金华江南中学图片:科学之谜（二）

一、 雷电是我们司空见惯的自然现象，但它的成因却至今还是一个谜。自从富兰克林证实了闪电就是一种电火花后，关于闪电形成的机制就一直困扰着人们。科学家们发现，一般情况下，雷电云层要超过3公里厚度才可能产生雷电。这时，云层上部温度很低，带正电荷，云层底部则带负电荷。当正负电荷之间的电场足够强大时，就会击穿空气绝缘层，产生闪电。云层越厚，顶部温度越低，雷电越激烈。但是，为什么本来为中性的云层会分出正负电荷来呢？一种说法是雨滴或冰珠带着负电荷，而小尘粒和冰晶带正电荷。雨滴向下落而小尘粒和冰晶则在云层上部积聚。这样就产生了引起雷电的电场了。按照这个理论，雨滴在下落的过程中要克服电场力，从而使下落的速度变慢；闪电过后，电场减弱，雨滴加速下落。但实测结果并非如此。另一种解释是有一个充电过程，那是由小冰块或冰晶或水滴的碰撞完成的。碰撞后，小而轻带正电荷的碎块跑到云层上端，大而重带负电荷的碎块继续落下，所以云层底部就带负电荷。但是，闪电经常发生于降雨之前，甚至光打雷不下雨，而且火山爆发时也会产生闪电，这又如何解释呢？于是又有人提出，电荷是在云层外产生的，剧烈的气流运动不停地从大气中吸附电荷并将它们分离。遗憾的是，这些理论都还没有得到证实。
二、 在我们的生活中，处处都可以体会到摩擦的现象，如果没有了摩擦，我们甚至连一步路也走不了。但摩擦力究竟是怎么回事呢？这个问题已经争论了500多年，却还没有十分清楚。最早，有人说表面越是光滑，其摩擦力越小，这是因为物体表面凹凸不平所致。按凹凸说来理解，两物体的摩擦力其实就是克服凹凸时的不停抬起下降或是破坏所用的力。这一理论在相当长的时间里得到绝大多数人的认可。后来，有人从分子力的角度提出质疑。认为凹凸说虽然在一定程度上是对的，但如果物体表面十分光滑，则两物体间的分子力就会发生作用，那时就不再是越光滑摩擦力越小啦。按照这个理论来说，如果物体能够磨得绝对光滑，两个物体甚至可以粘成一体。因为它们彼此的分子已经进入了对方的引力圈。其实这个争论应该仅限于微观世界里，我们日常生活中的摩擦是绝不会用分子力来解释的。
三、 宇宙倒底有没有边际？相信每一个爱动脑筋的孩子都思考过这个问题。然而，这的确是一个最难接近真理的问题。人类对这个问题的研究，经历过“有限有边”、“无限无边”、“有限无边”几个重大阶段。当科学家们提出了膨胀宇宙模型，似乎就是宣告了这个问题永远无解。因为按照这个理论，宇宙膨胀将使星系彼此远离的速度越来越快，最终达到光速时，我们将无法观测到那些遥远的星系，甚至有一天连离我们最近的星系也会看不到。到那时，即使我们的技术再发达，也无济于事。而天文学是以观测作为实验根据的科学，看不到，测不出，一切只是说说而已，那还叫科学吗。有人说，辩证唯物主义哲学上的宇宙观是：世界是物质的，空间无边无际，时间无始无终，物质运动形式无穷尽。如果你非要给宇宙一个边际，那先请回答这个边际是什么？边际以外又是什么？人们可以将哲学上的宇宙与物理学上的宇宙分开理解，物理学上的宇宙强调的是可观测的宇宙。因此有人提议在物理学中用总星系来代替宇宙一词。但也有人认为，既然哲学是自然科学和社会科学的概括与总结，它也理应概括和总结宇宙研究中观测的事实，不能仅靠思辨来回答问题。
四、 宇宙万物包括我们人类自身都是由不到一百种元素中的一个或多个元素组成的，只不过所用的元素不一样，组成的方式不一样罢了。那么，这些元素来自哪里呢？人们曾经提出过一些设想，但较为科学家接受的是来自于恒星演化过程。我们知道恒星内部发生着热核反应，如果形象地说就是在进行氢燃烧。核反应过程并不总是一种模式，它会越烧越热，而且会产生出新的元素出来。比如氢热核反应生成氦，当温度达到1亿度时，氦又会发生核反应。继而还会有碳、氧、硅等等进行燃烧，直到产生较重的铁元素时，恒星内部就不再进行核反应了。而当恒星将死时，它会来一个大爆发，我们称之为超新星爆发，那时它会突然释放出巨大能量，此过程会产生出一系列由铁元素生成的重元素出来。恒星产生的这些元素总要被抛向广阔的宇宙空间，它们又将与别处的星际物质再一次组合并形成新的原始恒星。人们在宇宙中观测到的元素，越重则越少，符合这一理论。但氢元素又是从哪里来的？重元素果真是在超新星爆发中产生的吗？目前还没有确切的证据。
