因疗法来纠正像地中海贫血这样的遗传疾病,如在相当小的时候进行一次治疗,之后就能一直保持疗效,这对一个孩子的一生来说都将是非常美妙的。我认为,我们也将能够利用体外干细胞筛选新的药物,了解这些药物对患者的影响,从而使处方更安全、更准确。

  多利实验(1996年诞生了第一只克隆成年哺乳动物——多利羊)促使人们找到了采取特定细胞并将其转化为多能干细胞(未分化干细胞)的办法。现在,我们很高兴地看到,研究人员已能将细胞直接从一种类型变为另一种。最近,美国斯坦福大学马吕斯·沃尼格将皮肤细胞直接转化成了神经细胞。诸如此类的技术可能会导致新的治疗方法,同时还可避免干细胞疗法的主要缺陷:形成肿瘤。

  至于全动物克隆,我相信这样做的唯一目的就是用于治疗疾病。一家名为Hematech的基因工程公司已从克隆干细胞培育出转基因牛,这种转基因牛可产生对抗细菌感染的人类抗体,而动物的福利则不会受到任何形式的损害。

  10.谢瑞·图尔库(Sherry Turkle,美国麻省理工学院社会学教授,《休戚相依:为什么我们期待技术更多,而期待彼此更少》的作者):

  我们必须夺回我们的私人空间。

  目前,我们已过上了电子如影随行的日子。随着时间的推移,大多数人都在寻找一种方法去忽视或否认它。特别是那些在电子眼布满大街小巷的环境中长大的一代人,在身后留下一个电子踪迹是再自然不过的事情,他们甚至根本不会察觉有这样的影子存在。作为在网络时代成长起来的一代人,今天的青少年都确信,他们的隐私将会受到某种程度的侵害,但他们也相信,这是在他们所处的时代必须付出的代价。

  对于我来说,邮箱曾是隐私和公民自由的代名词。但对今天的青少年来说,情况似乎完全不同,他们已适应了这样的环境,他们的电子邮件可能会被学校有关部门扫描。将他们以各种方式表达的观点总结起来,就是一句话“这样的处理方法没什么不妥”。

  但作为一个公民,你有时不会为此叫“好”。我们创造了技术,技术反过来也在创造和塑造我们。我不知道该怎么跟一个18岁的孩子说,他认为Loopt(一个使用手机GPS功能显示朋友方位的应用程序)似乎是令人毛骨悚然的,但他又很难将其从手机中删除,因为所有的朋友都在用它。一旦删除,“他们一定会认为我有一些事情需要隐瞒”。  

  在一个民主的社会里,也许我们都应该首先假定每个人都会有需要隐瞒的事情,都需要一个可加以保护的领地。我的希望是,我们能重新发现我们对隐私的需要。对我来说,开辟关于重新思考网络、隐私与公民社会的对话,丝毫不是向后倒退,这更像是向民主所界定的神圣空间迈出了健康的一步。

  11.布莱恩·格林(Brian Greene,美国哥伦比亚大学弦理论专家,畅销书《优雅的宇宙》的作者,纽约“世界科学节”的发起人之一):

  物理学家已接近于揭开宇宙的基本规律。  

  我最大的希望是弄清楚如何将重力和量子力学融为一体,以实现可追溯到爱因斯坦时代的梦想,而且是以更现代的形式,这一梦想已牢牢地抓住了两代理论物理学家的心。这一理论或可给我们提供清晰了解宇宙起源的工具。

  哪怕想要取得至关重要的部分进展,都需要我们努力在量化重力和统一自然力的实验和理论工作之间建立联系。长期以来,我们一直信奉像弦理论这样的理论观点,而不是从实验或观察入手,对于一门科学的发展来说,这种方式是不寻常的。在未来30年,在大型强子对撞机和以卫星为基础的天文观测的助力下,也可能会更早一些,我希望这种情形会发生改变。如果观察结果支持这一理论,那极好;如果他们排除了这种理论的可能性,那也不错,因为我们还是可以开足马力全速前进,去探寻其他的想法。弦理论现在面临的一个很大谜团是,数学运算所需要的额外维度可能具有多种形式。在上世纪80年代中期,是几十种;今天,有人估计这个数字已猛增到至少有10500种之多。理论学家无法检验所有这些可能性,10500种相对于可观测宇宙中的粒子数目来说可谓九牛一毛!因此,我们将继续探寻一些数学方程,以准确描述额外维度的极少数甚至是一种具体形式,使我们得以确定弦理论所预测的单一宇宙。另外,我们或可证明并不存在一个单一的宇宙,而是有许多个宇宙同时存在。每个宇宙利用的是额外维度的不同形式,我们的宇宙只是盛大的多元宇宙中的一个罢了。这将是我们长期以来秉持的宇宙观所遭受的最深刻革命之一。

  我相信,不用到2040年,我们就能确定暗物质到底是什么。确定暗能量的工作更难一些,但我们也能获得成功。如果我允许我的想像力像脱缰野马般自由,我会设想我们终将对空间和时间的实际意义作出深刻的洞察。我们已了解了很多关于空间和时间的特性及功能,但我们中的很多人依然相信,这些都不是最根本的。确定时间和空间的成分将极大地拓宽人类的视野。