史上曾被认为不可能的十大科学难题全被实现

点击：  作者：记者    来源：人工智能学家微信公众号  发布时间:2020-12-05 09:56:49

 

对于科学家来说，好像没有什么事情是不可能做到的。纵观科学发展史，我们便会发现，一个又一个看似“不可能的任务”最终都成为可能，例如利用核能、上演太空飞行、创建力场以及远距离传物。

 

几个世纪前，很多人还认为这些事情是不可能办到的，但近些年来，一些“明知不可为而为之”的人却开始迈进“可能”大门。

 

分析恒星组成

 

 

在1842年著作《实证哲学》中，法国哲学家奥古斯特·孔德曾这样描述恒星：“我们永远不可能了解它们的内部结构，对于其中一些恒星，我们也不可能了解它们的大气层如何吸收热量。”在提到行星时，这位哲学家也持相同论调，他这样写道：“我们永远不会知道它们的化学或者矿物学结构，更不要说了解生活在它们表面的有组织的生物了。”

 

实际上，孔德之所以得出这种结论是有依据的——恒星和行星与地球之间距离太远，已超出我们的视觉和几何学极限。他指出，虽然能够计算它们的距离、运动和质量，但除此之外，我们不会了解任何东西；我们没有任何一种方式能够对恒星和行星进行化学分析。

 

具有讽刺意味的是，事实最终证明这位大哲学家的话大错特错。19世纪初，威廉·海德·沃勒斯顿和约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫均发现太阳光谱中含有大量黑线。截止到1859年，黑线的秘密已被进一步揭开，此时的名字已变成“原子吸收线”。通过分析这种类型的线，我们便可确定存在于太阳之上的每一种化学元素，进而让发现恒星组成成分成为一种可能。

 

确定陨石存在

 

 

在整个文艺复兴时期和现代科学发展初期，天文学家一直拒绝承认陨石存在。认为这些石头来自太空的想法也一度被打上“迷信”和“异教学说”标签，反对者指出，上帝怎么会创造一个如此混乱的宇宙呢？

 

当时，法国科学院曾做出这样的著名论断——“天上不可能掉石头”。火球和石头撞击地面的报告一直被视为谣言和传说，这些石头也一度被解释为“雷石”，即雷击的产物。

 

直到1794年，否认陨石存在的论断才宣告结束，当时，恩斯特·克拉德尼——因有关振动和声学的著作而闻名于世的物理学家——在一部著作中指出，陨石应该来自外太空。1790年，法国巴伯坦地区下了一场“石头雨”(石头从天而降)，当时有300人目击了这一过程。也正是这场“石头雨”促使克拉德尼发表了他的著作。

 

然而，克拉德尼的大作《帕拉斯铁类似物质以及相关自然现象由来》(On the Origin of the Pallas Iron and Others Similar to it, and on Some Associated Natural Phenomena)最终未能逃出被奚落和嘲笑的命运。直到1803年，他的蒙冤才得以昭雪，当时，吉恩-巴普迪斯特·毕奥对法国莱格勒地区上演的另一场“石头雨”进行了分析，并发现确凿证据证明这些石头确实来自太空。

 

重于空气的飞行器

 

大量科学家和工程师曾自信地指出，重于空气的飞行是不可能做到的，对于赖特兄弟飞行试验，这种论断无疑是一个令人晦气的前奏，反对者认为，这对兄弟的飞行梦想根本不可能实现。

 

在所有持这种论调的人中，凯尔文勋爵可能是最为著名的一个。他早在1895年便声称，“不可能制造出重于空气的飞行器”。然而就在8年之后，赖特兄弟便用铁一般的事实证明他的论断是多么荒谬可笑。

 

而更令人不可思议的是，就在凯尔文做出这种声名狼藉的论断时，科学家和工程师却快速接近重于空气飞行这一目标。自18世纪晚期以来，人类便开始乘气球飞行，截止到19世纪晚期，气球已在人力控制范围之内。

 

而包括费利克斯·杜·坦普尔的单翼飞机在内的几种设计，也都顺利飞入蓝天，只不过飞行时间较为短暂罢了。说到这，我们难免产生这样的疑问——为什么有人要对重于空气飞行持怀疑观点呢？

 

这个问题要追溯到1716年，当时，科学家和神学家伊曼纽尔·斯维登伯格在一篇文章中描述了一种飞行器的设计。他这样写道：“这种飞行器似乎说起来容易做起来难，相较于人的身体来说，它要求更大的动力和更轻的重量。”

 

与其它很多设计一样，斯维登伯格的飞行器也建立在拍翼机械装置之上。也就是说，在重于空气的飞行成为可能前，我们必须设计出真正有效的两个翼。首先，两个拍打的翼不得不被滑行机械装置取代。

 

