A tudomány nagy ismeretlenjei: 20 megoldatlan kérdés

Miből áll a világegyetem?

LONDON – A csillagászok kínos feladvány előtt állnak: nem tudják, miből áll a világegyetem 95 százaléka. Az atomok, amelyek mindent alkotnak, amit magunk körül látunk, csak egy vacak 5 százalékot tesznek ki. Az elmúlt 80 év során világossá vált, hogy a jelentős maradékot két árnyékos entitás – a sötét anyag és a sötét energia – alkotja. Az előbbi, amelyet először 1933-ban fedeztek fel, láthatatlan ragasztóként tartja össze a galaxisokat és galaxishalmazokat. Az 1998-ban felfedezett utóbbi az univerzum tágulását egyre nagyobb sebességre hajtja. A csillagászok egyre közelebb kerülnek e láthatatlan betolakodók valódi kilétéhez.

Hogyan kezdődött az élet?

Négymilliárd évvel ezelőtt valami kavarogni kezdett az őslevesben. Néhány egyszerű vegyi anyag összeállt, és létrehozta a biológiát – megjelentek az első, önmaguk szaporodására képes molekulák. Mi, emberek az evolúció révén kapcsolódunk ezekhez a korai biológiai molekulákhoz. De hogyan rendeződtek a korai Földön jelenlévő alapvető vegyi anyagok spontán módon valami életre hasonlítóvá? Hogyan jött létre a DNS? Hogyan néztek ki az első sejtek? Több mint fél évszázaddal azután, hogy Stanley Miller kémikus felvetette az “ősleves” elméletét, még mindig nem tudunk megegyezni abban, hogy mi történt. Egyesek szerint az élet vulkánok melletti forró medencékben kezdődött, mások szerint a tengerbe csapódó meteoritok indították el.

Egyedül vagyunk az univerzumban?

Talán nem. A csillagászok az univerzumot kutatják olyan helyek után, ahol a vizes világok életet adhattak, a mi Naprendszerünkben lévő Európától és Marstól kezdve a sok fényévre lévő bolygókig. Rádióteleszkópok hallgatóztak az égbolton, és 1977-ben egy idegen üzenet lehetséges jegyeit hordozó jelet hallottak. A csillagászok ma már képesek az idegen világok légkörét oxigén és víz után kutatni. A következő néhány évtized izgalmas időszak lesz az idegenvadászok számára, hiszen csak a Tejútrendszerünkben akár 60 milliárd potenciálisan lakható bolygó is lehet.

Mitől vagyunk emberek?

A DNS-ünkre pillantva nem tudhatjuk meg – az emberi genom 99 százalékban megegyezik a csimpánzéval, és ami azt illeti, 50 százalékban a banánéval. Viszont nagyobb agyunk van, mint a legtöbb állatnak – nem a legnagyobb, de háromszor annyi neuronnal van tele, mint egy gorillának (pontosan 86 milliárd). Sok olyan dolog, amiről egykor azt gondoltuk, hogy megkülönböztető jellemző ránk – a nyelv, az eszközhasználat, önmagunk felismerése a tükörben -, más állatoknál is megfigyelhető. Talán a kultúránk – és annak a génjeinkre gyakorolt hatása (és fordítva) – teszi a különbséget. A tudósok szerint a főzés és a tűz elsajátítása segíthetett abban, hogy nagy agyunk legyen. De lehetséges, hogy az együttműködésre és a készségkereskedelemre való képességünk az, ami igazán az emberek és nem a majmok bolygójává teszi ezt a bolygót.

Mi a tudat?

Még mindig nem vagyunk benne teljesen biztosak. Azt tudjuk, hogy inkább különböző, egymással hálózatba kapcsolt agyterületeknek van köze, mint az agy egyetlen részének. A gondolkodás szerint, ha rájövünk, hogy az agy mely részei vesznek részt ebben, és hogyan működik az idegi áramkör, akkor rájövünk, hogyan jön létre a tudat, amiben a mesterséges intelligencia és az agy neuronról neuronra történő felépítésére tett kísérletek segíthetnek. A nehezebb, filozófiai kérdés az, hogy miért kell egyáltalán bárminek is tudatosnak lennie.

Egy jó javaslat szerint a sok információ integrálásával és feldolgozásával, valamint azzal, hogy összpontosítunk és inkább blokkolunk, mint reagálunk a minket bombázó érzékszervi bemenetekre, meg tudjuk különböztetni, mi a valóság és mi nem, és többféle jövőbeli forgatókönyvet tudunk elképzelni, ami segít az alkalmazkodásban és a túlélésben.

