Vetenskapens stora okända frågor: 20 olösta frågor

Vad består universum av?

LONDON – Astronomer står inför en pinsam gåta: de vet inte vad 95 procent av universum består av. Atomer, som bildar allt vi ser omkring oss, utgör endast ynka 5 procent. Under de senaste 80 åren har det blivit klart att den betydande resten består av två skuggiga enheter – mörk materia och mörk energi. Den förstnämnda, som upptäcktes första gången 1933, fungerar som ett osynligt lim som binder ihop galaxer och galaxhopar. Den senare, som avslöjades 1998, driver universums expansion mot allt högre hastigheter. Astronomer börjar nu närma sig dessa osynliga inkräktare.

Hur började livet?

För fyra miljarder år sedan började något röra på sig i den primordiala soppan. Några enkla kemikalier samlades och skapade biologi – de första molekylerna som kunde replikera sig själva dök upp. Vi människor är genom evolutionen kopplade till dessa tidiga biologiska molekyler. Men hur ordnade sig de grundläggande kemikalier som fanns på den tidiga jorden spontant till något som liknar liv? Hur fick vi DNA? Hur såg de första cellerna ut? Mer än ett halvt sekel efter att kemisten Stanley Miller lade fram sin teori om ”primordial soppa” kan vi fortfarande inte enas om vad som hände. Vissa säger att livet började i varma bassänger nära vulkaner, andra att det startades av meteoriter som slog ner i havet.

Är vi ensamma i universum?

Kanske inte. Astronomer har skummat universum efter platser där vattenvärldar kan ha gett upphov till liv, från Europa och Mars i vårt solsystem till planeter många ljusår bort. Radioteleskop har tjuvlyssnat på himlen och 1977 hördes en signal som bar de potentiella kännetecknen för ett utomjordiskt meddelande. Astronomer kan nu söka efter syre och vatten i atmosfären hos främmande världar. De kommande decennierna kommer att bli en spännande tid för utomjordiska jägare med upp till 60 miljarder potentiellt beboeliga planeter bara i vår Vintergata.

Vad gör oss till människor?

Det räcker inte med att titta på ditt DNA för att få reda på det – den mänskliga arvsmassan är till 99 procent identisk med en schimpans och, för den delen, till 50 procent med en banan. Vi har dock större hjärnor än de flesta djur – inte de största, men packade med tre gånger så många neuroner som en gorilla (86 miljarder för att vara exakt). Många av de saker som vi en gång trodde var utmärkande för oss – språk, användning av verktyg, att känna igen sig själv i spegeln – ses hos andra djur. Kanske är det vår kultur – och dess efterföljande effekt på våra gener (och vice versa) – som gör skillnaden. Forskare tror att matlagning och vår behärskning av elden kan ha hjälpt oss att få stora hjärnor. Men det är möjligt att vår förmåga till samarbete och handel med färdigheter är det som verkligen gör detta till en planet med människor och inte apor.

Vad är medvetande?

Vi är fortfarande inte riktigt säkra. Vi vet dock att det har att göra med olika hjärnregioner som är sammankopplade i nätverk snarare än en enskild del av hjärnan. Tanken är att om vi tar reda på vilka delar av hjärnan som är inblandade och hur de neurala kretsarna fungerar, kommer vi att ta reda på hur medvetandet uppstår, något som artificiell intelligens och försök att bygga upp en hjärna neuron för neuron kan hjälpa till med. Den svårare, mer filosofiska frågan är varför något skulle vara medvetet överhuvudtaget.

Ett bra förslag är att vi genom att integrera och bearbeta massor av information, samt genom att fokusera och blockera i stället för att reagera på de sensoriska inflöden som bombarderar oss, kan vi skilja mellan vad som är verkligt och vad som inte är det och föreställa oss flera framtidsscenarier som hjälper oss att anpassa oss och överleva.

Varför drömmer vi?

Vi tillbringar omkring en tredjedel av våra liv med att sova. Med tanke på hur mycket tid vi ägnar åt det skulle man kunna tro att vi vet allt om det. Men forskare söker fortfarande efter en fullständig förklaring till varför vi sover och drömmer. De som anslöt sig till Sigmund Freuds synsätt trodde att drömmar var uttryck för ouppfyllda önskningar – ofta sexuella – medan andra undrar om drömmar är något annat än slumpmässiga avfyrningar i en sovande hjärna.

Djursstudier och framsteg inom hjärnavbildningen har lett oss till en mer komplex förståelse som antyder att drömmar skulle kunna spela en roll för minne, inlärning och känslor. Råttor har till exempel visat sig spela upp sina vakna upplevelser i drömmar, vilket tydligen hjälper dem att lösa komplexa uppgifter som att navigera i labyrinter.

Varför finns det saker?

Du borde verkligen inte vara här. De ”saker” du är gjorda av är materia, som har en motsvarighet som kallas antimateria och som endast skiljer sig åt i elektrisk laddning. När de möts försvinner båda i en blixt av energi.

