史上曾被認(rèn)為不可能的十大科學(xué)難題全被實現(xiàn)

來源：科學(xué)解碼

對于科學(xué)家來說，好像沒有什么事情是不可能做到的?？v觀科學(xué)發(fā)展史，我們便會發(fā)現(xiàn)，一個又一個看似“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)建力場以及遠(yuǎn)距離傳物。

幾個世紀(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，一些“明知不可為而為之”的人卻開始邁進(jìn)“可能”大門。

分析恒星組成

在1842年著作《實證哲學(xué)》中，法國哲學(xué)家奧古斯特·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?！痹谔岬叫行菚r，這位哲學(xué)家也持相同論調(diào)，他這樣寫道：“我們永遠(yuǎn)不會知道它們的化學(xué)或者礦物學(xué)結(jié)構(gòu)，更不要說了解生活在它們表面的有組織的生物了。”

實際上，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)，已超出我們的視覺和幾何學(xué)極限。他指出，雖然能夠計算它們的距離、運動和質(zhì)量，但除此之外，我們不會了解任何東西；我們沒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，事實最終證明這位大哲學(xué)家的話大錯特錯。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，此時的名字已變成“原子吸收線”。通過分析這種類型的線，我們便可確定存在于太陽之上的每一種化學(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

在整個文藝復(fù)興時期和現(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)為這些石頭來自太空的想法也一度被打上“迷信”和“異教學(xué)說”標(biāo)簽，反對者指出，上帝怎么會創(chuàng)造一個如此混亂的宇宙呢？

當(dāng)時，法國科學(xué)院曾做出這樣的著名論斷——“天上不可能掉石頭”?；鹎蚝褪^撞擊地面的報告一直被視為謠言和傳說，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，恩斯特·克拉德尼——因有關(guān)振動和聲學(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)該來自外太空。1790年，法國巴伯坦地區(qū)下了一場“石頭雨”(石頭從天而降)，當(dāng)時有300人目擊了這一過程。也正是這場“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》(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。直到1803年，他的蒙冤才得以昭雪，當(dāng)時，吉恩-巴普迪斯特·畢奧對法國萊格勒地區(qū)上演的另一場“石頭雨”進(jìn)行了分析，并發(fā)現(xiàn)確鑿證據(jù)證明這些石頭確實來自太空。

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，對于賴特兄弟飛行試驗，這種論斷無疑是一個令人晦氣的前奏，反對者認(rèn)為，這對兄弟的飛行夢想根本不可能實現(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。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，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，人類便開始乘氣球飛行，截止到19世紀(jì)晚期，氣球已在人力控制范圍之內(nèi)。

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

這個問題要追溯到1716年，當(dāng)時，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。他這樣寫道：“這種飛行器似乎說起來容易做起來難，相較于人的身體來說，它要求更大的動力和更輕的重量?！?/span>

與其它很多設(shè)計一樣，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，在重于空氣的飛行成為可能前，我們必須設(shè)計出真正有效的兩個翼。首先，兩個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年就申請了內(nèi)燃機(jī)專利。

進(jìn)入太空

從大氣飛行到太空飛行無疑是一個質(zhì)的飛躍，但整個過程遠(yuǎn)比我們認(rèn)為的要復(fù)雜的多。很長時間以來，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稽之談。持懷疑觀點的人可謂有理有據(jù)，因為當(dāng)時畢竟沒有相關(guān)技術(shù)能夠做到這一點。為了實現(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。如果考慮音障這個因素，飛船的時速只有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《從地球到月球》中，這位科幻小說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)會讓所有乘員立即喪命。此外，計算結(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——最終解決了這個問題。齊奧爾科夫斯基的研究工作被蘇聯(lián)之外的國家忽視；在自己的想法慘遭嚴(yán)厲批評之后，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人心的時刻。

利用核能

1934年12月29日，《匹茲堡郵報》援引阿爾伯特·愛因斯坦的話報道說：“沒有任何跡象顯示，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?！蓖荒辏簿褪窃谶@篇報道刊登之前，恩里科·費米發(fā)現(xiàn)，如果用中子轟擊鈾，鈾原子便會分裂成更輕的元素同時釋放大量能量。