五、 自从科学家们提出了绝对最低温度以来，人们就不停地向-273.15℃冲击。虽然目前人们已经相当接近这个温度，但却始终无法达到它。这是因为低温的获得与气体的液化是分不开的，液化气体在蒸发时会使自身温度降低。这也就是我们家用空调和冰箱的工作原理。问题是温度是物质分子运动的标志，因为分子的不停运动，所以物质才具有温度。如果达到-273.15℃，按照热力学定律，分子就会停止运动了。而物质是不会停止运动的，所以绝对零度永远也不可能达到。想想看，要降低温度就需要液体蒸发，而蒸发本身就是物质的运动方式。所以，只要蒸发着，就不可能停止运动；不停止运动，绝对温度就不可能达到。因此，这是一个不可能用实验直接证明的问题。不过量子力学认为，即使真的到了绝对零度，物质的微观粒子也不会完全停止运动。然而这同样也是一个不可能用实验来证明的问题。
六、 科学研究表明，组成生物体的所有元素，都可以在无机物的元素中找到，它们就是碳、氢、氧、氮、硫、磷等。问题是这些元素究竟是如何组成了生命体。原始地球上的无机分子是怎样变成有机分子，进而又成为生命分子的呢？科学家曾经模拟原始地球大气和海洋的成分，并对其进行放电，结果还真出现了一些复杂分子。后来人们终于打破了无机物与有机的界线，用无机物合成了有机物。这究竟算不算人工合成生命的曙光，现在还不好说。
七、 先有鸡还是先有蛋是一个古老的话题，其实在生命化学中还有一个比这个问题更具根本意义的问题，那就是先有核酸还是先有蛋白质？在生命细胞中，核酸与蛋白质是最基础的物质，它们谁也离不开谁：蛋白质的合成需要核酸来编码；核酸的合成与复制需要蛋白质来催化。那么地球上最早出现的是哪一个呢？有人认为是先有蛋白质，有人认为是先有核酸，两方面的科学家们都在各自的实验中得到了一些证据，但都还不能断定。于是有人提出同时出现的观点，遗憾的是这一理论不仅不能自圆其说，连实验根据也还拿不出来。
八、 位于地球上空30公里处有一层薄薄的气体，叫臭氧层。别看这薄薄的一层，它可是我们人类和其他生物的保护伞。如果失去它，太阳辐射过来的紫外线会将我们全部杀死。然而在南极上空，这个保护伞却被撕开了一个大洞。现在，人们普遍认为这是由于人类大量使用氟氯碳聚合物所致。据信全球每年释放出的这种东西达百万吨以上。实验也确实证明氯与臭氧会发生化学变化，从而破坏掉臭氧。但是也有人认为臭氧的大量减少是由于自然界产生的氧化氮引起，并非人为造成的。还有人认为，南极空洞与全球性臭氧变薄是两回事，南极空洞不是因化学物质引起的，而是因南极上空的狂风所造成。也有说是由于喷气飞机造成，因为南极上空是繁忙的飞行航线等等。虽然这些观点没有确切的证据，但似乎南极空洞也并没有总是一直扩大着，而是时大时小。地球上每年由雷电所产生的臭氧也是数量可观的。
九、 我们都知道在医院可以做心电图、脑电图检查，其实不仅是人类，所有生物的活动都跟电息息相关。问题是，生物电从何而来呢？有人认为，在细胞内外，离子浓度不同，从而产生一种膜电位。细胞的活动会改变这个电位，从而形成电脉冲；还有人认为，细胞会有选择地吸附某种离子，这样使细胞膜与细胞液之间产生双电层，像电极一样产生电位差。还有人认为，细胞本身就是一个微小的燃料电池。细胞内进行的氧化-还原反应是产生电位的根本原因。如细胞液提供养料成负极，膜外的血液输来氧为正极，而蛋白质则是两极的通路。还有认为，细胞随时都在进行着电子的得失，即氧化还原反应，因此，一旦有导电物质存在，就会像无数个小电池串联起来一样产生电流。这些看法虽然都有一定的根据，但距离彻底揭开奥秘还差得很远。
十、 人和很多动物都有记忆的本领，但为什么能够记忆呢？却是一个谜。科学家在实验中发现，受过记忆训练的鼠脑细胞中，一种叫多肽的物质含量升高很多，于是认为记忆的化学物质可能就是蛋白质多肽分子。记忆的过程就是脑细胞中记忆大分子迅速形成的过程。记忆分子的每一种排列次序和组合代表一个记忆事物。另一种观点认为，记忆与化学物质乙酰胆碱有关，乙酰胆碱是传递传递信息的神经递质，它在脑中增多时，信息就传递得快，记忆形成得也快。临床试验也发现，服用乙酰胆碱类药物可使老年人记忆有所好转。但这些观点还都不能肯定就是记忆物质或解释它们与记忆是什么关系，只能说记忆确实与化学物质有关。记忆的化学物质究竟是什么？记忆的化学过程究竟是怎样的呢？
作者：周文普
中国科普网 版权所有 不得转载 京ICP备05033428号