什么想法会改变我们对于周遭世界以及我们与世界的关系的理解呢？英国《新科学家》杂志最近刊发文章，罗列了诸多能够真正改变世界面貌的科学进展和科学想法，近距离向我们展示了哪些科学进步会真正让科学研究领域焕然一新，同时刷新了人们对于世界的认知。

　　这些想法涵盖生物学、生命和地球科学等10个领域，包括DNA（脱氧核糖核酸）折纸术、超级进化、大脑地图、拓扑绝缘体等等。有些想法是天才的灵感一现；有些想法还处于最基础的萌芽阶段，但却可能会带来巨大的突破；而还有些想法则纠正了人们以前对于世界的认知。不管怎样，所有这些想法都将改变科学发展的面貌，其带来的影响也不可估量。

　　地球科学

　　从彻底从世界消失到未来会变成死海一片，与地球有关的科学从来不乏各种有关“世界末日”即将到来的寓言。

　　（1）Hangenburg事件（泥盆纪与石炭纪的分界线）：重返地球远古的审判

　　生命发展的进程中充斥着各种大动荡，繁荣多样的一个纪元之后是大规模灭绝的另一个纪元。3.59亿年前发生于泥盆纪晚期的大灭绝事件——Hangenburg事件，也是其中的插曲之一。

　　泥盆纪晚期是脊椎动物出现的关键时期。那时，很多原始生物灭绝；鲨鱼和硬骨鱼成为水域“霸主”；四足动物最终进化成恐龙和哺乳动物，统治了陆地。

　　这是一个渐进的变化，而变化的驱动力来自于泥盆纪2500万年间此起彼伏的物种灭绝。不过，现在看来，与Hangenburg事件相比，这些灭绝都是“小菜一碟”，因为该事件几乎清除了所有典型的泥盆纪物种，为新的世界秩序铺平了道路（《美国国家科学院院刊》第107卷，第10131页）。

　　这次灾难的“罪魁祸首”是什么目前并不清楚，但科学家对其重要性进行了彻底的评估，结果表明，古生物化石可以成为新思维诞生的沃土。

　　（2）死海：气候变化压倒一切

　　虽然我们为气候变化给陆地生物（例如人类自身）带来的短期效应而烦恼不已，但全球变暖已经给世界的海洋系统带来了更加隐秘的威胁。在几百年的岁月中，因气候变化而发生改变的大气所排放的热量会慢慢渗入海洋，而温水溶解氧的能力远远低于冷水，因此，很多海洋鱼类和其他生物可能会因为缺氧而窒息死亡。

　　一些海洋里已经出现了无氧的“死亡地带”，包括位于墨西哥湾的一个上千平方公里的区域，计算机模拟结果表明，在未来的2000年内，气候变化将使这块区域的总面积增加7倍。（《自然·地理科学》，第二卷，第105页）。

　　即使我们不关心鱼类，那些鱼因为缺氧而腾出来的空间也可能成为能够排放氧化亚氮的细菌生存的“温床”，氧化亚氮同样是一种强大的温室气体。研究这种反馈过程可能发生的严重程度并制定出应对策略将是气候科学家们在未来几年的当务之急。

　　（3）海洋观测：给海洋“通电”

　　地球上的海洋非常辽阔，未被开垦的地方充满了谜团。海洋在气候变化中到底扮演什么角色？地震如何在海底俯冲区内发生？海底地震释放出的能量为什么能够占全球地震释放能量的90%？海底和海底以下的生命是什么样的？

　　缺乏数据是解决上述问题和其他问题的“拦路虎”，但一个新项目应该可以改变这种状况。科学家们的海洋观测行动摒弃了以往基于船只远征带回数据的传统做法，而采用了给海洋“通电”的新方案，通过传感器组成的网络，将美国沿海区域、远至太平洋和大西洋的海洋表面和海底串联起来，传感器收集到的科学和视频数据通过互联网不仅发送到实验室，还发送给学校和家庭。

　　这项工作自从去年开始一直在有条不紊地进行。接下来，与海洋的实时互动将成为我们探索地球最后边界的突破口。

　　（4）地球工程：更多干预是解决地球疾病的办法？

　　根据英国皇家学会的定义，地球工程指的是“通过故意大规模地改变地球的环境，来应对气候变化”。它包括两个方面：一是将进入大气层的太阳光反射回太空；二是消除空气中的二氧化碳并将二氧化碳储存到地下。

　　关于第一个方面，将能够反射太阳光的硫盐酸气溶胶注入上层大气中是一个相对便宜、简单、快捷的选择，火山爆发事件已经证明这种办法很有效。但如果不同时大幅减少二氧化碳的排放，这样的项目就必须无休止地进行下去，因为一旦项目暂停，地球的温度就会急剧上升。它也会干扰给几十亿人亚洲人带来雨水、给亚洲农田带来“甘露”的季风。这些未知的因素使国际之间难以就这些措施达成协议。