Miért álmodunk?

Életünk körülbelül egyharmadát alvással töltjük. Tekintve, hogy mennyi időt töltünk ezzel, azt gondolhatnánk, hogy mindent tudunk róla. A tudósok azonban még mindig keresik a teljes magyarázatot arra, hogy miért alszunk és álmodunk. Sigmund Freud nézeteinek hívei úgy vélték, hogy az álmok beteljesületlen – gyakran szexuális – vágyak kifejeződései, míg mások azon tűnődnek, hogy az álmok nem mások-e, mint az alvó agy véletlenszerű tüzelései.

Az állatkísérletek és az agyi képalkotás fejlődése egy összetettebb megértéshez vezetett, amely szerint az álmodás szerepet játszhat a memóriában, a tanulásban és az érzelmekben. Patkányokról például kimutatták, hogy álmaikban újra lejátsszák ébrenléti élményeiket, ami nyilvánvalóan segít nekik olyan összetett feladatok megoldásában, mint például a labirintusokban való navigálás.

Miért van itt valami?

Tényleg nem kéne itt lenned. Az “anyag”, amiből készültök, az anyag, aminek van egy ellenpárja, az antianyag, ami csak elektromos töltésében különbözik. Amikor találkoznak, mindkettő eltűnik egy energiavillanásban.

A legjobb elméleteink szerint az ősrobbanás egyenlő mennyiségben hozta létre a kettőt, ami azt jelenti, hogy azóta minden anyagnak találkoznia kellett volna az antianyag ellenpárjával, ami mindkettőt elpusztította, és a világegyetemet csak energiával árasztotta el. Nyilvánvalóan a természetnek van egy finom elfogultsága az anyag felé, különben nem létezne. A kutatók a Nagy Hadronütköztető adatait szitálják, hogy megértsék, miért, a szuperszimmetria és a neutrínók a két fő esélyes.

Léteznek más univerzumok?

A mi univerzumunk egy nagyon valószínűtlen hely. Ha csak egy kicsit is megváltoztatjuk néhány beállítását, az általunk ismert élet lehetetlenné válik. Ennek a “finomhangolási” problémának a feloldására tett kísérletükben a fizikusok egyre inkább a más univerzumok gondolata felé fordulnak. Ha egy “multiverzumban” végtelen sok van belőlük, akkor a beállítások minden kombinációja lejátszódna valahol, és természetesen abban az univerzumban találjuk magunkat, ahol képesek vagyunk létezni. Lehet, hogy őrültségnek hangzik, de a kozmológia és a kvantumfizika bizonyítékai ebbe az irányba mutatnak.

Hová tesszük a sok szenet?

Az elmúlt pár száz évben szén-dioxiddal töltöttük meg a légkört – a fosszilis tüzelőanyagok elégetésével szabadítottuk fel, amelyek egykor a Föld felszíne alatt zárták el a szenet. Most vissza kell tennünk az összes szenet, vagy kockáztatnunk kell a felmelegedő éghajlat következményeit. De hogyan tegyük ezt? Az egyik ötlet az, hogy elássuk a régi olaj- és gázmezőkbe. Egy másik, hogy elrejtjük a tengerfenéken. De nem tudjuk, hogy meddig marad ott, vagy milyen kockázatokkal járhat. Addig is meg kell védenünk a természetes, tartós szénraktárakat, például az erdőket és a tőzeglápokat, és úgy kell elkezdenünk energiát termelni, hogy ne böfögjünk ki még többet.

Hogyan nyerjünk több energiát a Napból?

A fosszilis tüzelőanyagok fogyatkozó készletei miatt új módszerre van szükségünk bolygónk energiaellátásához. Legközelebbi csillagunk több lehetséges megoldást is kínál. Már most is hasznosítjuk a Nap energiáját, hogy napenergiát termeljünk. Egy másik ötlet szerint a napfény energiáját felhasználva a vizet alkotóelemeire, oxigénre és hidrogénre lehetne bontani, ami tiszta üzemanyagot biztosíthatna a jövő autóinak. A tudósok egy olyan energetikai megoldáson is dolgoznak, amely a csillagok belsejében zajló folyamatok reprodukálásán alapul – nukleáris fúziós gépet építenek. A remény az, hogy ezek a megoldások kielégíthetik energiaszükségletünket.

Mi olyan furcsa a prímszámokban?

