Wielkie niewiadome nauki: 20 nierozwiązanych pytań

Z czego zbudowany jest wszechświat?

LONDYN – Astronomowie stoją przed żenującym wyzwaniem: nie wiedzą, z czego zbudowane jest 95 procent wszechświata. Atomy, które tworzą wszystko, co widzimy wokół nas, stanowią jedynie marne 5 procent. W ciągu ostatnich 80 lat stało się jasne, że znaczna reszta składa się z dwóch cienistych bytów – ciemnej materii i ciemnej energii. Ta pierwsza, odkryta po raz pierwszy w 1933 roku, działa jak niewidzialny klej, wiążąc ze sobą galaktyki i gromady galaktyk. Ta druga, odkryta w 1998 roku, popycha ekspansję wszechświata do coraz większych prędkości. Astronomowie zbliżają się do poznania prawdziwej tożsamości tych niewidzialnych intruzów.

Jak zaczęło się życie?

Cztery miliardy lat temu coś zaczęło mieszać się w pierwotnej zupie. Kilka prostych związków chemicznych połączyło się i stworzyło biologię – pojawiły się pierwsze cząsteczki zdolne do replikowania się. My, ludzie, jesteśmy powiązani ewolucyjnie z tymi pierwszymi biologicznymi molekułami. Ale w jaki sposób podstawowe substancje chemiczne obecne na początku Ziemi spontanicznie ułożyły się w coś przypominającego życie? Jak powstało DNA? Jak wyglądały pierwsze komórki? Ponad pół wieku po tym, jak chemik Stanley Miller zaproponował swoją teorię „pierwotnej zupy”, wciąż nie możemy dojść do porozumienia, co się stało. Niektórzy twierdzą, że życie zaczęło się w gorących basenach w pobliżu wulkanów, inni, że zapoczątkowały je meteoryty uderzające w morze.

Czy jesteśmy sami we wszechświecie?

Być może nie. Astronomowie przeszukują wszechświat w poszukiwaniu miejsc, gdzie wodne światy mogły dać początek życiu, od Europy i Marsa w naszym Układzie Słonecznym po planety odległe o wiele lat świetlnych. Teleskopy radiowe podsłuchiwały niebo i w 1977 roku usłyszano sygnał noszący potencjalne znamiona wiadomości od kosmitów. Astronomowie są obecnie w stanie skanować atmosfery obcych światów w poszukiwaniu tlenu i wody. Następne kilkadziesiąt lat będzie ekscytującym czasem dla łowców kosmitów – w naszej Drodze Mlecznej jest aż 60 miliardów potencjalnie nadających się do zamieszkania planet.

Co czyni nas ludźmi?

Samo spojrzenie na swoje DNA nic ci nie powie – ludzki genom jest w 99 procentach identyczny z genomem szympansa, a w 50 procentach z genomem banana. Mamy jednak większe mózgi niż większość zwierząt – nie największe, ale wyposażone w trzy razy więcej neuronów niż goryl (dokładnie 86 miliardów). Wiele z rzeczy, które kiedyś uważaliśmy za wyróżniające nas – język, posługiwanie się narzędziami, rozpoznawanie się w lustrze – widzimy u innych zwierząt. Być może to nasza kultura – i jej późniejszy wpływ na nasze geny (i vice versa) – czyni różnicę. Naukowcy uważają, że gotowanie i opanowanie ognia mogły pomóc nam w uzyskaniu dużych mózgów. Ale możliwe, że nasza zdolność do współpracy i handlu umiejętnościami jest tym, co naprawdę sprawia, że jest to planeta ludzi, a nie małp.

Czym jest świadomość?

Nadal nie jesteśmy pewni. Wiemy, że ma to związek z różnymi regionami mózgu połączonymi w sieć, a nie z pojedynczą częścią mózgu. Myślenie idzie w tym kierunku, że jeśli dowiemy się, które kawałki mózgu są zaangażowane i jak działa obwód neuronalny, dowiemy się, jak pojawia się świadomość, coś, w czym może pomóc sztuczna inteligencja i próby budowania mózgu neuron po neuronie. Trudniejsze, bardziej filozoficzne pytanie brzmi, dlaczego cokolwiek powinno być świadome w pierwszej kolejności.

Dobrą sugestią jest to, że poprzez integrację i przetwarzanie wielu informacji, jak również skupienie się i blokowanie, a nie reagowanie na bombardujące nas bodźce sensoryczne, możemy rozróżnić co jest prawdziwe, a co nie i wyobrazić sobie wiele przyszłych scenariuszy, które pomagają nam się przystosować i przetrwać.