　　相比较而言，二氧化碳捕获和存储技术（CSS）在政治上的分歧似乎微乎其微。但这些技术与注入气溶胶技术相比还不成熟，而且也比较昂贵，其好处可能需要更长时间才能显现。

　　牛津大学扎伊尔德商学院科学、创新和社会研究所主任史蒂夫·雷纳表示，这种二分法是地球工程问题的核心。地球工程的可能性代表着科学与自然关系的一个全新领域，但我们也应该谨慎行事，牢记之前忽视核能、忽视转基因作物带来的危害。

（5）地球扫描：地球下面是什么？

　　相比于地球内部，我们对外太空的了解更多。但地质学家现在可以听到整个地球最微小的震动发出的隆隆声。分析这些震动的速度和强度可以夯实我们对地底的了解。

　　例如在北美洲开展的USArray（台阵）项目就是其中一个雄心勃勃的计划，旨在探测北美大陆的结构、变形及演化过程。滚动台阵由400个宽频带地震台站组成，以从西向东滚动的方式扫过整个北美大陆内部，它揭示了黄石国家公园地下的超级火山如何从地底1000公里深处的炽热地幔中获取热量。还有其他项目展示了印度大陆如何支撑起整个喜马拉雅山脉。

　　2011年，科学家们将登上日本一艘名为“地球号”的深海钻井船，他们希望通过钻开一块薄的大洋地壳到达地球的地幔。如果该计划取得成功，我们将首次直接探测到岩石如何在地幔中循环并同地幔混合在一起，以及地幔这口翻腾的大锅如何让板块形成并最终形成地球表面的。所有这些都是与我们这个未知星球有关的重要问题。

　　生态学

　　如果你认为进化仅仅关注的是个人将其基因遗传给后代以便为织起一个稳固的生命之网和财富之网而做好准备的话，那你就大错特错了。

　　（6）生物造成的气候变化：地球的进化

　　在大约10亿年前到5亿年前时，地球历史上经历过一段奇异旅程。在这段旅程的最开始，现代真核生物繁荣昌盛，但它们仅仅只作为单核细胞而繁衍生息；而在这段奇异之旅的终点，世界同现在的世界非常相像，到处都是巨大的植物、无脊椎动物和鱼类。

　　生态记录显示，在这两个节点之间，地球也在极端热的时期和成为“雪球地球”（距今大约6.35亿年前地球被冰雪所覆盖）的冰川期之间疯狂地来回摆荡。传统的观点认为，诸如大陆架之间的碰撞等地质过程造成了这种气候的不稳定状态。然而，现在有越来越多的人意识到，生命进化过程中的反馈起着关键的作用。

　　例如，有人会问，雪球冰川可能是由多细胞海藻和海绵的进化引起的吗？这两种生物可能都依靠空气中的温室气体为生，它们对温室气体的消耗减少了空气存储热能的能力，但是，当它们死亡时，碳也将随之沉淀到海底。

　　雪球冰川会导致地球死亡，那么，地球最终会通过拥有直肠子的生物的进化产生的碳循环而生存下来吗？有一点令科学家既好奇又疑惑，那就是，雪球冰川在这些发明了碳循环的动物进化之前就广泛地存在，然而，当这些动物进化完成之后，雪球冰川从未曾出现过。

　　英国牛津大学的微古生物学家马汀·布拉西尔表示，这样的问题不仅仅是科学家的奇思妙想。当我们试图探究我们自身对于地球气候的影响时，这些问题给我们提供了一个新的思考维度，让我们从新的角度来审视地球的历史以及在地球上生活的生物的作用。

　　（7）生命之网：不依赖发散的“树思维”

　　我们逐渐开始意识到，细菌的基因组是一个大拼盘。基因可能拥有不同的来源，不仅仅来源于同一个祖先，即使同样物种的两个菌株之间，也将有一半不同的基因。

　　导致这种情况的主要“肇事者”是“侧生的”基因转移，在基因转移的过程中，组成基因的成分从一种细菌转移到另外一种细菌，转移的方式很多，有的进入另外一种基因的生存环境，随后被这种基因吸收；有的通过细菌或者病毒的作用。这种基因转移会在物种之内发生，也会在物种之间发生，甚至会出现在不同门类的细菌之间。由此造成的一个结果是，没有一种简单的模式可以定义细菌物种之间的关系。具有整齐的、纵横交错的分支的生命之树已经被连根

