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史上曾被認(rèn)為不可能的十大科學(xué)難題全被實(shí)現(xiàn)

點(diǎn)擊：  作者：記者    來(lái)源：人工智能學(xué)家微信公眾號(hào)  發(fā)布時(shí)間:2020-12-05 09:56:49

 

對(duì)于科學(xué)家來(lái)說(shuō)，好像沒(méi)有什么事情是不可能做到的。縱觀科學(xué)發(fā)展史，我們便會(huì)發(fā)現(xiàn)，一個(gè)又一個(gè)看似“不可能的任務(wù)”最終都成為可能，例如利用核能、上演太空飛行、創(chuàng)建力場(chǎng)以及遠(yuǎn)距離傳物。

 

幾個(gè)世紀(jì)前，很多人還認(rèn)為這些事情是不可能辦到的，但近些年來(lái)，一些“明知不可為而為之”的人卻開(kāi)始邁進(jìn)“可能”大門。

 

分析恒星組成

 

 

在1842年著作《實(shí)證哲學(xué)》中，法國(guó)哲學(xué)家?jiàn)W古斯特·孔德曾這樣描述恒星：“我們永遠(yuǎn)不可能了解它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)于其中一些恒星，我們也不可能了解它們的大氣層如何吸收熱量。”在提到行星時(shí)，這位哲學(xué)家也持相同論調(diào)，他這樣寫(xiě)道：“我們永遠(yuǎn)不會(huì)知道它們的化學(xué)或者礦物學(xué)結(jié)構(gòu)，更不要說(shuō)了解生活在它們表面的有組織的生物了。”

 

實(shí)際上，孔德之所以得出這種結(jié)論是有依據(jù)的——恒星和行星與地球之間距離太遠(yuǎn)，已超出我們的視覺(jué)和幾何學(xué)極限。他指出，雖然能夠計(jì)算它們的距離、運(yùn)動(dòng)和質(zhì)量，但除此之外，我們不會(huì)了解任何東西；我們沒(méi)有任何一種方式能夠?qū)阈呛托行沁M(jìn)行化學(xué)分析。

 

具有諷刺意味的是，事實(shí)最終證明這位大哲學(xué)家的話大錯(cuò)特錯(cuò)。19世紀(jì)初，威廉·海德·沃勒斯頓和約瑟夫·馮·弗勞恩霍夫均發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)光譜中含有大量黑線。截止到1859年，黑線的秘密已被進(jìn)一步揭開(kāi)，此時(shí)的名字已變成“原子吸收線”。通過(guò)分析這種類型的線，我們便可確定存在于太陽(yáng)之上的每一種化學(xué)元素，進(jìn)而讓發(fā)現(xiàn)恒星組成成分成為一種可能。

 

確定隕石存在

 

 

在整個(gè)文藝復(fù)興時(shí)期和現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展初期，天文學(xué)家一直拒絕承認(rèn)隕石存在。認(rèn)為這些石頭來(lái)自太空的想法也一度被打上“迷信”和“異教學(xué)說(shuō)”標(biāo)簽，反對(duì)者指出，上帝怎么會(huì)創(chuàng)造一個(gè)如此混亂的宇宙呢？

 

當(dāng)時(shí)，法國(guó)科學(xué)院曾做出這樣的著名論斷——“天上不可能掉石頭”。火球和石頭撞擊地面的報(bào)告一直被視為謠言和傳說(shuō)，這些石頭也一度被解釋為“雷石”，即雷擊的產(chǎn)物。

 

直到1794年，否認(rèn)隕石存在的論斷才宣告結(jié)束，當(dāng)時(shí)，恩斯特·克拉德尼——因有關(guān)振動(dòng)和聲學(xué)的著作而聞名于世的物理學(xué)家——在一部著作中指出，隕石應(yīng)該來(lái)自外太空。1790年，法國(guó)巴伯坦地區(qū)下了一場(chǎng)“石頭雨”(石頭從天而降)，當(dāng)時(shí)有300人目擊了這一過(guò)程。也正是這場(chǎng)“石頭雨”促使克拉德尼發(fā)表了他的著作。

 