Dlaczego śnimy?

Spędzamy około jednej trzeciej naszego życia śpiąc. Biorąc pod uwagę, ile czasu na to poświęcamy, można by pomyśleć, że wiemy o tym wszystko. Jednak naukowcy wciąż szukają pełnego wyjaśnienia, dlaczego śpimy i śnimy. Zwolennicy poglądów Zygmunta Freuda uważali, że sny są wyrazem niespełnionych pragnień – często seksualnych – podczas gdy inni zastanawiają się, czy sny są czymś innym niż przypadkowymi odpaleniami śpiącego mózgu.

Badania na zwierzętach i postępy w obrazowaniu mózgu doprowadziły nas do bardziej złożonego zrozumienia, które sugeruje, że sen może odgrywać rolę w pamięci, uczeniu się i emocjach. Na przykład wykazano, że szczury odtwarzają swoje doświadczenia na jawie w snach, co najwyraźniej pomaga im w rozwiązywaniu złożonych zadań, takich jak nawigacja w labiryncie.

Dlaczego istnieją rzeczy?

Naprawdę nie powinno cię tu być. To, z czego jesteś zrobiony, to materia, która ma swój odpowiednik zwany antymaterią, różniący się jedynie ładunkiem elektrycznym. Kiedy się spotykają, obie znikają w błysku energii.

Nasze najlepsze teorie sugerują, że Wielki Wybuch stworzył równe ilości obu, co oznacza, że cała materia powinna od tego czasu napotkać swój odpowiednik antymaterii, niszcząc je obie i pozostawiając wszechświat zalany jedynie energią. Najwyraźniej natura ma subtelne upodobanie do materii, w przeciwnym razie nie istniałbyś. Naukowcy przesiewają dane z Wielkiego Zderzacza Hadronów, próbując zrozumieć dlaczego, z supersymetrią i neutrinami jako dwoma głównymi pretendentami.

Czy istnieją inne wszechświaty?

Nasz wszechświat jest bardzo mało prawdopodobnym miejscem. Zmieniając choćby nieznacznie niektóre jego ustawienia, życie, jakie znamy, staje się niemożliwe. Próbując rozwiązać ten problem „dostrojenia”, fizycy coraz częściej zwracają się ku pojęciu innych wszechświatów. Jeśli istnieje ich nieskończona liczba w „multiwersum”, to każda kombinacja ustawień będzie gdzieś odgrywana i oczywiście znajdziesz się we wszechświecie, w którym jesteś w stanie istnieć. Może to brzmieć szalenie, ale dowody z kosmologii i fizyki kwantowej wskazują na ten kierunek.

Gdzie umieścimy cały węgiel?

Od kilkuset lat wypełniamy atmosferę dwutlenkiem węgla – uwalniając go poprzez spalanie paliw kopalnych, które kiedyś zamknęły węgiel pod powierzchnią Ziemi. Teraz musimy umieścić cały ten węgiel z powrotem, albo zaryzykować konsekwencje ocieplenia klimatu. Ale jak to zrobić? Jednym z pomysłów jest zakopanie go w starych złożach ropy i gazu. Innym jest ukrycie go na dnie morza. Nie wiemy jednak, jak długo tam pozostanie, ani jakie może być ryzyko. W międzyczasie musimy chronić naturalne, długotrwałe magazyny węgla, takie jak lasy i torfowiska, oraz zacząć wytwarzać energię w sposób, który nie spowoduje wydobycia jeszcze większej jej ilości.

Jak uzyskać więcej energii ze Słońca?

Kończące się zasoby paliw kopalnych oznaczają, że potrzebujemy nowego sposobu zasilania naszej planety. Nasza najbliższa gwiazda oferuje więcej niż jedno możliwe rozwiązanie. Już teraz wykorzystujemy energię słoneczną do produkcji energii słonecznej. Innym pomysłem jest wykorzystanie energii światła słonecznego do rozbicia wody na jej części składowe: tlen i wodór, które mogłyby stanowić czyste paliwo dla samochodów przyszłości. Naukowcy pracują również nad rozwiązaniem energetycznym, które polega na odtworzeniu procesów zachodzących wewnątrz samych gwiazd – budują maszynę do fuzji jądrowej. Jest nadzieja, że te rozwiązania mogą zaspokoić nasze potrzeby energetyczne.

Co jest takiego dziwnego w liczbach pierwszych?