　　拔起。达尔文的《物种起源》中曾经无数次提到这棵生命之树，对它唯一的图解是书中一个枝枝杈杈的结构，向人们展示一个物种如何能够演化出更多物种。

　　加拿大达尔豪西大学的分子生物学家福特·杜里特尔说，我们现在承认，如果要想理解进化的过程，我们可以不依赖发散的“树思维”。更重要的是，科学家提出宏基因组（对环境样品中微生物群体基因组进行分析的一种方法，强调细菌群落以及在此层面上的功能性基因活动之间的差异）这一新概念，将使人们能够更加清晰地洞悉纵横交错的生命之网中的各种关系。

　　（8）超进化：一切为了共同的利益而改变

　　在我们对于进化的研究中，过去的半个世纪是简化论的天下，那时，科学家使用个体的自我利益和自私基因来解释每件事情。现在，我们正迈入整体论的时代，该理论承认人类社会以及多物种组成的生态系统在选择性压力面前可以作为一个单一的“超组织”来应对。

　　转折点出现在上世纪70年代，生物学家林恩·马古利斯提出，复杂的、有核的细胞是作为细菌细胞共生的结合体而产生的。现在，科学家都知道，每个作为生物体的生命都是单个细胞高度集合的组织体，这使人们很难否认生物体组织自身能够拥有类似生物体的特性，因此，它们能够一起进化。

　　在利己主义盛行的时代，群体选择过程似乎被武断地拒绝。但是，达尔文正确地解释了这一点：利他主义表现的是“为了整个组织的利益”，不管这种组织是一个物种还是一套生态系统，这种组织或者生态系统都需要一个组间选择过程来进化，组织内的个体选择会削弱这种组织或者生态系统的发展。

　　纽约州立大学的生物和人类学教授大卫·斯隆·威尔森表示，对于我们来说，有一种想法很新鲜，那就是更高层次的选择并非总是一成不变地被低层次的选择战胜，并且，确实有时候低层次的选择会胜出。现在，我们必须认识到这种洞见的意义，因为其涵盖范围非常广，从生命的起源到生态系统的结构再到宗教以及人类的生物文化进化的本性等等。

（9）金融生态：建立经济生态系统

　　生态学是一门年轻的科学，而且处于不断地发展进化之中。随着生态学从一种描述性的科学转变为一种具有更加坚实的概念支撑的科学，“自然的平衡”这一富有浪漫主义色彩的观念已经让位于我们对食品网络的结构如何维持生态系统的富足这一问题更加详细的理解。

　　经济学也可以从中受益，最近的银行危机使得这一点变得非常清楚，那就是，越来越复杂的管理个人金融机构中的风险的策略仍然与人们对整个金融系统作为一个整体存在的风险的关注不相匹配。并且，关于经济中存在的“自然平衡”，我们仍然可以从许多红包丰厚的银行家嘴里听到，这种自然平衡就是，如果从监管机构处那儿获得充分的自由，不可见的手会有效地产生“一般均衡”。

　　牛津大学生态学家、动物系教授、2000年至2005年曾任英国首相科学顾问的罗伯特·梅表示，“银行生态系统”简单的数学模型就可以提供新鲜的思路。这些数学模型会捕捉相互作用的金融网络中很多必需的动力，并且，这些数学模型也与人们早前在生态系统的稳定性和复杂性方面所做的工作具有有趣的相似和明显的不同。随着我们尝试开始建立解决系统性风险的金融生态系统，这样的模型将变得越来越重要。但是，颠覆根深蒂固的思维方式并非易事。

　　遗传学

　　讨论完基因组之后，我们接下来开始讨论下一个层次：互作组（interactome，基因和蛋白质的相互作用）以及表型组（phenome，某一生物的全部性状特征）。这两个概念是现阶段的科学研究重点，这两个领域的突破将会让很多生物技术的奇才和许多类似“侏罗纪公园”的标题出现在报纸的头版。

　　（10）1000人染色组分析项目：对人类种群进行分类

　　人类基因组图谱早在10年前就已经绘制完成，这是一项伟大的成就。但是，如果想让基因组学充分发挥其潜能，例如对抗疾病，我们就需要知道个体之间有多少DNA序列存在差异。人类遗传基因中的99％以上在全人类内是同样的，因此，理解剩余的一点点遗传差异，就成为确认不同人对疾病的感受性、对药物的响应能力及对环境因子的反应的差异的线索。

　　在接下来的5年内，我们应该可以做到。于2008年启动的千人染色体组分析项目（1000 Genomes Project）是一个公私合作的项目，旨在绘制出人类基因组差异的详细图谱。项目首期有885人参与，并已于今年6月份完成，研究人员找到了大约1600万个DNA差异，其中的一半以前没有被发现过。据估计，可能存在着大约6000万个这样的差异。

　　整个项目将分析2500个人的基因组，这些人来自于全球27个种群，这个项目目前正在如火如荼地进行中，而且，所获得的数据供全世界免费享用。

　　(11)古遗传学：从过去获得DNA的蓝图

　　我们一直认为，为已经灭绝的物种绘制出基因蓝图是一个“不可能的任务”。然而，在今年5月份，一个国际科学家团队完成了尼安德特人的基因组测序工作，并将研究结果发表在《科学》杂志上。什么发生改变了呢？