A prímszámoknak – azoknak a számjegyeknek, amelyek csak önmagukkal és eggyel oszthatók – köszönhető, hogy biztonságosan vásárolhatunk az interneten. A nyilvános kulcsú titkosítás – az internetes kereskedelem szívügye – prímszámokat használ a kulcsok kialakításához, amelyek képesek elzárni az érzékeny adatokat a kíváncsi szemek elől. Mindennapi életünkben betöltött alapvető jelentőségük ellenére a prímszámok rejtélyesek maradnak. Egy látszólagos mintázat – a Riemann-hipotézis – évszázadok óta foglalkoztatja a matematika legokosabb elméit. Furcsaságukat azonban még senki sem tudta megszelídíteni. Ha ez sikerülne, akkor talán megszakadna az internet.

Hogyan győzzük le a baktériumokat?

A modern orvostudomány egyik csodája az antibiotikum. Sir Alexander Fleming Nobel-díjas felfedezése olyan gyógyszerekhez vezetett, amelyek a leghalálosabb betegségek ellen küzdöttek, és lehetővé tették a műtéteket, a transzplantációkat és a kemoterápiát. Ez az örökség azonban veszélyben van – Európában évente mintegy 25 000 ember hal meg multirezisztens baktériumok miatt. Gyógyszerkészítményeink évtizedek óta hanyatlanak, és az antibiotikumok túlzott felírásával és visszaélésszerű használatával tovább súlyosbítjuk a problémát – a becslések szerint az amerikai antibiotikumok 80%-át a haszonállatok növekedésének fokozására fordítják. Szerencsére a DNS-szekvenálás megjelenése segít felfedezni olyan antibiotikumokat, amelyekről nem is tudtuk, hogy a baktériumok képesek előállítani. Az olyan innovatív, bár durván hangzó módszerek mellett, mint a “jó” baktériumok átültetése a székletből, valamint az óceánok mélyén új baktériumok keresése, még mindig lépést tarthatunk a 3 milliárd évvel idősebb organizmusokkal folytatott fegyverkezési versenyben.

A számítógépek egyre gyorsabbak lehetnek?

A táblagépeink és okostelefonjaink olyan miniszámítógépek, amelyek több számítási teljesítményt tartalmaznak, mint amennyit az űrhajósok 1969-ben a Holdra vittek. De ha folyamatosan növelni akarjuk a zsebünkben hordott számítási teljesítményt, hogyan fogjuk ezt elérni? Egy számítógépes chipre csak bizonyos számú alkatrészt lehet belezsúfolni. Elértük a határt, vagy van más módja a számítógépek készítésének? A tudósok új anyagokat fontolgatnak, mint például az atomvékony szén – a grafén -, valamint új rendszereket, mint például a kvantumszámítógép.

Meggyógyítjuk valaha a rákot?

A rövid válasz: nem. A rák nem egyetlen betegség, hanem sok száz betegség laza csoportja, a rák már a dinoszauruszok óta létezik, és mivel a génjeink szerencsétlenségét okozzák, a kockázat mindannyiunkba be van drótozva. Minél tovább élünk, annál valószínűbb, hogy valami rosszul sülhet el, bármilyen módon. A rák ugyanis egy élő dolog – folyamatosan fejlődik, hogy túléljen.

Mégis, bár hihetetlenül bonyolult, a genetika segítségével egyre többet tudunk meg arról, hogy mi okozza, hogyan terjed, és egyre jobban tudjuk kezelni és megelőzni. És tudd: a rákos megbetegedések akár fele – évente 3,7 millió – megelőzhető; hagyd abba a dohányzást, igyál és táplálkozz mértékletesen, maradj aktív, és kerüld a hosszan tartó déli napsütést.

Mikor kaphatok robot komornyikot?

A robotok már képesek italokat felszolgálni és bőröndöket cipelni. A modern robotika egyénileg specializálódott robotokból álló “személyzetet” kínálhat nekünk: ők készítik elő az Amazon rendeléseidet a kiszállításra, fejik meg a teheneidet, válogatják szét az e-mailjeidet és szállítanak a reptéri terminálok között. De egy igazán “intelligens” robothoz meg kell törnünk a mesterséges intelligenciát. Az igazi kérdés az, hogy egy robot komornyikot egyedül hagynánk-e a házban a nagyival. És mivel Japán célja, hogy 2025-re robotsegédek gondoskodjanak az idősekről, már most erősen gondolkodunk ezen.

Mi van az óceán fenekén?