To, że możesz bezpiecznie robić zakupy w Internecie, zawdzięczamy liczbom pierwszym – cyfrom, które mogą się dzielić tylko przez siebie i przez jeden. Szyfrowanie z kluczem publicznym – serce handlu internetowego – wykorzystuje liczby pierwsze do tworzenia kluczy, które są w stanie zabezpieczyć poufne informacje przed ciekawskimi oczami. A jednak, pomimo ich fundamentalnego znaczenia dla naszego codziennego życia, liczby pierwsze pozostają zagadką. Widoczny wzór w ich obrębie – hipoteza Riemanna – od wieków niepokoi najbystrzejsze umysły matematyczne. Jednak jak dotąd nikt nie był w stanie okiełznać ich dziwactwa. Zrobienie tego może po prostu zniszczyć Internet.

Jak pokonać bakterie?

Antybiotyki są jednym z cudów współczesnej medycyny. Nagrodzone Noblem odkrycie Sir Alexandra Fleminga doprowadziło do powstania leków, które zwalczały niektóre z najbardziej śmiertelnych chorób i umożliwiły operacje, przeszczepy i chemioterapię. Dziedzictwo to jest jednak zagrożone – w Europie każdego roku około 25 000 osób umiera z powodu wielolekoopornych bakterii. Nasza linia produkcyjna leków od dziesięcioleci się kurczy, a my pogarszamy ten problem poprzez nadmierne przepisywanie i nadużywanie antybiotyków – szacuje się, że 80 procent antybiotyków w Stanach Zjednoczonych przeznacza się na pobudzanie wzrostu zwierząt hodowlanych. Na szczęście, pojawienie się sekwencjonowania DNA pomaga nam odkryć antybiotyki, o których istnieniu bakterie nie miały pojęcia. Wraz z innowacyjnymi, choć obrzydliwie brzmiącymi metodami, takimi jak przeszczepianie „dobrych” bakterii z kału oraz poszukiwanie nowych bakterii głęboko w oceanach, możemy jeszcze utrzymać przewagę w tym wyścigu zbrojeń z organizmami starszymi o 3 miliardy lat.

Czy komputery mogą być coraz szybsze?

Nasze tablety i smartfony to minikomputery, które zawierają więcej mocy obliczeniowej niż astronauci zabrali na Księżyc w 1969 roku. Ale jeśli chcemy nadal zwiększać ilość mocy obliczeniowej, którą nosimy w naszych kieszeniach, jak mamy zamiar to zrobić? Jest tylko tyle komponentów, które można upchnąć na chipie komputerowym. Czy limit został już osiągnięty, czy może istnieje inny sposób na stworzenie komputera? Naukowcy rozważają nowe materiały, takie jak atomowo cienki węgiel – grafen – a także nowe systemy, takie jak obliczenia kwantowe.

Czy kiedykolwiek wyleczymy raka?

Krótka odpowiedź brzmi: nie. Nie jest to pojedyncza choroba, ale luźna grupa wielu setek chorób, rak istnieje od czasów dinozaurów, a będąc spowodowanym przez genów haywire, ryzyko jest ciężko wired w nas wszystkich. Im dłużej żyjemy, tym większe prawdopodobieństwo, że coś może pójść nie tak, na wiele sposobów. Bo rak to żywa rzecz – ciągle ewoluuje, aby przetrwać.

Jednak, choć niewiarygodnie skomplikowana, dzięki genetyce dowiadujemy się coraz więcej o tym, co go powoduje, jak się rozprzestrzenia i stajemy się lepsi w leczeniu i zapobieganiu mu. I wiedz jedno: aż połowie wszystkich nowotworów – 3,7 miliona rocznie – można zapobiec; rzuć palenie, pij i jedz umiarkowanie, bądź aktywny i unikaj długotrwałej ekspozycji na południowe słońce.

Kiedy będę mógł mieć lokaja-robota?

Roboty potrafią już podawać drinki i nosić walizki. Nowoczesna robotyka może nam zaoferować „personel” składający się z indywidualnie wyspecjalizowanych robotów: przygotowują one twoje zamówienia z Amazona do dostarczenia, doją twoje krowy, sortują twoją pocztę elektroniczną i przewożą cię między terminalami lotniczymi. Ale prawdziwie „inteligentny” robot wymaga od nas rozprawienia się ze sztuczną inteligencją. Prawdziwe pytanie brzmi, czy zostawilibyśmy robotycznego kamerdynera samego w domu z babcią. A ponieważ Japonia dąży do tego, aby do 2025 roku robotami opiekowali się jej starsi mieszkańcy, już teraz mocno się nad tym zastanawiamy.