　　基因组测序变得越来越快，也越来越便宜，一次能够为成千上万个基因组进行测序让古遗传学家可以将受损的DNA拼接在一起，并且抛弃坏掉的部分。他们也能够从一个远古物种的化石样本抽取出5%的基因组，让它同一个相关的现存物种的DNA相匹配。在过去的5年中，这种方法已经让科学家绘制出了几个物种的基因组，包括一个4万年前的洞熊、一头猛犸象以及尼安德特人。

　　这些成果告诉了我们很多关于人类自身的信息，比如，对尼安德特人的基因组进行测序后的结果表明，现代人与尼安德特人非常可能在小范围内发生过交配，时间可能是现代人走出非洲，在中东遇到尼安德特人之时。远古的DNA序列能够被用来复活已经灭绝很长时间的物种，正如电影《侏罗纪公园》中所描述的，这一想法非常有趣，但是，我们从来不能够对任何事情说“从不”。

　　(12)蛋白质之间交互作用组：绘制出分子的复杂性

　　蛋白质和RNA（核糖核酸）都是一些基因编码的分子，它们很少独立作用。许多蛋白质同其他蛋白质之间相互联系，或者调控它们，或者形成更大的分子机器；其他蛋白质则通过依附于特定的蛋白质序列或者将它们自身同RNA分子紧紧相连来执行一些特定的任务。

　　我们将这些不可思议的紧密交互作用网络取名为蛋白质之间交互作用组，在整个20世纪，我们都没有参透过其中的奥秘。然而，在过去的10年内，全基因组测序获得的信息和日益强大的生物信息学工具已经使我们能够产生和分析人类和其他生物的蛋白质之间交互作用组的图谱。

　　哈佛医学院和癌症系统生物学中心的教授马克·维达尔表示，尽管我们仍然没有完全绘制出人类和其他生物的蛋白质之间交互作用组的图谱，但未来这些图谱可以作为新的复杂的支架模型，让我们研究细胞如何工作。既然很多人类疾病可以被分子同细胞之间交互作用的混乱来解释，蛋白质之间交互作用组将可以大大地改变我们对人类健康的看法，以及我们应该怎样研发药物、采取预防措施来控制疾病。

　　(13)表型组：生命不仅仅指基因组

　　如果我们想要真正理解我们所生活的世界，那么，仅仅依靠基因组不可能做到这一点。我们需要更好地了解“表型组”——某一生物的全部性状特征（从基因到行为）。

　　这听起来很困难，一点没错。想想你自己的表型组吧，其中不仅包含有很多明显的特征，比如眼睛的颜色、体重、面部特征等，也包含了很多不明显的特征，比如新陈代谢的速度、个性、是否容易罹患老年痴呆症以及其他无数的特征等。从你在妈妈的子宫里开始孕育起，所有这些特征产生于你的基因组与你周围环境之间的相互作用。

　　鉴于这种复杂性，科学家于2003年首次提出了人类表型工程（human phenome project），而且，诸如“老鼠表型数据库”等更小规模的项目也在缓慢进行中，从个性化医疗到我们如何理解基因型和表型的关系，科学将从中受益良多。

　　(14)DNA折纸：将生命看作一个模板

　　生命的组成物质非常“狡猾”：将正确的DNA碱基对放在一起，它们就可以像维可牢（一种尼龙刺粘扣，两面一碰即粘合，一扯即可分开）一样互相依附。将DNA长长的单个片段取出，然后将其扔进一些更短的合成片段中，短片段上的键能够将长片段拉成特定的形状并且将它们紧紧地固定在一起。

　　“DNA折纸”技术是很多可以让分子自我组装成三维结构的技术中最有前景的技术之一。科学家使用该技术来制造很多令人眼花缭乱的物体，从齿轮到具有锁和钥匙机制的三维盒子。他们希望最终能够使用这样的盒子来递送药物，并探索生物分子的折叠和解开机制以用其来制造纳米级的计算组件。

人造生命

　　细胞、酶、光合作用……人类很快就将按照自己的意志创造新生命，更不用说制造出身体的“备用零件”、一劳永逸地驯服流感。

　　(15)人造细胞：生命是膜

　　现今世界上所有生命的鼻祖——最原始的那个细胞确切的本质依然是个谜。这是一个令人兴奋的谜团，但重现40亿年前发生的事情并非一个壮举。

　　幸运的是，我们可以从解决一个更“温和”的问题，即从细胞壁开始建造简单的人造细胞那儿学到很多。由脂肪酸构成的原始膜似乎拥有所有正确的属性，例如能够自发地生长、分裂、让营养物质渗透进入细胞等。这种简单的膜会转变成现代的、更复杂的、基于磷脂的膜，那么其背后的驱动因素是什么呢?一种原始的RNA可能催化了磷脂的合成，但是磷脂又赋予原生细胞什么优势呢?

