19世纪——辉煌中仍有瑕疵

人类现有的智力尚不足以回答的问题将是未来50年科学界面临的重大课题。让我们回顾一下一个世纪前，即1899年时的情况。那时的人们像今天一样，也在总结刚刚过去的100年的科学历程。当年的一大成就是约翰 · 道尔顿在1808年证明了原子的物质构成；另一大成就是英国物理学家焦耳在1851年证实能量确实是守恒的，而早期法国物理学家卡诺猜测，某种形式能量转换成另一形式，其效能是固定的：这些成就为热力学的形成奠定了基础。

还应提到的是查理斯 · 达尔文，他的《通过自然选择的物种起源》(1859 年出版)声称能解释地球上的生命多样性，但却没有说明遗传机理，甚至没有说明不同但相关的物种通常为何不能相互生殖。19世纪人们引以为豪的功绩簿里的最后一页是，麦克斯韦证实了电和磁凭着一组严格遵循牛顿力学体系的数学方程而统一起来。一般而言，牛顿定律已经百多年的磨砺而更趋完善并成为现实世界中任何问题的解决方案。几乎在所有人看来，有着这一系列煌煌成果的19世纪无疑成为人类历史上不可思议的一个世纪。

只有极少数有非凡洞察力的人在19世纪末发出不同的声音： 19 世纪的伟大中仍存有一些瑕疵。他们中的一位是荷兰莱顿大学的物理学家洛伦兹。他注意到，麦克斯韦理论中隐含着一种矛盾：该理论假定存在一种无处不在的以太，电磁波扰动正是借助这种以太媒质得以传导，然而对于假定缓慢通过一物体到达另一物体的时间而言，麦氏的上述理论失之过简。

从巴黎大学的庞加菜到爱因斯坦1905年向世的《狭义相对论》，可称是从19世纪的辉煌光圈中迈出了一小步。狭义相对论认为，相对速度不可能超过光速。当时要指出牛顿理论的不足只能从哲学上着手：空间和时间都不可能提供某种看不见的栅格来定位物体，或者说到达某一位置的时间是无法测量的。一个世纪前，没有几个人能理解迈克尔逊和莫雷在19世纪和80年代所做实验得出的一个简明结论：麦克斯韦假设的以太不存在。

随着不同声音的增多，19世纪普遍接受的一些基本科学观念遇到了麻烦。如原子在19世纪被认为是不可分的，但在1897年有人发现，放射性原子释放出了射线和电子，这可以解释原子还可以分成更小的东西。类似的，虽然达尔文假定了可遗传的(今天我们称之为“遗传学的”) 变化在个体的构成中占很小的比重，但孟德尔在19世纪50年代的发现提出假定：自然发生的遗传变化，更确切地说是分立和显著的。本世纪30年代人们意识到，达尔文主义和孟德尔-摩尔根主义之间的对立并非一开始想象得那么尖锐。

今天，我们惊异于这种对立已基本不复存在，满足于现今的这个世纪超越了1899 年的那个世纪，其中很重要的是由于20世纪初期科学的应用所产生的人的思想观念的解放——如意 大利物理学家马库尼用无线电波构建了跨越大西洋的通道；莱特兄弟成功地试飞了第一架可操纵的动力飞机——人类的通讯和航空业由此起步。如今我们的桌上堆放着各种计算机，这在20世纪初完全没有人预料的；另外值得一提的是，今天的人们由于有了盘尼西林正变得更健康。

20世纪——基础科学的三大里程碑

在基础科学领域，我们取得了比19世纪远大得多的成就。狭义相对论使牛顿不再是唯一受尊敬的大师。狭义相对论的意义在于必须在同等基础上对待空间、时间，这一理论遂成为基础物理学中检验各种理论有效性的试金石。

