科学の大きな謎：20の未解決問題

宇宙は何でできているのか

ロンドン – 天文学者は、宇宙の95％が何でできているのか分からないという恥ずかしい難問に直面しています。 私たちの周りにあるすべてのものを形成している原子は、わずか5％しか占めていないのです。 過去80年の間に、残りの大部分は2つの影のような存在、暗黒物質と暗黒エネルギーで構成されていることが明らかになった。 ダークマターは1933年に発見され、銀河や銀河団を結合する目に見えない接着剤のような役割を果たしています。 1998年に発見されたダークマターは、宇宙の膨張を加速させている。

生命はどのようにして誕生したのか？

40億年前、原始時代のスープに何かが蠢き始めたのです。 いくつかの単純な化学物質が集まって生物学が生まれ、自己複製が可能な最初の分子が現れました。 私たち人類は、この初期の生物学的分子と進化によってつながっているのです。 しかし、初期の地球に存在した基本的な化学物質は、どのようにして自然発生的に生命に似たものを作り出したのだろうか？ 私たちはどのようにしてDNAを手に入れたのだろうか？ 最初の細胞はどのような形をしていたのだろうか？ 化学者スタンレー・ミラーが「原始時代のスープ」説を唱えてから半世紀以上たった今でも、何が起こったのかについて私たちの意見は一致していない。 生命は火山の近くの熱いプールで始まったと言う人もいれば、海に落ちた隕石によって始まったと言う人もいます。

私たちは宇宙で孤独なのでしょうか？

おそらくそうではありません。 天文学者は、太陽系のエウロパや火星から何光年も離れた惑星まで、水の世界が生命を誕生させたかもしれない場所を求めて宇宙を探し回ってきました。 電波望遠鏡は天空を傍受し、1977年には宇宙人からのメッセージと思われる信号が聞こえました。 現在、天文学者は異星人の大気をスキャンして、酸素や水を探すことができるようになった。 今後数十年間は、天の川銀河系だけでも600億もの居住可能な惑星があると言われており、エイリアンハンターにとってはエキサイティングな時代になる。 しかし、私たちは他の動物よりも大きな脳を持っています。最大ではありませんが、ゴリラの3倍（正確には860億個）の神経細胞が詰まっているのです。 言語、道具の使用、鏡に映る自分の姿など、かつて私たちが自分たちを際立たせていると考えていたことの多くが、他の動物にも見られることなのである。 おそらく、私たちの文化、そしてそれが遺伝子に及ぼす影響（あるいはその逆）が、その違いを生み出しているのだろう。 科学者たちは、料理と火の扱いに習熟したことが、私たちが大きな脳を獲得するのに役立ったのではないかと考えている。 しかし、協力や技能売買の能力が、この惑星を猿ではなく、人間の惑星にしている可能性がある。 私たちは、それが脳の単一の部分ではなく、一緒にネットワーク化された異なる脳の領域と関係していることを知っています。 脳のどの部分が関与し、神経回路がどのように機能するかを解明すれば、意識がどのように出現するかがわかると考えられており、人工知能やニューロンごとに脳を構築する試みは、その一助になる可能性があります。

良い提案は、多くの情報を統合して処理し、集中し、殺到する感覚入力に反応するのではなく、遮断することによって、現実とそうでないものを区別し、適応して生き残るために複数の将来のシナリオを想像することができるということです。 これだけの時間を費やすのですから、それについては何でも知っていると思うかもしれません。 しかし、科学者たちは、なぜ私たちが眠り、夢を見るのか、その完全な説明をまだ探し求めているのです。 ジークムント・フロイトの見解の信奉者は、夢は満たされていない願いの表現であり、しばしば性的なものであると信じていましたが、夢は眠っている脳のランダムな発火以外の何ものでもないのではないかと考える人もいました。 たとえば、ラットは夢の中で起きているときの経験を再現し、迷路のナビゲートなどの複雑なタスクを解決するのに役立つことが示されています。 あなたが作っている「もの」は物質で、これには電荷の違いだけで反物質と呼ばれる相手がいます。 つまり、すべての物質は反物質と出会い、両方を台無しにし、宇宙はエネルギーだけで溢れかえっているはずなのです。 自然界には明らかに物質に対する微妙な偏りがあり、そうでなければあなた方は存在しないのです。 研究者たちは、超対称性とニュートリノが2つの有力な候補である、その理由を理解しようと大型ハドロン衝突型加速器からのデータを選別しています。 その設定のいくつかを少しでも変えれば、私たちの知る生命は不可能になります。 この「ファインチューニング」問題を解明するために、物理学者はますます他の宇宙という概念に目を向けるようになっています。 もし「多元宇宙」が無限にあるとすれば、あらゆる設定の組み合わせがどこかで演じられ、当然ながら、自分が存在できる宇宙を見つけることができるのです。 クレイジーに聞こえるかもしれませんが、宇宙論と量子物理学からの証拠はその方向を示しています。