　　2009年诺贝尔生理学和医学奖的获得者之一、美国哈佛大学医学院的遗传学教授杰克·怀·绍斯塔克说，这个问题的答案可能是第一个线索，它将引起一系列的事情，犹如一场雪崩一样，最终将我们带向现代生物学。如果我们能在人造细胞中找到这个答案，我们就能回到达尔文进化的开端——我们认为的生命起点。

　　(16)人造酶：无所不在的分子

　　不管是为了制造出新药物还是太阳能电池板，我们殚精竭虑，试图设计、建造出复杂的新分子。制造新分子是一回事，使得它们足够有效并能进行商业化生产则是另一回事。要是我们能够学学一片树叶，使用高度专业的酶作为催化剂，大量生产出生命所需要的分子就好了。

　　我们正在慢慢地做到这一点。我们能够从自然界中获取酶，并且随机地摆弄它的结构，直到得到我们盼望的分子。除了这种有时成功有时不成功的方法，我们还可以使用基于计算机的“理性设计”模式过程从零开始制造出人造酶。我们的最终目标是征服自然。和人造催化剂相比，酶的内核周围包裹的金属离子的种类十分有限。通过让自然界中最好的催化剂和最好的人造催化剂强强联手，我们或许可以制造出无所不能的酶。

　　(17)内源性干细胞：我的器官如何生长?

　　毫无疑问，干细胞现在是医学领域最激动人心的前沿。人体中的大部分细胞不可逆地分化为大约200种类型。然而，干细胞就像一张白板，能够分化为各种细胞。

　　这意味着它们可以用于治愈各种各样的损伤、疾病或患病组织。到目前为止，大部分研究都集中于在实验室环境中使用胚胎或成人组织来制造出干细胞，同时使用化学“生长因子”操纵它们的发育以及将它们移植到所需部位。但是，可能存在一种更聪明的做法，那就是唤醒身体自身的“内源性”干细胞来自然产生干细胞。其他动物可以做到这一点。比如两栖类动物在一瘸一拐间就可以再生完全失去的肢体。有科学家表示，或许某一天，只需要注射正确的化学物质，我们就可以长出新的肾脏、胰腺甚至腿。

　　(18)人工光合作用：无中生有的能量

　　树叶是非常美丽的事物，它也是化学工程学的奇观。在树叶内部，光合作用中心收集太阳能，驱使水和空气中的二氧化碳形成糖，糖滋润并造就了我们的星球。

　　要是我们也拥有这样的能力多好啊。太阳是已知最大的能量源，但是，太阳光并非随时随地可以获得。如果我们能找到一种廉价的方法，将太阳能转化为可存贮、可运输、随时可用的化学燃料，我们就迈向了人人可用清洁能源的“美好明天”。

　　我们已经取得了一些进展。科学家们将收集光线的细小粒子嵌入膜中，让其吸收太阳能，分解二氧化碳和水分子，不过，这种反应最终得到的产物不是糖，而是燃烧后不排放碳的新型燃料：氢气、甲醇以及在未来某一天可为飞行器等设备提供动力的高能量密度的燃料。

　　今年8月，美国能源部拨付1.22亿美元的专款，在加州建立人工光合作用联合中心，以加速人工光合作用这项“革命性”能源技术的研发进程，该计划的目标是在未来10年内完成科学理论和原型的衔接。加州人工光合作用联合中心主管、加州理工大学化学教授内特·刘易斯表示，全世界范围内的竞赛已经开始，世界各国都在努力，希望早日研发出新的吸收剂、催化剂和膜，这些产品将使我们可以大规模地实现人工光合作用这个能永久改变我们世界的想法。

　　(19)通用流感疫苗：驯服全球杀手

　　禽流感和猪流感可能暂时离开，但全球范围内传染病暴发的头号“选手”——新的流感菌株仍然在虎视眈眈地盯着人们。这是因为流感会变异，今年“中了流感的招”并不会让你明年不“中招”。这就是为什么我们年复一年研制新疫苗的原因;这也是为什么每隔几十年就会出现一种新的流感菌株的原因，新的流感菌株有足够的遗传技巧避开人们的免疫系统，在全球引发一场混乱。

　　我们该如何阻止这一切呢?我们可以研发出一种能有效对抗所有流感菌株的通用疫苗。科学家正在尝试各种可能性，试图激起针对病毒不变异部分的免疫反应。其中有一些疫苗已经进入人体试验阶段。如果能证明这些疫苗有效，那么，流感很快就将变成另一个几乎要被人们遗忘的疾病，我们只会在给儿童接种疫苗对付它时才会想起它。