本世纪基础科学中另外三大里程碑都是未曾预见到的。爱因斯坦1915 年提出的广义相对论(后被人更贴切地称为“引力相对论”)引起了除恩斯特 · 马赫(奥地利物理学家和哲学家)理论的信奉者以外的所有人的重视。通过假定无处不在的引力是引力场的作用，爱因斯坦提出了一种见解，认为宇宙的结构和进化是不可避免地相连的。但是艾德温 · 哈勃在1929年发现宇宙正在膨胀的这一事实相信令爱因斯坦本人震惊不小。

量子力学是晴空中的又一道闪电，尽管人们对由灼热物体所发出的辐射特性的思考已有近半个世纪。对这一问题的解释有助于阐明，一种物体的辐射为何完全取决于其温度？由普朗克在1900年提供的答案认为，能量在热物体和其周围环境间转移，这种转移仅仅是在一种极有限的称为量子的范围内进行，量子内的实际能量取决于辐射频率，而且与之成比例。普朗克坦称他不知道时间意味着什么，他估计这一难题也困扰着他的同时代人。

困扰普朗克的这一难题的破解耗去了近四分之一世纪时间。对此作出贡献的有尼尔斯 · 玻尔、海森堡、薛定谔和保罗 · 狄拉克。这些人是本世纪最伟大和最杰出的科学家。1900 年时有人猜测，普朗克所引出的这一艰巨任务有可能导致一种新的力学体系的出现，这种系统在某种意义上有如牛顿力学，能适用于除了原子、分子及电子以外的所有问题。量子力学不是悖论而是对非常小的时间和距离尺度上的实在特性的揭示。这种揭示大大深化了我们今天对核物质粒子构成的认识。意识到夸克很可能是构成物质的最基本组分(目前的假定)是一项了不起的科学成就。

20世纪第三个让人震惊之处是沃森和克里克于1953年对DNA结构的揭示。50年代初，对基因结构的阐明成了一件棘手的事，因为这不仅有助于说明后代何以能遗传父母的物理特征，而且也解释了所有生物体的单个细胞何以经受住自然选择发生时毫微秒般的瞬间考验。这一重大成果的意义在于，生命将不再是一个谜。

21世纪——未知领域在召唤

量子力学理论和DNA结构的阐明，使我们对未知世界的了解提升到作出这些成就的发明人都没有也不可能预见的程度。从这个意义上讲，我们现在也不可能给出未来50年整个科学发展的概貌，现在我们能做的只是列出一张今天科学上的盲点——未解之谜的清单，然后才有可能从中推知未来的发展趋势。这些未知领域往往与现今的研究兴奋点有关。

人种进化史的重建及生命起源研究

其中之一是人种进化(智人)的遗传史的重建。过去几十年在揭示个体发育方面——从受精卵胚胎、婴幼儿到成人——取得了长足进展。 动植物的横剖面图显示出物种最初受同源基因(同一家系)塑造，然后又受种特异性发育基因支配的情形。尽管分子生物学家还在试图搞清，发育基因的分级体系是如何得到调节，这些发育基因如何在完成任务后进入失活状态的。许多生物学家相信，与人类发育阶段有关的基因最终按其作用顺序被一一阐明只是时间问题。

这样就有可能比较人与黑猩猩之间的基因，并据此了解人和类人猿之间的关键差别是在何时以何种方式形成的。我们现在对此的了解来自化石记录：人脑大脑皮层的尺寸在过去450万年间逐渐扩增；人能够直立行走成为直立人是210万年前的事；人类具有语言功能大约是在12. 5万年前。了解这些变化的遗传背景将提供一种有关人种更可信的历史并加深理解人类在自然界所处的地位。

这些知识将有可能导致一些重要的结果：它有可能推断，为何某些人种未能存活到现代(尼安德特人只是其中之一)，此外更重要的是，智人的遗传史很可能成为其他物种形成机理的判据之一。尽管“物种起源”一词成为达尔文那本巨著的标题，但作者并没有说明大量不同的物种何以通常彼此不育。人和类人猿在遗传上还有一个最引人注目的差别是人有46个(23对)染色体，而我们人类的近亲却有48个(大多数缺失的类人猿染色体似乎是在人类第2号染色体长臂末端；另一些片断分散在人基因组的其他部位，其中大部分在X染色体位置)。了解这种染色体重排究竟是人类进化的首要原因抑或仅仅是遗传突变的次生效应在生物学上具有重要意义。