然而，克拉德尼的大作《帕拉斯鐵類似物質(zhì)以及相關(guān)自然現(xiàn)象由來(lái)》(On the Origin of the Pallas Iron and Others Similar to it, and on Some Associated Natural Phenomena)最終未能逃出被奚落和嘲笑的命運(yùn)。直到1803年，他的蒙冤才得以昭雪，當(dāng)時(shí)，吉恩-巴普迪斯特·畢奧對(duì)法國(guó)萊格勒地區(qū)上演的另一場(chǎng)“石頭雨”進(jìn)行了分析，并發(fā)現(xiàn)確鑿證據(jù)證明這些石頭確實(shí)來(lái)自太空。

 

重于空氣的飛行器

 

大量科學(xué)家和工程師曾自信地指出，重于空氣的飛行是不可能做到的，對(duì)于賴特兄弟飛行試驗(yàn)，這種論斷無(wú)疑是一個(gè)令人晦氣的前奏，反對(duì)者認(rèn)為，這對(duì)兄弟的飛行夢(mèng)想根本不可能實(shí)現(xiàn)。

 

在所有持這種論調(diào)的人中，凱爾文勛爵可能是最為著名的一個(gè)。他早在1895年便聲稱，“不可能制造出重于空氣的飛行器”。然而就在8年之后，賴特兄弟便用鐵一般的事實(shí)證明他的論斷是多么荒謬可笑。

 

而更令人不可思議的是，就在凱爾文做出這種聲名狼藉的論斷時(shí)，科學(xué)家和工程師卻快速接近重于空氣飛行這一目標(biāo)。自18世紀(jì)晚期以來(lái)，人類便開(kāi)始乘氣球飛行，截止到19世紀(jì)晚期，氣球已在人力控制范圍之內(nèi)。

 

而包括費(fèi)利克斯·杜·坦普爾的單翼飛機(jī)在內(nèi)的幾種設(shè)計(jì)，也都順利飛入藍(lán)天，只不過(guò)飛行時(shí)間較為短暫罷了。說(shuō)到這，我們難免產(chǎn)生這樣的疑問(wèn)——為什么有人要對(duì)重于空氣飛行持懷疑觀點(diǎn)呢？

 

這個(gè)問(wèn)題要追溯到1716年，當(dāng)時(shí)，科學(xué)家和神學(xué)家伊曼紐爾·斯維登伯格在一篇文章中描述了一種飛行器的設(shè)計(jì)。他這樣寫(xiě)道：“這種飛行器似乎說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難，相較于人的身體來(lái)說(shuō)，它要求更大的動(dòng)力和更輕的重量。”

 

與其它很多設(shè)計(jì)一樣，斯維登伯格的飛行器也建立在拍翼機(jī)械裝置之上。也就是說(shuō)，在重于空氣的飛行成為可能前，我們必須設(shè)計(jì)出真正有效的兩個(gè)翼。首先，兩個(gè)拍打的翼不得不被滑行機(jī)械裝置取代。

 

其次，工程師必須有能力做到更理想的能量供應(yīng)——內(nèi)燃機(jī)。但頗具諷刺意味的是，尼古勞斯·奧托早在1877年就申請(qǐng)了內(nèi)燃機(jī)專利。

 

進(jìn)入太空

 

 

從大氣飛行到太空飛行無(wú)疑是一個(gè)質(zhì)的飛躍，但整個(gè)過(guò)程遠(yuǎn)比我們認(rèn)為的要復(fù)雜的多。很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，將任何物體送入太空和將人類送入軌道的想法便被視為一種無(wú)稽之談。持懷疑觀點(diǎn)的人可謂有理有據(jù)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)畢竟沒(méi)有相關(guān)技術(shù)能夠做到這一點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)太空游，飛船必須達(dá)到逃逸速度——每秒速度達(dá)到11.2公里以上才能沖出地球。如果考慮音障這個(gè)因素，飛船的時(shí)速只有1238公里。直到1947年，人類才第一次成功突破音障。

 

在儒勒·凡爾納的小說(shuō)《從地球到月球》中，這位科幻小說(shuō)作家建議使用一種巨型加農(nóng)炮。然而，類似這樣的加速度突然爆發(fā)會(huì)讓所有乘員立即喪命。此外，計(jì)算結(jié)果也顯示，加農(nóng)炮的力量不足以讓飛船達(dá)到逃逸速度。