神经科学

　　因为我们拥有了更好的大脑扫描技术和生物知识，我们正在研究意识的神经细胞以及我们精神机制的微妙之处。

　　(20)认知控制：朝着意识的座位出发

　　“什么是意识”这个问题是目前科学界最伟大的前沿领域之一。感谢科学家对人类和动物的研究，我们现在知道，意识是存在细微差别的状态，其性质和强度根据大脑固有的活跃程度、化学微气候以及大脑从外界接收信息的不同而不同。

　　通过探索清醒、睡觉以及做梦这三种状态天生变化无常的特性，我们现在正在开始探索意识如何被表达以及被控制。例如，哈佛大学医学院研究睡眠的精神病学家艾伦·霍布森表示，他一直专注于将快速眼动(REM)睡眠期间的大脑活动同“清醒梦境”中的大脑活动相比较，在“清醒梦境”中，我们大脑的执行力更强。科学家似乎确认，前脑某个特殊的区域——前额叶皮层背外侧区在调整注意力、做决定以及有意动作等与意识有关的方面非常重要。

　　霍布森指出，让成像技术、更明智的测量主观体验的方法、细胞以及分子层级的详细研究结合在一起，在未来几年将持续加深我们对于认知命令中心的理解。我们希望使用这些技术和方法来破解意识的谜团，并且，或许可以纠正我们称之为精神疾病的大脑失控状态。

　　(21)大脑联络图谱：精神图谱

　　理解大脑内无数的细胞分享信息的途径将是一个关键的步骤，借助它，我们可以理解我们的大脑如何“工作”。但是，尽管我们能够推断出大脑内单个的连接，我们还无法获得人类大脑基本的接线图。这一点好不令人惊讶。大脑内包含大约1000亿个神经元，并且，每个神经元都可能同其他1万个神经元相连接，然而，新兴技术意味着我们现在能够开始解决这个复杂的任务。

　　例如，借助电子显微镜，我们能够探测动物大脑内的神经元与神经元之间的关系，希望能够发现一些特别的、能够不断自我重复的回路。从更加宽泛的角度来说，大脑扫描技术能够标识出大脑的高速公路——由成千上万个大脑不同区域之间的连接组成的大“电缆”。

　　英国牛津大学心理学家提姆·贝伦斯表示，美国国家卫生研究院(NIH)已经开始投资来解决这个问题。NIH神经科学蓝图正在开展一项3000万美元的项目，试图使用最先进的脑成像技术来绘制健康成年人类大脑的联络图，通过系统地收集来自数百个个体的脑成像数据，人类大脑联络图工程(HCP)将深入了解大脑功能背后的大脑连接方式，并将开辟人类神经系统研究新途径。该项目的资金将达到每年600万美元，资助时间为5年。如果这个项目获得成功，我们将能够更好地理解大脑的区域之间如何相互作用来产生某种行为。

　　(22)镜像神经元：我们如何学习和思考的关键所在

　　镜像神经元是近年来神经科学的一大发现，对理解人的模仿学习，人与人之间的意图理解、情感交流、联系和社会关系的形成等都有重要意义。

　　谚语“上行下效”说得太有道理了。因为镜像神经元，不仅当我们执行一个行为，而且当我们看见其他人执行这个行为时，镜像神经元都会放电，我们的大脑会潜意识地模仿曾经看到过的每个行为。至少从理论上来讲这是正确的。上世纪九十年代初，意大利帕尔马大学神经科学中心的科学家在研究恒河猴运动前区中的单神经元放电活动时，在恒河猴腹侧运动皮层的F5区发现了一类运动神经元，研究人员将这些像镜子一样可以映射其他人动作的神经元定名为“镜像神经元”。

　　镜像神经元作为一种对外界活动产生的内在体验，给予了人类和灵长类动物直接理解其他人或动物的行为与意图的能力，也是模仿他人与学习的基础。自从镜像神经元发现以来，对这一系统的研究已构成了神经生物学与认知神经科学最丰富的领域之一。

　　不过，直到今年5月份，研究人员才通过向等待手术的癫痫病人大脑中植入电极，首次直接在人身上探测到了镜像神经元的放电活动。尽管镜像神经元功能的支持者宣称，镜像神经元可以解释每件事情：从移情作用到怜悯心理再到对某种事情的强烈爱好，但是，镜像神经元的准确意义还富有争议。接下来的几年内，我们就会知道镜像神经元在解释人类的认知方面具体有多大能耐了。

　　(23)自上而下的过程：我们的过去决定我们的现在

　　人类的眼睛就是一个照相机，会准确记录我们面前的每件事情，眼睛会通过大脑的视觉处理器传递信息，然后再将其突出作为一个有意识的体验。

　　这个自上而下的过程代表了教科书中的观点，实际上，我们正在慢慢意识到，我们的经验更接近于增强现实的形式，在这个过程中，我们的大脑重新绘制它所看到的事物来与我们的期望和记忆最匹配。我们其他的感官也遵循同样的过程，并且，现在有越来越多的人怀疑，这个“自上而下”的过程中出现的扭曲可能会导致神经系统出现紊乱，比如出现精神分裂症、自闭症、难语症等等。

　　(24)神经再循环：文化是一种寄生虫

　　我们大脑的构造远远早于文字、宗教和艺术的出现，那么，我们为什么能够如此轻而易举地获得这些文化特征和能力呢?