Co jest na dnie oceanu?

Dziewięćdziesiąt pięć procent oceanu jest niezbadane. Co jest tam na dole? W 1960 roku Don Walsh i Jacques Piccard zjechali siedem mil w dół, do najgłębszej części oceanu, w poszukiwaniu odpowiedzi. Ich podróż przesunęła granice ludzkiego wysiłku, ale dała im tylko namiastkę życia na dnie morza. Dotarcie na dno oceanu jest tak trudne, że w większości przypadków musimy uciekać się do wysyłania bezzałogowych pojazdów jako zwiadowców.

Odkrycia, których dokonaliśmy do tej pory – od dziwacznych ryb, takich jak barreleye, z przezroczystą głową, do potencjalnego leku na Alzheimera stworzonego przez skorupiaki – stanowią niewielki ułamek dziwnego świata ukrytego pod falami.

Co jest na dnie czarnej dziury?

To pytanie, na które nie mamy jeszcze narzędzi, by odpowiedzieć. Ogólna względność Einsteina mówi, że kiedy czarna dziura powstaje w wyniku umierania, zapadania się masywnej gwiazdy, zapada się ona aż do utworzenia nieskończenie małego, nieskończenie gęstego punktu zwanego osobliwością.

Ale w takich skalach fizyka kwantowa prawdopodobnie też ma coś do powiedzenia. Z tym, że ogólna względność i fizyka kwantowa nigdy nie były najszczęśliwszymi partnerami – przez dziesięciolecia opierały się wszelkim próbom ich zjednoczenia. Jednak najnowszy pomysł – nazwany M-Teorią – może pewnego dnia wyjaśnić niewidzialne centrum jednego z najbardziej ekstremalnych tworów wszechświata.

Czy możemy żyć wiecznie?

Żyjemy w niesamowitych czasach: zaczynamy myśleć o „starzeniu się” nie jako o fakcie życia, ale o chorobie, którą można leczyć i ewentualnie jej zapobiegać, a przynajmniej odkładać na bardzo długi czas. Nasza wiedza o tym, co powoduje, że się starzejemy – i co pozwala niektórym zwierzętom żyć dłużej niż innym – szybko się poszerza.

I choć nie do końca dopracowaliśmy wszystkie szczegóły, wskazówki, które zbieramy na temat uszkodzeń DNA, równowagi starzenia się, metabolizmu i sprawności reprodukcyjnej, plus geny, które to regulują, wypełniają większy obraz, potencjalnie prowadząc do leczenia farmakologicznego.

Ale prawdziwe pytanie nie brzmi: jak będziemy żyć dłużej, ale jak będziemy żyć dłużej w dobrym zdrowiu. A ponieważ wiele chorób, takich jak cukrzyca i rak, to choroby związane ze starzeniem się, leczenie samego starzenia się może być kluczem.

Jak rozwiązać problem populacji?

Od lat 60. liczba ludzi na naszej planecie podwoiła się do ponad 7 miliardów i oczekuje się, że do 2050 roku będzie nas co najmniej 9 miliardów. Gdzie my wszyscy będziemy mieszkać i jak będziemy produkować wystarczającą ilość żywności i paliwa dla naszej stale rosnącej populacji? Może wyślemy wszystkich na Marsa albo zaczniemy budować bloki mieszkalne pod ziemią. Moglibyśmy nawet zacząć karmić się mięsem hodowanym w laboratoriach. Te rozwiązania mogą brzmieć jak science-fiction, ale być może będziemy musieli zacząć traktować je bardziej poważnie.

Czy podróże w czasie są możliwe?

Podróżnicy w czasie już chodzą wśród nas. Dzięki teorii szczególnej względności Einsteina, astronauci krążący po orbicie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej doświadczają wolniejszego upływu czasu. Przy tej prędkości efekt jest znikomy, ale zwiększ prędkość i efekt ten oznacza, że pewnego dnia ludzie mogą podróżować tysiące lat w przyszłość. Natura wydaje się nie przepadać za ludźmi podróżującymi w drugą stronę i powracającymi do przeszłości, jednak niektórzy fizycy stworzyli skomplikowany plan, jak to zrobić przy użyciu tuneli czasoprzestrzennych i statków kosmicznych. To może być nawet używany do wręczenia sobie prezent na Boże Narodzenie, lub odpowiedzieć na niektóre z wielu pytań, które otaczają wszechświata wielkie unknowns.

„The Big Questions in Science: The Quest to Solve the Great Unknowns,” jest wydawany przez Andre Deutsch.