愛因斯坦的懷疑最終在事實面前敗下陣來。截止到1939年，人們已加深了對核裂變的了解，研究人員意識到，連鎖反應(yīng)——一旦開始，速度便持續(xù)增加——可以產(chǎn)生巨大的爆炸。1942年晚些時候，研究人員在試驗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·萊希曾對時任總統(tǒng)杜魯門說過這樣的說：“我本人就是一名爆炸物專家，在我看來，這是我們做過的最愚蠢的事情，因為這枚炸彈永遠(yuǎn)不會爆炸。”1954年，蘇聯(lián)憑借奧勃寧斯克核電廠成為第一個使用核能發(fā)電的國家。

發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體

高溫超導(dǎo)體無疑是一個怪異的家伙——它上演的超導(dǎo)現(xiàn)象可以被觀察和測量，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開氏度以上出現(xiàn)。有意思的是，一些超導(dǎo)體在77開氏度時具有最佳導(dǎo)電性。超導(dǎo)體——電流通過時不受阻力——是在1911年首次發(fā)現(xiàn)的。為了見識超導(dǎo)現(xiàn)象，導(dǎo)電材料通常要冷卻到絕對零度附近某一特定溫度。

在以后的50年時間里，科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了很多超導(dǎo)材料，并對它們進(jìn)行了研究。1957年，約翰·巴丁、利昂·庫珀和約翰·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“庫柏對”形式移動。如果一個“庫柏對”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，此時的原子只出現(xiàn)細(xì)微振動。

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·穆勒報告說，他們發(fā)現(xiàn)了一種可在最高35開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。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時間。

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)為黑洞屬于未來派或者現(xiàn)代派想法的人可能會大為驚訝的。當(dāng)時，地質(zhì)學(xué)家約翰·米契爾在寫給皇家學(xué)會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，一個從無限高度向它墜落的天體將獲得更大的表面速度——甚至超過光速，從類似這樣一個天體發(fā)生的所有光線都會因自身引力原路返回。

然而，在整個19世紀(jì)，存在黑洞一度被視為一個太過荒謬而可笑的想法，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，可以被假定為無質(zhì)量，因此對引力具有“免疫性”。直到1915年愛因斯坦提出著名的廣義相對論，科學(xué)家才不得不嚴(yán)肅對待黑洞理論。根據(jù)愛因斯坦相對論的一個重要預(yù)測，光線會因引力影響發(fā)生彎曲。此后，阿瑟·埃丁頓對日食時的恒星位置進(jìn)行了測量。測量結(jié)果顯示，它們發(fā)出的光線因為太陽引力發(fā)生彎曲，但受當(dāng)時使用的設(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正式得到公認(rèn)的。

相對論確立后，黑洞便成為一個嚴(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)闡明過它們的特性。在此之后，天文學(xué)家便開始尋找黑洞蹤影。越來越多的證據(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，爭論并沒有完全停止。2007年公布的一個有爭議的計算結(jié)果顯示，在恒星塌陷成黑洞過程中，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

創(chuàng)建力場是科幻小說中的一個經(jīng)典段落，由于“等離子窗”的發(fā)明，創(chuàng)建力場最終于1995年成為一種現(xiàn)實。“等離子窗”由布克海文國家實驗室的阿迪·赫什科維奇一手設(shè)計，它可以利用磁場讓一個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阻地穿過；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子。從理論上說，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)可謂是無處不在。

實際上，任何物理學(xué)定律都沒有規(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。過去幾年來，我們一定聽說過大量與“隱形斗篷”試驗有關(guān)的報道，一款基本設(shè)計也已于2006年問世。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”只能對微小物體起作用，并且是在微波環(huán)境下。很顯然，對這種設(shè)計進(jìn)行修改使其用于可見光環(huán)境無疑是一個巨大挑戰(zhàn)，幸運的是，這種修改在1年之后便可完成，雖然作用范圍只達(dá)到兩個維度和微米(百萬分之一米)。毫無疑問，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。

實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳物

“遠(yuǎn)距離傳物”這個詞已經(jīng)有很多年歷史了，但對于這種帶有強(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，人們第一次聽說遠(yuǎn)距離傳物。此后，這個詞便成為大批科幻小說作家的“座上賓”，《星際迷航》中的“傳送機(jī)”稱得上最為著名的一個。

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。舉個例子來說，如果改變一個糾纏電子的旋轉(zhuǎn)，它的“孿生兄弟”的旋轉(zhuǎn)也會發(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，讓它們在一個地方消失，而后又在另一個地方出現(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，它們可以在一條光纖幫助下在另一個地方實現(xiàn)“再造”