　　标准的答案是，我们大大的、可塑性强的大脑拥有独特的灵活性和通用的学习能力。但是，真相是什么呢?毕竟，人类的大脑并非均匀的，而是有组织地组成特定的区域。而且，大脑成像结果表明，诸如阅读和计算能力拥有独特的“神经生态”：它们也被局限于特定的大脑回路。

　　这是非常令人信服的证据，可以解释一个被称为神经再循环的观点，也就是我们的文化能力会侵入并寄生于大脑的回路中，这些大脑回路最初主要用于那些更早进化的、但是相关的功能。例如，阅读似乎占据了大脑中对于复杂的形状特别敏感的回路，并且同处理语言的大脑区域具有很好的联系。如果这一点正确，那就表明，我们的大脑塑造了我们的文化，而不是我们的文化塑造了我们的大脑，人类的天才并非是无限的。

　　(25)聪明药:用于思考的食物

　　聪明药是一类能促进学习记忆能力的药物，选择性作用于大脑皮层，保护、激活或促进神经细胞功能的恢复，对学习记忆能力的影响是一种持久的促进作用。

　　很快，聪明药将出现在大街小巷。科学家现在已经证明，诸如医生给一些患有注意缺陷多动障碍的病人开的利他灵和阿得拉(Adderall)、给阿尔茨海默氏症(早老性痴呆症)患者开的Aricept等精神兴奋药也可以让健康的人集中注意力并且改进回忆能力。目前，如果没有医生的处方，人们无法获得这样的药物，但是，许多研究人员表示，他们应该可以获得。研究人员称，这种药物对于全社会都有好处，人们将藉此更快地获得知识。但是，我们真正想要的是被药物增加了的超级大脑之间的知识竞赛吗?不管如何，应该为我们的思想补充一些食物了。

宇宙学

　　你准备好迎接由超对称性或者量子力学的进化所造成的大量深藏不露的现实了吗?如果黑洞出现在你的工具室将会发生什么情况?

　　(26)超对称性：通向新现实的窗口

　　粒子物理学的标准模型取得了巨大的成功，然而，它显然不完整。当我们考虑什么可能扩大和深化我们对自然最基本的运行规律的理解时，常常有一个简单的回答：超对称性。

　　超对称性就像一个神奇的药丸，它帮助我们将自然界存在的各种各样的交互作用统一起来。它在基于弦理论的量子引力理论方面起着重要的作用。它甚至能够解释填满整个宇宙的暗物质究竟是“何方神圣”。

　　超对称性的核心是一个简单的理念：所有已知的粒子都有自己的超对称伙伴。它们有与原来粒子完全相同的量子数(色、电荷、重子数、轻子数等)。粒子和超级粒子通过超空间产生数学上的联系，超空间的维度是我们所在空间的维度的平方根。欧洲粒子物理研究所(CERN)和英国伦敦国王学院的理论物理学家约翰·艾利斯表示，当爱因斯坦的相对论教我们将时间看做第四维度时，物理学、技术甚至哲学都被彻底地改变。时空维度有二次方根这种理念是一个革命性的理论吗?当CERN的大型强子对撞机(LHC)首次搜寻到超对称性的“芳踪”，我们将找到答案。

　　(27)AdS/CFT对偶：来自于黑洞的超导体

　　物理学的所有事情中，黑洞可能最有吸引力。让我们大吃一惊的是，它们遍布整个宇宙。实际上，可能在你的实验室中就有呢。

　　这就是我们说的“AdS/CFT对偶”，它是指“反德西特”时空背景下的超弦理论和共性场论的对偶，通常也泛称为弦理论和规范场论(或者引力理论和规范场论)的对偶，它和“全息原理”这一深刻的概念有着十分紧密的联系。

　　AdS/CFT对偶是弦理论产生的一个结果。弦理论表明，诸如黑洞等重力物质使用很多物理实验室探测到的奇异量子物质的属性，采用一种尽管间接但是非常精确的方式来编码。

　　为什么这种物质要这样做呢?因为尽管量子物质是一种非常神秘的物质，我们有很多工具来“对付”黑洞和类似的物质。使用AdS/CFT，我们可以使用其中的一个来解释另外一个。

　　例如，这可能使得我们破解高温超导体领域一个长达24年的谜团，高温超导体的量子运行方式使得它们能够在绝对零度之上毫无阻碍地导电。如果解开这个谜团，我们能够实现室温超导的梦想，到时，我们将重新书写高温超导这个术语。

　　荷兰莱顿大学的理论物理学家扬·扎宁表示，实现物理学家的这个最大梦想，取决于AdS/CFT对偶在另一个方向可给我们传递些什么信息，所谓的另一个方向就是：量子物质实验能够让我们加深对重力的理解，甚至产生一个统一所有物理学的量子重力理论吗?