 

20世紀(jì)初，兩名火箭研究員——康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基和羅伯特·戈達(dá)德——最終解決了這個(gè)問(wèn)題。齊奧爾科夫斯基的研究工作被蘇聯(lián)之外的國(guó)家忽視；在自己的想法慘遭嚴(yán)厲批評(píng)之后，戈達(dá)德也逐漸淡出公眾視線。但不管怎樣，科學(xué)的前進(jìn)腳步是不可能被阻止的。1957年，第一顆人造衛(wèi)星“人造地球衛(wèi)星1”號(hào)發(fā)射升空，4年之后，第一艘載人飛船也順利入主太空。可惜的是，由于過(guò)早辭世，齊奧爾科夫斯基和戈達(dá)德都未能親身感受這些激動(dòng)人心的時(shí)刻。

 

利用核能

 

 

1934年12月29日，《匹茲堡郵報(bào)》援引阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的話報(bào)道說(shuō)：“沒(méi)有任何跡象顯示，人類可以獲得并利用核能。利用核能意味著可以隨意并且不得不將原子撕成碎片。”同一年，也就是在這篇報(bào)道刊登之前，恩里科·費(fèi)米發(fā)現(xiàn)，如果用中子轟擊鈾，鈾原子便會(huì)分裂成更輕的元素同時(shí)釋放大量能量。

 

愛(ài)因斯坦的懷疑最終在事實(shí)面前敗下陣來(lái)。截止到1939年，人們已加深了對(duì)核裂變的了解，研究人員意識(shí)到，連鎖反應(yīng)——一旦開(kāi)始，速度便持續(xù)增加——可以產(chǎn)生巨大的爆炸。1942年晚些時(shí)候，研究人員在試驗(yàn)中上演了類似的連鎖反應(yīng)。1945年8月6日，第一顆原子彈在廣島上空爆炸。但令人感到諷刺的是，五星上將威廉·萊希曾對(duì)時(shí)任總統(tǒng)杜魯門說(shuō)過(guò)這樣的說(shuō)：“我本人就是一名爆炸物專家，在我看來(lái)，這是我們做過(guò)的最愚蠢的事情，因?yàn)檫@枚炸彈永遠(yuǎn)不會(huì)爆炸。”1954年，蘇聯(lián)憑借奧勃寧斯克核電廠成為第一個(gè)使用核能發(fā)電的國(guó)家。

 

發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體

 

 

高溫超導(dǎo)體無(wú)疑是一個(gè)怪異的家伙——它上演的超導(dǎo)現(xiàn)象可以被觀察和測(cè)量，但這種現(xiàn)象本不應(yīng)該發(fā)生。根據(jù)有關(guān)超導(dǎo)性的完美理論，超導(dǎo)現(xiàn)象不可能在30開(kāi)氏度以上出現(xiàn)。有意思的是，一些超導(dǎo)體在77開(kāi)氏度時(shí)具有最佳導(dǎo)電性。超導(dǎo)體——電流通過(guò)時(shí)不受阻力——是在1911年首次發(fā)現(xiàn)的。為了見(jiàn)識(shí)超導(dǎo)現(xiàn)象，導(dǎo)電材料通常要冷卻到絕對(duì)零度附近某一特定溫度。

 

在以后的50年時(shí)間里，科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了很多超導(dǎo)材料，并對(duì)它們進(jìn)行了研究。1957年，約翰·巴丁、利昂·庫(kù)珀和約翰·施里弗提出了有關(guān)超導(dǎo)材料的完整理論——“BCS” (取每人姓氏的第一個(gè)字母進(jìn)行組合)理論，詳細(xì)解釋了標(biāo)準(zhǔn)超導(dǎo)體的特性。根據(jù)“BCS”理論，超導(dǎo)材料中的電子以所謂的“庫(kù)柏對(duì)”形式移動(dòng)。如果一個(gè)“庫(kù)柏對(duì)”結(jié)合得足夠牢固，便可經(jīng)受住材料中原子的任何影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)零電阻。然而，這一理論也指出，只有在極低溫度下才能產(chǎn)生零電阻現(xiàn)象，此時(shí)的原子只出現(xiàn)細(xì)微振動(dòng)。

 