其次，工程师必须有能力做到更理想的能量供应——内燃机。但颇具讽刺意味的是，尼古劳斯·奥托早在1877年就申请了内燃机专利。

 

进入太空

 

 

从大气飞行到太空飞行无疑是一个质的飞跃，但整个过程远比我们认为的要复杂的多。很长时间以来，将任何物体送入太空和将人类送入轨道的想法便被视为一种无稽之谈。持怀疑观点的人可谓有理有据，因为当时毕竟没有相关技术能够做到这一点。为了实现太空游，飞船必须达到逃逸速度——每秒速度达到11.2公里以上才能冲出地球。如果考虑音障这个因素，飞船的时速只有1238公里。直到1947年，人类才第一次成功突破音障。

 

在儒勒·凡尔纳的小说《从地球到月球》中，这位科幻小说作家建议使用一种巨型加农炮。然而，类似这样的加速度突然爆发会让所有乘员立即丧命。此外，计算结果也显示，加农炮的力量不足以让飞船达到逃逸速度。

 

20世纪初，两名火箭研究员——康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基和罗伯特·戈达德——最终解决了这个问题。齐奥尔科夫斯基的研究工作被苏联之外的国家忽视；在自己的想法惨遭严厉批评之后，戈达德也逐渐淡出公众视线。但不管怎样，科学的前进脚步是不可能被阻止的。1957年，第一颗人造卫星“人造地球卫星1”号发射升空，4年之后，第一艘载人飞船也顺利入主太空。可惜的是，由于过早辞世，齐奥尔科夫斯基和戈达德都未能亲身感受这些激动人心的时刻。

 

利用核能

 

 

1934年12月29日，《匹兹堡邮报》援引阿尔伯特·爱因斯坦的话报道说：“没有任何迹象显示，人类可以获得并利用核能。利用核能意味着可以随意并且不得不将原子撕成碎片。”同一年，也就是在这篇报道刊登之前，恩里科·费米发现，如果用中子轰击铀，铀原子便会分裂成更轻的元素同时释放大量能量。

 

爱因斯坦的怀疑最终在事实面前败下阵来。截止到1939年，人们已加深了对核裂变的了解，研究人员意识到，连锁反应——一旦开始，速度便持续增加——可以产生巨大的爆炸。1942年晚些时候，研究人员在试验中上演了类似的连锁反应。1945年8月6日，第一颗原子弹在广岛上空爆炸。但令人感到讽刺的是，五星上将威廉·莱希曾对时任总统杜鲁门说过这样的说：“我本人就是一名爆炸物专家，在我看来，这是我们做过的最愚蠢的事情，因为这枚炸弹永远不会爆炸。”1954年，苏联凭借奥勃宁斯克核电厂成为第一个使用核能发电的国家。

 

发现高温超导体

 

 

高温超导体无疑是一个怪异的家伙——它上演的超导现象可以被观察和测量，但这种现象本不应该发生。根据有关超导性的完美理论，超导现象不可能在30开氏度以上出现。有意思的是，一些超导体在77开氏度时具有最佳导电性。超导体——电流通过时不受阻力——是在1911年首次发现的。为了见识超导现象，导电材料通常要冷却到绝对零度附近某一特定温度。

 

在以后的50年时间里，科学家陆续发现了很多超导材料，并对它们进行了研究。1957年，约翰·巴丁、利昂·库珀和约翰·施里弗提出了有关超导材料的完整理论——“BCS” (取每人姓氏的第一个字母进行组合)理论，详细解释了标准超导体的特性。根据“BCS”理论，超导材料中的电子以所谓的“库柏对”形式移动。如果一个“库柏对”结合得足够牢固，便可经受住材料中原子的任何影响，进而实现零电阻。然而，这一理论也指出，只有在极低温度下才能产生零电阻现象，此时的原子只出现细微振动。

 

在1986年发表的一篇著名论文中，约翰尼斯·格奥尔格·贝德诺尔茨和卡尔·亚历山大·穆勒报告说，他们发现了一种可在最高35开氏度情况下具备超导性的材料，这种材料的发现改变了超导体家族的面貌，二人也因此获得第二年的诺贝尔物理学奖。在此之后，贝德诺尔茨和穆勒又发现了可在更高温度下具备超导性的材料。迄今为止，可观察到的最高温度(在压力情况下)为164开氏度。但在科学研究突飞猛进的今天，这一纪录也许保持不了多长时间。

 

发现黑洞存在

 

 

如果得知基本黑洞理论早在1783年便被首次提出的话，那些认为黑洞属于未来派或者现代派想法的人可能会大为惊讶的。当时，地质学家约翰·米契尔在写给皇家学会的一封信中提到了黑洞。他指出，如果一颗恒星拥有足够大的质量，一个从无限高度向它坠落的天体将获得更大的表面速度——甚至超过光速，从类似这样一个天体发生的所有光线都会因自身引力原路返回。