　　(28)霍拉瓦引力：时空的终结

　　在相对论中，爱因斯坦认为时间是另一个维度，它与空间交织形成一个可扩展性的结构，并被物质所扭曲;然而量子力学却停留在牛顿的绝对时空中，时空互不干扰，物质的行为不受其存在的影响。两种理论几乎水火不容，科学家数十年来一直试图将相对论和量子力学结合成大一统理论。

　　去年12月份的《科学美国人》报道，加州大学伯克利分校的物理学家皮特·霍拉瓦提出了一套关于时空和引力的新理论。该理论认为，在高能量状态下，比如早期炙热无比的宇宙，此时时间和空间的纽带被剪开;在低能量状态下，比如现在的宇宙，广义相对论占主导地位，时空再次结合在一起。该理论一提出，便受到物理学界的广泛关注，一些物理学家还用实验去检验这一新理论模型，初步结果十分乐观。物理学家发现新理论能更好地预测行星运动;解释大爆炸奇点理论。一位物理学家根据该新理论计算出，我们的宇宙不是诞生于大爆炸，而是大反弹——整个宇宙的物质被压缩到一个极小但有限的体积，然后发生反弹，形成今日所观察到的膨胀宇宙。

　　爱因斯坦的相对论和牛顿的量子力学两种理论结合在一起将形成物理学最重大的突破“万物之理”，这个理论可以回答诸如宇宙大爆炸时发生了什么事情。诸如弦理论等更复杂的理论假设也试图获得同样的成功，弦理论同样也未被实验所证实。只有时间才能告诉我们哪个方法是正确的。

　　(29)量子达尔文主义：所有可能的世界中最适合的

　　自从量子理论提出伊始，就让最优秀的科学家困惑不已：量子物质可以在几个地方同时存在，或者同时沿着顺时针和逆时针方向自旋。但是，当我们对量子物质进行测量时，我们只能获得一个答案，这是为什么呢?

　　或许在量子领域也存在达尔文式的优胜劣汰吧，量子状态之间会相互竞争以吸引我们的注意，因此，我们仅仅看到“最适合”的状态，这种状态最能影响周围的环境。量子达尔文主义由美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室的物理学家沃奇克·祖瑞克于去年提出。它的主要观点是声称能解释经典量子过渡：为什么宏观物体遵守经典力学;而量子世界遵守看似奇怪的量子力学?

　　祖瑞克进入这个问题的方法是考虑量子力学中的环境因素。对其他量子物理学家而言，环境只是滋扰因素，一个在隔绝环境中的量子物体所包含的量子信息能够永久存在，但是将之放入真实世界中，这些量子信息泄漏入环境中，从而摧毁了正在研究的系统。祖瑞克则持另外一种观点。他认为环境是信息通道，而这些通道的性质是了解量子达尔文主义的关键，所有宏观测量机器从这些通道获取信息。科学家今年进行的实验探测到了量子点上电子微小的组合物，这些实验似乎证实了“量子达尔文主义”的某些预测。如果这个想法最终获得证实，它将证实我们的怀疑，实验仅仅能够探测一个量子系统对其周围环境的影响，从来不会探测到它对于该系统本身的影响。

　　(30)随机矩阵理论：并非所有随机性都一样

　　随机性常常并非那么随机。一种新的随机性似乎突然出现在数学和科学领域的数据中，这种数学上的奇特性被称为随机矩阵理论。

　　一个矩阵就是一系列数字排列成矩形，科学家可使用矩阵来给空间变换编码。矩阵在一个空间主要方向上的延伸或者缩小被矩阵相应的特征值所决定。随机矩阵是充满了随机选择数字的矩阵，它是它们的特征值组成的矩阵——这些特征值被随机分布，我们现在随处可见这种矩阵。英国牛津大学数学教授、沃德翰学院研究员马库斯·杜·桑托伊表示，随机矩阵出现在诸如铀等重元素内核的能量水平的分布曲线上;出现在黎曼Zeta函数零值的分布曲线上。黎曼Zeta函数可以决定重要的数字将如何分布;甚至可以决定墨西哥一个小镇巴士到来的时间，在这个小镇上，巴士司机可自己决定工作时刻表。调查随机矩阵将是数学和科学领域一个全新的方向。