神秘的黑箱——不见踪影的存在

经过一个世纪的探索，引力波终于被发现了，但这只是划去了长长的神秘名单中的一个。从产卵的鳗鱼到黑洞的事件视界，有很多我们确信存在的事物，如同躲在神秘的黑箱中，始终不见踪影。下面我们就为大家列举10个这样的有趣例子。

宇宙物理中的黑箱

黑洞

黑洞是我们耳熟能详的事物，理论早已证明它的存在，我们也已经谈论了很多年，但就是没人见过它的真容。
黑洞的引力如此强大，没人任何物质，包括能使它们可见的光，能从它的引力场中逃脱出来。所以，黑洞不能像普通天体那样能够直接观测到。而最近所探测到的引力波，是两个相对较小的黑洞合并时产生的。这可看作黑洞存在的间接证据——也许是目前最好的证据。天文学家认为，引力波的发现说明了黑洞或类似的东西广泛分布于宇宙之中。
但如果使用现有的理论来分析黑洞，就会产生许多悖论。例如，理论表明黑洞会因不停辐射“霍金辐射”而逐渐萎缩变小，直至消失。那么，黑洞内部物质携带的信息也会随之消失吗？现在，理论学家仍没有找到一个完美的解释理论。
也许，直接观测到黑洞才能搞清楚这些问题。
现在，一个被称为“事件视界望远镜”的观测阵列，集结了位于美国、墨西哥、智利、法国、格陵兰岛和南极的天文望远镜，将会在2017年发挥出全部的威力。这个观测阵列的主要任务是通过寻找围绕人马座A*的高速旋转的发光发热物质，来为它画一个大致的图像。人马座A*位于银河系的银心，它的质量是太阳质量的400多万倍，使得附近的恒星都疯狂地围绕它旋转。许多天文学家认为它就是一个黑洞。如果这是真的，那么对它的观测结果进行分析，应该可以得到一些黑洞内部的信息，也许还能搞清楚我们的黑洞理论该怎样修正，才可消除悖论。

奥尔特云

你会在每一本天文学教科书里看见它：一个围绕太阳、主要由亿万块岩石和冰块组成的球状云团，是太阳系的外层边界。奥尔特云的最远边缘到太阳的距离，是地日距离的10万倍，这已经越过了前往临近恒星——比邻星路程的三分之一。
不过，奥尔特云内的天体都太小了，而且几乎处于黑暗之中。所以，我们从来就没见过奥尔特云。唯一间接表明奥尔特云存在的证据是，那些“长周期”彗星偶尔的造访。远离太阳的奥尔特云容易受到临近恒星或整个银河系引力的扰动，致使奥尔特云的天体离开原有轨道，进入内太阳系，成为彗星。
奥尔特云的天体被认为是太阳系形成时遗留下来的物质，它们的分布和大小可以帮助我们理解这一过程。寻找系外行星时所使用的一个技术——寻找凌星（行星从恒星“脸”前掠过）时恒星亮度的变化——可用来找到奥尔特云。2009年，天文学家发现，从理论上来讲，新发射的开普勒太空望远镜可以探测到奥尔特云中几十千米宽的天体——如果它们正好从某颗恒星“脸”前掠过的话。
但在实践中，星光短暂地变暗常常会被认为是探测器的故障。而且，开普勒指向的是太阳系平面的上方，远离奥尔特云天体最为集中的地方。但不断涌入内太阳系的新彗星，给了天文学家足够多的研究材料。因此，天文学家都很确信奥尔特云的存在，即使我们从未见过它。