Våra bästa teorier tyder på att big bang skapade lika stora mängder av de två, vilket innebär att all materia sedan dess borde ha stött på sin motsvarighet i antimateria, vilket har gjort att de båda har försvunnit och lämnat universum översköljt av enbart energi. Naturen har uppenbarligen en subtil förkärlek för materia, annars skulle ni inte existera. Forskare försöker förstå varför genom att granska data från Large Hadron Collider, med supersymmetri och neutriner som de två främsta kandidaterna.

Är det andra universum?

Vårt universum är en mycket osannolik plats. Om man ändrar några av dess inställningar ens en aning och livet som vi känner det blir omöjligt. I ett försök att lösa detta ”finjusteringsproblem” vänder sig fysikerna i allt större utsträckning till föreställningen om andra universum. Om det finns ett oändligt antal av dem i ett ”multiversum” skulle varje kombination av inställningar spelas ut någonstans, och naturligtvis befinner man sig i det universum där man kan existera. Det kan låta galet, men bevis från kosmologi och kvantfysik pekar i den riktningen.

Var lägger vi allt kol?

Under de senaste hundra åren har vi fyllt atmosfären med koldioxid – vi har släppt ut den genom att bränna fossila bränslen som en gång i tiden låste in kolet under jordytan. Nu måste vi lägga tillbaka allt detta kol, annars riskerar vi konsekvenserna av ett varmare klimat. Men hur gör vi det? En idé är att gräva ner det i gamla olje- och gasfält. En annan är att gömma det på havets botten. Men vi vet inte hur länge det kommer att stanna där, eller vilka riskerna kan vara. Under tiden måste vi skydda naturliga, långvariga kolförråd, som skogar och torvmossar, och börja producera energi på ett sätt som inte ger upphov till ännu mer.

Hur får vi mer energi från solen?

De krympande förråden av fossila bränslen innebär att vi behöver ett nytt sätt att driva vår planet. Vår närmaste stjärna erbjuder mer än en möjlig lösning. Vi utnyttjar redan solens energi för att producera solenergi. En annan idé är att använda energin i solljuset för att dela upp vatten i dess beståndsdelar: syre och väte, vilket skulle kunna bli ett rent bränsle för framtidens bilar. Forskarna arbetar också på en energilösning som är beroende av att återskapa de processer som pågår i själva stjärnorna – de bygger en maskin för kärnfusion. Förhoppningen är att dessa lösningar ska kunna tillgodose våra energibehov.

Vad är så konstigt med primtal?

Det faktum att du kan handla säkert på Internet är tack vare primtal – de siffror som bara kan delas med sig själva och ett. Vid kryptering av offentliga nycklar – hjärtat i internethandeln – används primtal för att skapa nycklar som kan låsa in din känsliga information från nyfikna ögon. Trots att primtalen har en grundläggande betydelse för vår vardag är de fortfarande en gåta. Ett uppenbart mönster i dem – Riemannhypotesen – har i århundraden lockat några av de smartaste hjärnorna inom matematiken. Ännu har dock ingen lyckats tämja deras konstigheter. Om man gör det kan man kanske knäcka internet.

Hur besegrar vi bakterier?

Antibiotika är ett av miraklen inom den moderna medicinen. Sir Alexander Flemings Nobelprisbelönade upptäckt ledde till läkemedel som bekämpade några av de dödligaste sjukdomarna och gjorde kirurgi, transplantationer och kemoterapi möjliga. Men detta arv är i fara – i Europa dör cirka 25 000 människor varje år av multiresistenta bakterier. Vår läkemedelspipeline har spunnit i årtionden och vi har förvärrat problemet genom överförskrivning och missbruk av antibiotika – uppskattningsvis 80 procent av antibiotikan i USA går till att öka tillväxten hos lantbruksdjur. Tack och lov hjälper DNA-sekvensering oss att upptäcka antibiotika som vi inte visste att bakterier kunde producera. Tillsammans med innovativa, om än äckligt klingande, metoder som att transplantera ”goda” bakterier från avföring och sökandet efter nya bakterier djupt inne i haven, kan vi fortfarande hålla jämna steg i denna kapprustning med organismer som är tre miljarder år äldre än vi.

Kan datorer fortsätta att bli snabbare?

Våra surfplattor och smarttelefoner är minidatorer som innehåller mer datorkraft än vad astronauterna tog med sig till månen 1969. Men om vi vill fortsätta att öka mängden datorkraft som vi bär runt på i våra fickor, hur ska vi då göra det? Det finns bara ett visst antal komponenter som man kan klämma in i ett datachip. Har gränsen nåtts, eller finns det ett annat sätt att tillverka en dator? Forskarna överväger nya material, till exempel atomtunt kol – grafen – och nya system, till exempel kvantdatorer.

Vi kommer någonsin att bota cancer?

Det korta svaret är nej. Cancer är inte en enskild sjukdom, utan en lös grupp av många hundra sjukdomar, och har funnits sedan dinosaurierna, och eftersom den orsakas av felkopplade gener är risken fast inbyggd i oss alla. Ju längre vi lever, desto större är sannolikheten att något kan gå fel, på många olika sätt. Cancer är nämligen en levande varelse som ständigt utvecklas för att överleva.