在1986年發(fā)表的一篇著名論文中，約翰尼斯·格奧爾格·貝德諾爾茨和卡爾·亞歷山大·穆勒?qǐng)?bào)告說(shuō)，他們發(fā)現(xiàn)了一種可在最高35開(kāi)氏度情況下具備超導(dǎo)性的材料，這種材料的發(fā)現(xiàn)改變了超導(dǎo)體家族的面貌，二人也因此獲得第二年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在此之后，貝德諾爾茨和穆勒又發(fā)現(xiàn)了可在更高溫度下具備超導(dǎo)性的材料。迄今為止，可觀察到的最高溫度(在壓力情況下)為164開(kāi)氏度。但在科學(xué)研究突飛猛進(jìn)的今天，這一紀(jì)錄也許保持不了多長(zhǎng)時(shí)間。

 

發(fā)現(xiàn)黑洞存在

 

 

如果得知基本黑洞理論早在1783年便被首次提出的話，那些認(rèn)為黑洞屬于未來(lái)派或者現(xiàn)代派想法的人可能會(huì)大為驚訝的。當(dāng)時(shí)，地質(zhì)學(xué)家約翰·米契爾在寫(xiě)給皇家學(xué)會(huì)的一封信中提到了黑洞。他指出，如果一顆恒星擁有足夠大的質(zhì)量，一個(gè)從無(wú)限高度向它墜落的天體將獲得更大的表面速度——甚至超過(guò)光速，從類似這樣一個(gè)天體發(fā)生的所有光線都會(huì)因自身引力原路返回。

 

然而，在整個(gè)19世紀(jì)，存在黑洞一度被視為一個(gè)太過(guò)荒謬而可笑的想法，原因在于：物理學(xué)家認(rèn)為光是一種以“以太”為媒質(zhì)的波，可以被假定為無(wú)質(zhì)量，因此對(duì)引力具有“免疫性”。直到1915年愛(ài)因斯坦提出著名的廣義相對(duì)論，科學(xué)家才不得不嚴(yán)肅對(duì)待黑洞理論。根據(jù)愛(ài)因斯坦相對(duì)論的一個(gè)重要預(yù)測(cè)，光線會(huì)因引力影響發(fā)生彎曲。此后，阿瑟·埃丁頓對(duì)日食時(shí)的恒星位置進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量結(jié)果顯示，它們發(fā)出的光線因?yàn)樘?yáng)引力發(fā)生彎曲，但受當(dāng)時(shí)使用的設(shè)備限制，觀察到的彎曲效應(yīng)幅度太小，因此并不可靠——有關(guān)黑洞存在的理論是后來(lái)正式得到公認(rèn)的。

 

相對(duì)論確立后，黑洞便成為一個(gè)嚴(yán)肅的課題，蘇布拉馬尼揚(yáng)·錢德拉塞卡等理論學(xué)家都詳細(xì)闡明過(guò)它們的特性。在此之后，天文學(xué)家便開(kāi)始尋找黑洞蹤影。越來(lái)越多的證據(jù)證明，黑洞與宇宙中很多星系(包括銀河系在內(nèi))中央的天體具有相似性，它們是產(chǎn)生高能宇宙射線的最大天體。然而，爭(zhēng)論并沒(méi)有完全停止。2007年公布的一個(gè)有爭(zhēng)議的計(jì)算結(jié)果顯示，在恒星塌陷成黑洞過(guò)程中，大量物體被拋出“母體”，由于質(zhì)量減少，它們不可能形成真正的黑洞。

 

創(chuàng)建力場(chǎng)

 

 

創(chuàng)建力場(chǎng)是科幻小說(shuō)中的一個(gè)經(jīng)典段落，由于“等離子窗”的發(fā)明，創(chuàng)建力場(chǎng)最終于1995年成為一種現(xiàn)實(shí)。“等離子窗”由布克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的阿迪·赫什科維奇一手設(shè)計(jì)，它可以利用磁場(chǎng)讓一個(gè)小空間充滿等離子體或者離子化氣體。赫什科維奇和Acceleron公司共同開(kāi)發(fā)的“等離子窗”被用于降低電子束焊接的能耗。

 