胶球

胶子是传递夸克之间强核力的粒子，能使夸克们粘在一起形成诸如质子或中子等强子。胶子还有一个奇怪的性质：因为它们也能感受到强核力，这意味着它们彼此也可以结合在一起。于是，理论学家提出了胶球概念——一种完全由一堆胶子构成的复合粒子。
尽管许多理论学家坚信胶球必然存在，但实验人员却认为我们可能永远找不到它们。
理论研究表明，能量达到1500兆电子伏特，或者说相当于一个质子所含能量的一半时，就足以把一堆胶子粘在一起，形成一个胶球。1995年，瑞士苏黎世大学的理论学家提出，在欧洲核子研究中心发现的两个分别具有大约1370兆电子伏特和1500兆电子伏特的粒子，可能就是胶球。之后，他们还发现了第三个候选者，它具有的能量约为1710兆电子伏特。
但强核力是出了名的难以计算。为简单起见，胶球的模拟计算往往是在一个只充满胶子的假想世界中进行的，但真实的世界并非如此。当你开始准备测量一个胶球时，夸克也会不可避免地迅速粘到胶球上，就像一些带刺草籽会粘到袜子上一样，因此你很难证明它曾经是一个纯粹由胶子构成的粒子。所以，上面那三个候选粒子很有可能是包含夸克的复合粒子，真正的胶球我们还是无法发现。

动物中的黑箱

磁受体

随着小海龟从美国佛罗里达海滩上的卵中破壳而出，生物学家肯·罗曼开始了行动。他舀起一些小海龟，把它们放进一个黑屋子里的水箱中，水箱的周围绕着电磁线圈，然后他试着改变磁场方向……
这是罗曼在1991年所开创的新实验，它证实了之前的怀疑：海龟可以感知磁场，根据磁场方向的变化来改变游动的方向。那么是什么原因使得它们不仅能感知地球的磁场，还能借此导航？许多不同种类的生物，例如老鼠、龙虾和果蝇，似乎也有类似的能力，但没人找到它们感知磁场的生物器官，即一种被称为磁受体的东西。
针对这些动物大脑的研究，我们有了些线索。2009年，美国的神经科学家对鸽子大脑在磁场下的活动情况进行了成像。他们发现，随着磁场的变化，鸽子大脑内有53对神经元改变了激活方式。但是，它们从哪里得到磁场改变的信号呢？鸽子身上并没有像耳朵或鼻子那种明显的器官来感知磁场。
一个候选对象是隐花色素——一种在鸟类、鳟鱼等许多动物的眼睛发现的蛋白质。这种蛋白质能感知磁场变化。研究人员还发现，用基因工程把果蝇的产生隐花色素的基因去除后，果蝇就感知不到磁场变化了。
但这一解释并不全面。首先，我们人类的眼睛中也有隐花色素，但我们却不能感知磁场。其次，没人知道磁场是如何向大脑传入信号的。
2015年，来自北京大学的研究人员发现了一个对磁场敏感的蛋白质（名为MayR），而且它还具有控制肌肉细胞和神经元的能力。这是一个新的候选对象吗？许多科学家对此表示怀疑。总之，在这个研究领域中，科学家有点迷路了。

52赫兹鲸

它以“世界上最孤独的鲸”而出名。它出没于太平洋，呼唤着它的同伴，但从来没有得到一个应答。52赫兹鲸是独一无二的，它能发出52赫兹的歌声，但这一频率比起任何已知品种的鲸都高很多（蓝鲸的为10到39赫兹，长须鲸的约为20赫兹）。
1989年，52赫兹鲸的歌声首先被生物学家比尔·沃特金斯记录到。但是，即使到了现在，我们还没有见到这头唱歌“跑调”的鲸。
然而，这头雄性鲸——只有雄性鲸可发出宏亮的歌声——可能并不是独一无二的。美国斯克里普斯鲸鱼声学实验室的约翰·希尔德布兰认为，应该有不止一头这样的鲸。因为，他的团队曾利用水听器只在几个小时之内就记录到这种独特的鲸鱼之歌。
它季节性的游弋路线类似于蓝鲸，沃特金斯认为它是蓝鲸与长须鲸的杂交物种。希尔德布兰认为，它的母亲是蓝鲸，而父亲是长须鲸。长须鲸像鼓手，会发出短促的歌声，而蓝鲸像美声歌唱家，可拉长音，52赫兹鲸则有点混合这两种唱法。
2015年，一个尝试找到52赫兹鲸的项目以失败告终，因为调查人员没有及时地分析水听器录下的声音。等他们开始分析录音时，才发现要找的动物早已跑远了。现在，位于美国加州圣巴巴拉海峡的监测网络——主要是用来监听蓝鲸的——可能还有机会找到这个或这些神秘动物。