未来50年很可能在鉴别进化的遗传相关性上强化现有的研究。比较相关物种的相似性蛋白质的氨基酸顺序或相关核酸(核糖体中的RNA分子是最具代表性的)的核苷酸顺序，可以知道两种物种的同一原种的年限。了解有关分子中自然发生的突变率是非常必要的。

但这些绝非易事。不同蛋白质或核酸分子的突变率大相径庭，为此构建一种更可靠的“分子钟”应该成为近期的目标之一(类似于宇宙学家建造一个可靠的宇宙测距仪)，然后才可能去推测地球上生物进化的重要转折点——三羧酸循环进化。除了细菌细胞以外，所有有机体都是通过这种循环将化学物转变成能量，通过光合成形成，出现了第一种多细胞有机物(距今25亿年前)。

如果幸运的话，上述努力还有可能告诉我们有关类病毒媒质(viruslike agents)在生命早期进化中的作用。人类基因组内充斥着DNA序列，这些DNA序列好似核酸化石，记录着不同物种间迅速传递的遗传信息。这非常类似于现代细菌，它们正是通过交换称为质粒的DNA结构，获得诸如抵抗抗菌素的某些特性。只有在了解那些在人基因组内似乎无用的DNA (克里克首先将其称为“垃圾DNA")对人类进化的作用后，才可能知道人类自身在自然界里的确实位置。

从本质上讲，只有了解了所有生物的基因组结构、功能后，才可能更多地回溯生命起源的真实情况。不管怎样，这还有助于阐明所谓的RNA世界(有人认为其地位超过DNA)生物的性质。现代细胞仍要利用RNA分子来完成某些特定基本功能——如剪辑核酸中的DNA分子，作为构造端粒结构的模板——是具有实在和惊人意义的。

很可能在未来半个多世纪里，会有人在实验室里从事一项严肃的课题——构建基于 RNA的生物体。但基于无机化合物的生命起源需要解决一系列问题，不仅是了解诸如来自太阳的辐射通量如何促使简单化合物转变成复杂有机物。已知这种化合物的某一些形成于我们这个星系内的巨型分子云中。射电天文学家已在那里发现了越来越多的复杂化合物，最多的是所谓的富勒烯——C60 (通常成为“巴基球”)。应该了解复杂性与辐射通量间的关系，这是不可逆热力学中的一个课题，但这样的课题现在几乎无人问津。

定量化研究：生物学的弱项和突破口

确实，生物学家在过去几十年里对于他们工作的定量化方面考虑得太少。虽然过去的这些年，生物学集中了太多的有趣而重要的发现。现在我们已经处于这样一个重要的关口，譬如说要想进一步了解细胞功能，往往却因现实条件的过简而受挫。当今细胞生物学和遗传学中习以为常的情况是，到处都是堆积如山的数据，而少有定量化的模式和明晰的对遗传现象的解释性语文。在现今遗传学中，简化已成为寻找新发现的基因功能的惯常方法，但是如果绝大多数人基因组(至少是其蛋白质产物)都具有一种以上的功能(或具有共同的拮抗物)，那又该如何？描述细胞事件使用过于简化的语言很可能会使人产生错误的判断或失去意义，只有依托某种定量化的模式才会使描述变得有价值，也不致产生歧义。

细胞分裂周期是一个典型的例子。有一组具有触发细胞分裂(至少是在酵母里)的蛋白质得到鉴定，这是很了不起的科学成果。但这种蛋白质何以具有触发功能？这一功能是细胞内还是细胞外的作用所致？这些都是有待研究的课题。只有在建立了细胞的量化模型后，这一问题才有可能得到圆满解释。