すべての炭素をどこに置くか

過去数百年間、私たちは二酸化炭素で大気を満たしてきました – かつて地球の表面下に閉じ込められていた炭素を化石燃料の燃焼によって解き放ったのです。 今、私たちはその炭素をすべて元に戻さなければ、気候の温暖化という結果を招く恐れがあります。 でも、どうすればいいのでしょう？ ひとつには、古い油田やガス田に埋めるという方法があります。 もうひとつは、海の底に埋めるというもの。 しかし、いつまでそこにあるのか、どんなリスクがあるのかはわからない。 一方、森林や泥炭地など、自然で長持ちする炭素の貯蔵庫を保護し、これ以上排出しない方法でエネルギーを作り始めなければなりません。

太陽からもっとエネルギーをもらうには？ 私たちの最も近い星は、1つ以上の可能な解決策を提供してくれます。 私たちはすでに、太陽のエネルギーを利用して太陽光発電を行っています。 また、太陽光のエネルギーを使って水を酸素と水素に分解し、未来の自動車にクリーンな燃料を提供することも考えられています。 また、星の内部で起こっているプロセスを再現して、核融合装置を作るというエネルギーソリューションも研究されています。

素数ってなんか変？

インターネットで安全に買い物ができるのは、素数（自分と1でしか割り切れない数字）のおかげだそうです。 インターネット商取引の心臓部である公開鍵暗号化では、素数を使って鍵を作り、覗き見されないように機密情報をロックすることが可能です。 しかし、私たちの日常生活にとって基本的に重要であるにもかかわらず、素数は謎に包まれたままである。 素数には明らかなパターンがあり、リーマン仮説と呼ばれ、何世紀もの間、数学界の聡明な頭脳を悩ませてきた。 しかし、今のところ、誰もその奇妙さを制御することはできない。

どうやって細菌をやっつけるか

抗生物質は、現代医学の奇跡のひとつです。 このような状況下において、私たちは、「私たちは、このような状況下において、私たちは、このような状況下において、私たちは、このような状況下において、私たちは、このような状況下において、私たちは、このような状況下において、私たちは、このような状況下において、私たちは、私たちを助けることができる。 しかし、この遺産は危機に瀕している。ヨーロッパでは、毎年約25,000人が多剤耐性菌のために亡くなっている。 私たちの医薬品パイプラインは数十年にわたり停滞を続けており、抗生物質の過剰処方や誤用によって問題を悪化させています。アメリカの抗生物質の80パーセントは、家畜の成長を促進するために使われていると言われています。 しかし、DNAシーケンサーの登場により、これまでバクテリアが作り出すとは考えられなかった抗生物質が発見されつつあります。 糞便から「善玉」細菌を移植する、海の奥深くで新しい細菌を探索する、といった革新的な方法と並んで、私たちは30億年前の生物とのこの軍拡競争に後れを取らないようにできるかもしれません。 しかし、私たちがポケットに入れて持ち歩くコンピューティングパワーの量を増やし続けたいのであれば、どのようにすればよいのでしょうか。 コンピュータのチップに詰め込むことのできる部品は限られている。 それとも、別の方法でコンピュータを作ることができるのだろうか？ 科学者たちは、原子レベルで薄い炭素であるグラフェンなどの新素材や、量子コンピューティングなどの新しいシステムを検討しています。 がんは単一の病気ではなく、何百もの病気の緩やかなグループであり、恐竜の時代から存在し、異常な遺伝子によって引き起こされるため、そのリスクはすべての人に組み込まれている。 長生きすればするほど、何か悪いことが起こる可能性は高くなる。 がんは生き物であり、生き残るために常に進化しています。