产卵的鳗鱼

自然界中有很多很多鳗鱼，然而直到今天，也没有人真正知道鳗鱼是怎么生产下一代的。我们常听说这样一个迁徙故事：美洲鳗和欧洲鳗穿过数千千米的水域，游到马尾藻海来产卵。马尾藻海位于北大西洋西部，临近百慕大群岛，是一个巨大的、有着独立环流的温暖海域。新出生的幼鳗从这里游回到各大洲河流里生活。
但上面这个故事完全是推测出来的。这个故事是丹麦研究人员约翰内斯·施密特在一个世纪前，根据他在马尾藻海的一系列探险而推测出的。但直到现在，没人见过正在这里产卵的成年鳗鱼，也没人见过产卵后洄游的成年鳗鱼，它们的迁徙故事完全成谜。但这一切一定与马尾藻海有关，因为在那里能找到微小的幼鳗。
最近，为了破解鳗鱼产卵之谜，大西洋两岸的科学家给一些成年鳗鱼装备了微小的追踪器。这些追踪器会在6个月后自动浮出海面，并通过卫星发布数据。开始时，没有得到任何有价值的数据。直到2014年，一条在加拿大海岸放生的鳗鱼，被追踪到在2400千米外的马尾藻海北部边界出现。尽管这可作为证据，但是这只是来自一条鱼的数据。而在瑞典标记的欧洲鳗所传回的数据，没有一个是越过了亚速尔群岛的。而抵达亚速尔群岛的路途，还不到抵达马尾藻海路途的一半长。另外，科学家现在也没追踪到哪怕一条产卵中的鳗鱼。看来，这些狡猾的鱼类仍将保持神秘。

生命进化的黑箱

地球上的第一个生命

科学家把地球上第一个从非生命变为生命的东西称为“艾达（IDA）”，即最初达尔文主义祖先（the Initial Darwinian Ancestor）。之后，艾达产生了露卡（LUCA），即最后的共同祖先（the Last Universal Common Ancestor）——使用遗传密码存储信息的一种分子，地球上现存的和已经灭绝的所有生物都由露卡衍生而来的。
可以说，艾达和露卡仍生活在我们身体中。我们细胞内的DNA都使用着与之相同的遗传密码，这暗示着露卡也可能就是DNA构成的。但事实上并没那么简单。所有的生命都是用蛋白质来把脱氧核糖核苷酸合成DNA，并执行DNA上的代码，但是蛋白质本身也是由DNA模板制造出的。那么谁先诞生出来的？
也许哪个都不是。RNA与DNA类似，而且存在于所有的活细胞中。它也携带遗传密码，最为关键的是，它还可以催化生物化学反应。所以，一种被称为“RNA世界”的假说认为，露卡是RNA构成的，它最终产生了DNA和第一个细胞。
但是，RNA又是从哪里来的呢？英国伦敦大学学院的尼克·莱恩认为，温暖的海底火山口有着很多甲烷和矿物质，RNA可能会在此诞生。而且，最近模拟RNA诞生的实验表明，如果化学物质合适的话，许多生命的基本零件几乎都可以自发地组装起来。