Az óceán 95 százaléka feltáratlan. Mi van odalent? 1960-ban Don Walsh és Jacques Piccard hét mérföld mélyre, az óceán legmélyebb részébe utazott, hogy válaszokat keressen. Útjuk az emberi erőfeszítések határait feszegette, de csak bepillantást engedett a tengerfenéken zajló életbe. Olyan nehéz eljutni az óceán fenekére, hogy a legtöbb esetben pilóta nélküli járművek felderítőnek való küldéséhez kell folyamodnunk.

Az eddigi felfedezéseink – az olyan bizarr halaktól, mint az átlátszó fejű barreleye, az Alzheimer-kór lehetséges gyógymódjáig, amelyet a rákok készítettek – csak egy parányi töredéke a hullámok alatt rejtőző különös világnak.

Mi van egy fekete lyuk fenekén?

Ez egy olyan kérdés, amelynek megválaszolásához még nincsenek meg az eszközeink. Einstein általános relativitáselmélete azt mondja, hogy amikor egy fekete lyuk egy haldokló, összeomló masszív csillagból keletkezik, az addig folytatja a beomlást, amíg egy végtelenül kicsi, végtelenül sűrű pontot, úgynevezett szingularitást nem alkot.

De ilyen léptékben valószínűleg a kvantumfizikának is van mondanivalója. Csakhogy az általános relativitáselmélet és a kvantumfizika sosem voltak a legboldogabb ágytársak – évtizedeken át ellenálltak minden egyesítési kísérletnek. Egy nemrég született elképzelés – az úgynevezett M-elmélet – azonban egy nap talán megmagyarázza az univerzum egyik legszélsőségesebb alkotásának láthatatlan középpontját.

Elélhetünk-e örökké?

Hihetetlen időket élünk: kezdünk úgy gondolni az “öregedésre”, mint ami nem az élet velejárója, hanem mint betegségre, amit lehet kezelni és esetleg megelőzni, vagy legalábbis nagyon hosszú időre elhalasztani. Ismereteink arról, hogy mi okozza az öregedésünket – és mi teszi lehetővé, hogy egyes állatok tovább éljenek, mint mások – rohamosan bővülnek.

És bár még nem dolgoztuk ki az összes részletet, a DNS-károsodásról, az öregedés, az anyagcsere és a szaporodási alkalmasság egyensúlyáról, valamint az ezeket szabályozó génekről összegyűjtött nyomok egy nagyobb képet töltenek ki, ami potenciálisan gyógyszeres kezelésekhez vezethet.

Az igazi kérdés azonban nem az, hogyan fogunk tovább élni, hanem az, hogyan fogunk tovább jól élni. És mivel számos betegség, például a cukorbetegség és a rák az öregedés betegsége, magának az öregedésnek a kezelése lehet a kulcs.

Hogyan oldjuk meg a népesedési problémát?

A bolygónkon élő emberek száma az 1960-as évek óta megduplázódott, több mint 7 milliárdra, és 2050-re várhatóan legalább 9 milliárdan leszünk. Hol fogunk mindannyian élni, és hogyan fogunk elegendő élelmiszert és üzemanyagot előállítani az egyre növekvő népességünk számára? Talán mindenkit elszállíthatunk a Marsra, vagy elkezdhetünk lakóházakat építeni a föld alá. Akár laboratóriumban termesztett hússal is táplálkozhatnánk. Lehet, hogy ezek sci-fi megoldásoknak tűnnek, de talán el kellene kezdenünk komolyabban venni őket.

Megvalósítható-e az időutazás?

Az időutazók már köztünk járnak. Einstein speciális relativitáselméletének köszönhetően a Nemzetközi Űrállomáson keringő űrhajósok lassabban ketyeg az idő. Ennél a sebességnél a hatás elenyésző, de ha növeljük a sebességet, a hatás azt jelenti, hogy az emberek egy nap akár több ezer évet is utazhatnak a jövőbe. Úgy tűnik, a természet kevésbé szereti, ha az emberek a másik irányba mennek, és visszatérnek a múltba, néhány fizikus azonban kidolgozott egy bonyolult tervet arra, hogyan lehetne ezt féreglyukak és űrhajók segítségével megtenni. Ezt akár arra is felhasználhatnánk, hogy karácsonykor ajándékot adjunk át magunknak, vagy megválaszoljunk néhányat a világegyetem nagy ismeretlenségeit övező számos kérdés közül.

“A tudomány nagy kérdései: The Quest to Solve the Great Unknowns” című könyvét az Andre Deutsch adja ki.