しかし、非常に複雑ではありますが、遺伝学を通じて、何が原因で、どのように広がるのか、治療や予防はより良くなるのか、どんどん分かってきています。 禁煙し、適度な飲酒と食事をし、活動的に過ごし、真昼の太陽の光を長時間浴びないようにしましょう。 現代のロボット工学は、個別に特化したロボットの「スタッフ」を提供することができます。彼らは、Amazon の注文を配達する準備をし、牛の乳を搾り、メールを整理し、空港ターミナル間であなたを送迎します。 しかし、真に「インテリジェント」なロボットを作るには、私たちが人工知能を解読する必要があります。 本当の問題は、ロボットの執事をおばあさんと一緒に家に置いておくことができるかどうかということです。 日本は2025年までにロボットによる高齢者介護を実現することを目指しており、私たちは今、それについて真剣に考えようとしている。 その下には何があるのでしょうか。 1960年、ドン・ウォルシュとジャック・ピカールは、その答えを求め、海の最深部まで、7マイルを旅してきました。 彼らの航海は人間の努力の限界を超えたが、海底の生物を垣間見ることができただけだった。 海底に到達することは非常に困難であり、ほとんどの場合、無人探査機を偵察に送るしかないのです。

これまで私たちが発見してきた、頭が透明なバレイのような奇妙な魚や、甲殻類によるアルツハイマー病の治療法の可能性などは、波の下に隠された奇妙な世界のごく一部です。

ブラックホールの底には何があるのか。 アインシュタインの一般相対性理論では、大質量星の崩壊によってブラックホールが作られると、特異点と呼ばれる無限に小さく、無限に密な点が形成されるまで陥没し続けるとしています。 しかし、一般相対性理論と量子物理学は決して相性が良いとは言えず、何十年もの間、両者を統一しようという試みには全く歯が立ちませんでした。 しかし、M理論と呼ばれる最近の考え方は、いつか、宇宙の最も極端な創造物の1つである目に見えない中心を説明するかもしれません。 私たちが老化する原因、そしてある動物が他の動物よりも長生きできる理由についての知識は急速に拡大しています。

そして、まだすべての詳細を解明したわけではありませんが、DNA損傷、老化、代謝、生殖能力のバランス、さらにこれらを制御する遺伝子について集めている手がかりは、より大きな絵を埋めつつあり、薬物治療につながる可能性があります。 糖尿病やがんなどの多くの病気は加齢によるものなので、加齢そのものを治療することが鍵になるかもしれません。

地球上の人口数は1960年代以降に2倍の70億人以上になり、2050年には少なくとも90億人になると予想されています。 私たちは皆どこに住み、増え続ける人口のために十分な食糧と燃料をどうやって作るのでしょうか。 火星に移住させるか、地下に集合住宅を建てるか。 実験室で育てた肉で栄養補給を始めることだってできる。 これらはSF的な解決策に聞こえるかもしれませんが、私たちはもっと真剣に考え始めなければならないかもしれません。

タイムトラベルは可能か

タイムトラベラーはすでに私たちの間を歩いています。 アインシュタインの特殊相対性理論のおかげで、国際宇宙ステーションを周回する宇宙飛行士は、時間がよりゆっくりと刻まれるのを体験しています。 その速度ではその効果は微々たるものですが、速度を上げるとその効果は、いつの日か人間が何千年も先の未来に旅立つことを意味します。 しかし、ある物理学者は、ワームホールと宇宙船を使って、それを実現するための精巧な青写真を練り上げました。 クリスマスに自分にプレゼントを渡したり、宇宙の大きな未知にまつわる多くの疑問に答えたりするために使うこともできるかもしれません。

サイエンス