黑猩猩到人类缺失的环节

每年都有许多古人类和古猿的化石被发现，但我们仍然没有挖出原始的“缺失的环节”——人类和黑猩猩的最后共同祖先在哪里？
我们有一个很不错的理论，告诉我们这个生物何时存在以及在哪里出现：在非洲，大约700万年前。但是化石证据却十分难找。经过几十年的搜索，我们已经有了相当丰富的人类祖先的化石，最早可以追溯到400多万年前，但是更早的祖先几乎没有留下什么化石。
这可能是多种原因导致的。与早期的祖先相比，较晚的人类祖先的数量已经很多，而且在新的生活区域，例如湖岸或洞穴那里，他们更可能会变为化石。
如果我们知道要找的化石是什么样的，那么找起它们来会更容易。比较早期古人类化石、猿类化石和大量现存的灵长类动物，一些古人类学家认为，更早的祖先是有手的，而且大腿骨更像人类的。他们可能仍然用四肢走路，但是不是黑猩猩那样。另一些古人类学家认为，他们的肩膀更像黑猩猩的，可能会像现在的黑猩猩那样能在树之间晃荡。
科学家希望对现存猿类的基因组进行比较，以得到人与黑猩猩分道扬镳的时间表。但最近的基因研究暗示，我们的一些染色体从早期祖先那里分化出来的时间，比另一些染色体的分化时间更早。这可能暗示着早期灵长类曾分开过一段时间，然后又重新回到一起发生杂交，然后再分开并出现永久的隔离，而这一切只经历了数百万年。所以，古人类学家现在面对的是一个十分混乱的局面，找到真正的早期祖先更是难上加难。

思维的黑箱

意识

意识不是我们所能看到的东西，它是我们看到东西时所需要的东西，这使得对意识的研究变得极具挑战性。
意识的作用就像一个开关：你要么能体验到世界，要么就体验不到。所以，一种通常定义意识的方法是这样的：一种在我们进入无梦睡眠时失去的东西，而当我们醒来后又重新得到的东西。但事实上，你能体验到多种不同水平的意识。比如我麻醉你：你也许能听到我的说话，但无法应答；你也许进入梦乡并听不到我说话；你也许什么都感受不到，既不做梦，也听不到我说话。那么，这些不同水平的意识体验与哪些大脑区域的活动有关呢？
我们知道大脑中的一些区域如果损坏或受刺激后，会引发意识的丧失。屏状体——一种深埋于大脑中的薄片结构，就是其中之一。但许多主流理论认为，意识并不局限于某一个解剖结构上。例如，“信息整合理论”就认为，意识是整合的数据大于各部分相加的一种效果，即“1+1大于2”的效果。而无意识不一定是因大脑区域被关闭了，也可能只是一个通信故障。
最近，一些研究人员扫描了志愿者缓慢麻醉时的大脑活动情况，扫描结果似乎符合“信息整合理论”。这也解释了为什么氯胺酮具有迷幻作用：这种强效的镇静剂会降低大脑不同区域之间的信号传递。

无穷大

数学中的许多地方都可找到无穷大。没有无穷大，以及它的相反面无穷小，数学很难顺利地进行下去。
当我们尝试写下所有的正整数时，很容易发现这个序列是没有尽头的，于是我们把最后一项就叫做无穷大；定义一个完美的圆，需要一个小数部分是无穷尽的数π；计算连续运动，我们需要把时间分割为无穷小的块儿。
但这些在实际中是真实存在的吗？就拿整数来说，你是永远不可能写完的。
鉴于这个原因，处理实际问题时，物理学家通常要避免出现无穷大，但这说起来容易做起来难。例如，宇宙大爆炸理论认为宇宙诞生的“奇点”具有无穷大的密度和温度，但是面对这种无穷大，分析它的物理规律就都失效了。一些诸如弦理论的替代理论，旨在让我们避免这些无穷大，但是这些理论仍不成熟，而且有时仍会产生其他的无穷大问题。
少数的科学家认为我们要完全避开无穷大，还声称它在一个有限的宇宙中并不存在。但大多数科学家并不想放弃它。因为，只要能确保它不会毁了你的计算，无穷大的概念仍十分有用。