“等離子窗”擁有絕大多數(shù)與力場(chǎng)有關(guān)的特性。它能有效阻隔物質(zhì)，可以充當(dāng)真空與大氣間的一道屏障。此外，它允許激光和電子束暢通無(wú)阻地穿過(guò)；如果將氬氣作為等離子的工作氣體，它甚至可以發(fā)出藍(lán)光。唯一的缺點(diǎn)就是需要巨大能量才能產(chǎn)生任何尺寸的“等離子窗”——當(dāng)前的樣品都是一些小個(gè)子。從理論上說(shuō)，研制更大“等離子窗”的可能性是存在的。

 

打造隱形技術(shù)

 

 

隱形是另一個(gè)帶有科幻色彩的技術(shù)，從理查德·瓦格納的歌劇《萊茵河的黃金》到赫·喬·韋爾斯的《隱形人》再到“哈里·波特”魔幻系列，隱形技術(shù)可謂是無(wú)處不在。

 

實(shí)際上，任何物理學(xué)定律都沒(méi)有規(guī)定隱形是不可能的，最近取得的進(jìn)步意味著，一些確定類型的遮蔽裝置已經(jīng)成為可能。過(guò)去幾年來(lái)，我們一定聽(tīng)說(shuō)過(guò)大量與“隱形斗篷”試驗(yàn)有關(guān)的報(bào)道，一款基本設(shè)計(jì)也已于2006年問(wèn)世。這些裝置依靠“超材料”引導(dǎo)物體周圍的光線。

 

第一件“隱形斗篷”只能對(duì)微小物體起作用，并且是在微波環(huán)境下。很顯然，對(duì)這種設(shè)計(jì)進(jìn)行修改使其用于可見(jiàn)光環(huán)境無(wú)疑是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，幸運(yùn)的是，這種修改在1年之后便可完成，雖然作用范圍只達(dá)到兩個(gè)維度和微米(百萬(wàn)分之一米)。毫無(wú)疑問(wèn)，制造一件真正意義上的“隱形斗篷”所要面臨的工程學(xué)挑戰(zhàn)仍然令人畏懼。

 

實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳物

 

 

 “遠(yuǎn)距離傳物”這個(gè)詞已經(jīng)有很多年歷史了，但對(duì)于這種帶有強(qiáng)烈科幻色彩的技術(shù)，人們也一直持懷疑態(tài)度。在作家和超自然現(xiàn)象學(xué)家查爾斯·福特的著作《Lo!》中，人們第一次聽(tīng)說(shuō)遠(yuǎn)距離傳物。此后，這個(gè)詞便成為大批科幻小說(shuō)作家的“座上賓”，《星際迷航》中的“傳送機(jī)”稱得上最為著名的一個(gè)。

 

盡管遠(yuǎn)距離傳物的“出身”帶有強(qiáng)烈科幻色彩，但物理學(xué)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一種類型的遠(yuǎn)距離傳物，這還要感謝一種被稱之為“糾纏”的怪異的量子現(xiàn)象。糾纏在一起的粒子具有這樣的特性——不管彼此之間距離多遠(yuǎn)，它們都要連接在一起。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，如果改變一個(gè)糾纏電子的旋轉(zhuǎn)，它的“孿生兄弟”的旋轉(zhuǎn)也會(huì)發(fā)生變化。

 

很顯然，糾纏粒子可以被用于遠(yuǎn)距離傳送信息。在任何比原子更大的物質(zhì)上進(jìn)行同樣的“表演”一度被視為不可能，但在2002年，一種與糾纏偶分子有關(guān)的理論指出，它們可以被分割為量子態(tài)，也就是所謂的“疊加”。

 

最近，科學(xué)家又提出了一種可選性想法，被戲稱為“非量子物理的遠(yuǎn)距離傳物”，即打造一束銣原子，讓它們?cè)谝粋€(gè)地方消失，而后又在另一個(gè)地方出現(xiàn)。這種方法雖然不依靠糾纏，但卻可以傳送有關(guān)這些原子的所有信息，也就是說(shuō)，它們可以在一條光纖幫助下在另一個(gè)地方實(shí)現(xiàn)“再造”。

 

來(lái)源：科學(xué)解碼  版權(quán)申明：內(nèi)容來(lái)源網(wǎng)絡(luò)，版權(quán)歸原創(chuàng)者所有（侵刪）。