 

然而，在整个19世纪，存在黑洞一度被视为一个太过荒谬而可笑的想法，原因在于：物理学家认为光是一种以“以太”为媒质的波，可以被假定为无质量，因此对引力具有“免疫性”。直到1915年爱因斯坦提出著名的广义相对论，科学家才不得不严肃对待黑洞理论。根据爱因斯坦相对论的一个重要预测，光线会因引力影响发生弯曲。此后，阿瑟·埃丁顿对日食时的恒星位置进行了测量。测量结果显示，它们发出的光线因为太阳引力发生弯曲，但受当时使用的设备限制，观察到的弯曲效应幅度太小，因此并不可靠——有关黑洞存在的理论是后来正式得到公认的。

 

相对论确立后，黑洞便成为一个严肃的课题，苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡等理论学家都详细阐明过它们的特性。在此之后，天文学家便开始寻找黑洞踪影。越来越多的证据证明，黑洞与宇宙中很多星系(包括银河系在内)中央的天体具有相似性，它们是产生高能宇宙射线的最大天体。然而，争论并没有完全停止。2007年公布的一个有争议的计算结果显示，在恒星塌陷成黑洞过程中，大量物体被抛出“母体”，由于质量减少，它们不可能形成真正的黑洞。

 

创建力场

 

 

创建力场是科幻小说中的一个经典段落，由于“等离子窗”的发明，创建力场最终于1995年成为一种现实。“等离子窗”由布克海文国家实验室的阿迪·赫什科维奇一手设计，它可以利用磁场让一个小空间充满等离子体或者离子化气体。赫什科维奇和Acceleron公司共同开发的“等离子窗”被用于降低电子束焊接的能耗。

 

“等离子窗”拥有绝大多数与力场有关的特性。它能有效阻隔物质，可以充当真空与大气间的一道屏障。此外，它允许激光和电子束畅通无阻地穿过；如果将氩气作为等离子的工作气体，它甚至可以发出蓝光。唯一的缺点就是需要巨大能量才能产生任何尺寸的“等离子窗”——当前的样品都是一些小个子。从理论上说，研制更大“等离子窗”的可能性是存在的。

 

打造隐形技术

 

 

隐形是另一个带有科幻色彩的技术，从理查德·瓦格纳的歌剧《莱茵河的黄金》到赫·乔·韦尔斯的《隐形人》再到“哈里·波特”魔幻系列，隐形技术可谓是无处不在。

 

实际上，任何物理学定律都没有规定隐形是不可能的，最近取得的进步意味着，一些确定类型的遮蔽装置已经成为可能。过去几年来，我们一定听说过大量与“隐形斗篷”试验有关的报道，一款基本设计也已于2006年问世。这些装置依靠“超材料”引导物体周围的光线。

 

第一件“隐形斗篷”只能对微小物体起作用，并且是在微波环境下。很显然，对这种设计进行修改使其用于可见光环境无疑是一个巨大挑战，幸运的是，这种修改在1年之后便可完成，虽然作用范围只达到两个维度和微米(百万分之一米)。毫无疑问，制造一件真正意义上的“隐形斗篷”所要面临的工程学挑战仍然令人畏惧。

 

实现远距离传物

 

 

 “远距离传物”这个词已经有很多年历史了，但对于这种带有强烈科幻色彩的技术，人们也一直持怀疑态度。在作家和超自然现象学家查尔斯·福特的著作《Lo!》中，人们第一次听说远距离传物。此后，这个词便成为大批科幻小说作家的“座上宾”，《星际迷航》中的“传送机”称得上最为著名的一个。

 

尽管远距离传物的“出身”带有强烈科幻色彩，但物理学家已经实现了一种类型的远距离传物，这还要感谢一种被称之为“纠缠”的怪异的量子现象。纠缠在一起的粒子具有这样的特性——不管彼此之间距离多远，它们都要连接在一起。举个例子来说，如果改变一个纠缠电子的旋转，它的“孪生兄弟”的旋转也会发生变化。

 

很显然，纠缠粒子可以被用于远距离传送信息。在任何比原子更大的物质上进行同样的“表演”一度被视为不可能，但在2002年，一种与纠缠偶分子有关的理论指出，它们可以被分割为量子态，也就是所谓的“叠加”。

 

最近，科学家又提出了一种可选性想法，被戏称为“非量子物理的远距离传物”，即打造一束铷原子，让它们在一个地方消失，而后又在另一个地方出现。这种方法虽然不依靠纠缠，但却可以传送有关这些原子的所有信息，也就是说，它们可以在一条光纤帮助下在另一个地方实现“再造”。

 

来源：科学解码  版权申明：内容来源网络，版权归原创者所有（侵删）。