人脑探索：几近空白的领域

这份有关未知领域的名单还必须包括对人脑的探索，这也是目前几近空白的领域：尚没有人从神经学角度去解释决策(决定)的形成过程；同样的，也没有人知晓想象力是如何释放的；意识的构成也是一个谜。尽管在过去的一个世纪里，神经科学取得了不可思议的成功(更不用说与此相关的人工智能了)，但就对认识过程的理解而言，现在的认识水平与一个世纪前相比并没有什么大的进展。基本的困难在于要鉴定头脑信号中进行决策和其他认识活动的神经原的行为模式。或许决策过程涉及好几种交替的神经相关性，这些使得研究工作变得十分复杂。但也没有理由认为挑战是难以应付的。即使非人类的动物(如迷宫中的鼠)也会作决策，虽然它们并没有意识为什么要这样做。这表明，观察和实验是有可能的。当然即使上述问题在未来50年里仍得不到解答，神经科学家也不必为此气短神伤。

物理学：弦论将得到体验

在基本物理学方面也有一个中心问题未能解决。这一问题源出于这样一个事实：量子力学和爱因斯坦的引力论不能相互共存。在过去的20年试图“量化”引力场的种种努力未果的情况下又做了很多的尝试，但由于在上述这两种理论(也是20世纪的两大辉煌成就)间缺少某种桥梁，使之不能以其惯常的严密性来描述宇宙开始大爆炸时的情形。这种怀疑也影响到粒子物理学界，一些物理学家已就宇宙间的四种基本力最终有可能统一起来的目标付出了多年的努力。弦论研究领域的那些研究者相信他们能提供某种跨越上述两种理论的桥梁；但是另外一些学者却认为，弦论研究在过去20年里数度起伏，前景难谓乐观。但至少在未来50年里应该能够证实弦论学说的正确与否。

是否不需很长时间就能找到答案？我的看法是50年时间可能是过长了。如果在未来几十年里，弦论被证明确能真实描述物质的粒子世界或者仅仅是一条死胡同，我们都不必惊讶。人们不要忘记，19 世纪从法拉第用实验证实电和磁是同一现象的两个方面到麦克斯韦最终提出电磁理论之间花了整整30年！其后的教科书详尽地描绘了理解麦克斯韦理论所涉及的数学。现在就弦论而言，理解其所需要的数学也一定会在这一理论的逐步推进中被创建出来。而且，如果弦论能够成功地在引力和量子力学之间建立起某种桥樑的话，也就等于提供了有关物质基本粒子的新图景。这种图景赋予时空以极小的微观结构，以致现有的加速器或任何期望中的方法都难以探测到。很可能不存在某种唯一恰当的实验数据。对此，我们必须有耐心。

科学突破只能是渐进的

虽然我们都期望科学发现的步伐呈加速度，但很重要的是，在某些科学领域，许多目标的实现只能是缓慢的，而且有赖于大量艰巨的探索。诚然，探索太阳系的航天器可以在其发射前的10年设计建造。但同样不该忘记的是，人类是在地震学建立一个世纪后的今天，才开始掌握灵敏的测量和分析技术，这种技术可使科学家迅速得到我们生活的这个星球的内核的实际情景——表层岩迁移产生的岩浆流驱动着地壳板块在地表的运移。60年代以来，生物学家虽已洞悉了生物体基因的调控方式，但迄今对即使是最简单的细菌的全基因结构功能，都还未能整体地了解。如果思维的神经相关性在未来50年内得以鉴定，堪称是非常幸运的。我们的未来将取决于重大科技成果的应用，但是在我们面前还有许多重大的科学上的未解之谜。

一旦在行星系发现某种形态的生物，无疑将根本性地改变人类对自己在自然界地位的看法。科学上的许多东西都是不可预见的，过去500年科学的发展一再证明了这一点。从这个意义上说，未来50年的科学进程将更为迷人，它足以改变所有人的生活。

[ Scientific American， 1999 年12月号]

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* John Maddox (约翰·麦多克)博士为Nature杂志前任主编。