Men även om det är otroligt komplicerat, lär vi oss mer och mer om vad som orsakar cancer, hur den sprids och blir bättre på att behandla och förebygga den genom genetik. Och vet detta: upp till hälften av alla cancerformer – 3,7 miljoner per år – kan förebyggas genom att sluta röka, dricka och äta måttligt, vara aktiv och undvika långvarig exponering för middagssolen.

När kan jag få en robotbutler?

Robotar kan redan servera drinkar och bära resväskor. Modern robotik kan erbjuda oss en ”personal” av individuellt specialiserade robotar: de förbereder dina Amazon-beställningar för leverans, mjölkar dina kor, sorterar din e-post och transporterar dig mellan flygplatsterminaler. Men en verkligt ”intelligent” robot kräver att vi knäcker artificiell intelligens. Den verkliga frågan är om du skulle lämna en robotbutler ensam i huset med din mormor. Och eftersom Japan har som mål att ha robothjälpmedel som tar hand om de äldre år 2025, tänker vi mycket på det nu.

Vad finns på havets botten?

Nyckelfem procent av havet är outforskat. Vad finns där nere? År 1960 reste Don Walsh och Jacques Piccard sju mil ner, till den djupaste delen av havet, i jakt på svar. Deras resa tänjde på människans gränser, men gav dem bara en glimt av livet på havsbotten. Det är så svårt att ta sig ner till havets botten att vi för det mesta måste ta till att skicka obemannade farkoster som spanare.

De upptäckter som vi har gjort hittills – från bisarra fiskar som t.ex. barrelye, med sitt genomskinliga huvud, till en potentiell behandling av Alzheimers som tillverkas av kräftdjur – är en liten bråkdel av den märkliga värld som döljer sig under vågorna.

Vad finns på botten av ett svart hål?

Det är en fråga vi ännu inte har verktygen för att besvara. Einsteins allmänna relativitetsteori säger att när ett svart hål skapas av en döende, kollapsande massiv stjärna fortsätter det att falla in tills det bildar en oändligt liten, oändligt tät punkt som kallas singularitet.

Men på sådana skalor har kvantfysiken förmodligen också något att säga. Förutom att allmän relativitetsteori och kvantfysik aldrig har varit de lyckligaste av sängkamrater – i årtionden har de stått emot alla försök att förena dem. En ny idé – kallad M-teori – kan dock en dag förklara det osynliga centrumet i en av universums mest extrema skapelser.

Kan vi leva för evigt?

Vi lever i en fantastisk tid: vi börjar tänka på ”åldrandet” inte som ett faktum i livet, utan som en sjukdom som kan behandlas och möjligen förebyggas eller åtminstone skjutas upp under en mycket lång tid. Vår kunskap om vad som får oss att åldras – och vad som gör att vissa djur lever längre än andra – ökar snabbt.

Och även om vi inte riktigt har räknat ut alla detaljer, fyller de ledtrådar vi samlar in om DNA-skador, balansen mellan åldrande, ämnesomsättning och fortplantningsförmåga, plus de gener som reglerar detta, ut en större bild, som potentiellt kan leda till läkemedelsbehandlingar.

Men den verkliga frågan är inte hur vi kommer att leva längre, utan hur vi kommer att leva bra längre. Och eftersom många sjukdomar, t.ex. diabetes och cancer, är sjukdomar som beror på åldrande, kan behandling av själva åldrandet vara nyckeln.

Hur löser vi befolkningsproblemet?

Antalet människor på vår planet har fördubblats till mer än 7 miljarder sedan 1960-talet, och man räknar med att vi kommer att vara minst 9 miljarder år 2050. Var ska vi alla bo och hur ska vi få fram tillräckligt med mat och bränsle för vår ständigt växande befolkning? Kanske kan vi skeppa iväg alla till Mars eller börja bygga hyreshus under jord. Vi skulle till och med kunna börja mata oss själva med laboratorieodlat kött. Detta kan låta som science fiction-lösningar, men vi kanske måste börja ta dem på större allvar.

Är tidsresor möjliga?

Tidsresenärer vandrar redan bland oss. Tack vare Einsteins speciella relativitetsteori upplever astronauter i omloppsbana på den internationella rymdstationen att tiden tickar långsammare. I den hastigheten är effekten minimal, men om man ökar hastigheten innebär effekten att människor en dag kan resa tusentals år in i framtiden. Naturen verkar vara mindre förtjust i att människor går åt andra hållet och återvänder till det förflutna, men vissa fysiker har utarbetat en detaljerad plan för ett sätt att göra det med hjälp av maskhål och rymdskepp. Det skulle till och med kunna användas för att ge dig själv en julklapp på juldagen, eller för att besvara några av de många frågor som omger universums stora okända.

”The Big Questions in Science: The Quest to Solve the Great Unknowns” publiceras av Andre Deutsch.