穿越迷霧，七個前沿“燒腦”概念帶你從“新”理解科學

來源：科學的樂園科學是我們理解宇宙奧秘的最佳途徑。為了理解那些難以捉摸的現象，科學界常常拋出各種概念，隨之而來的新發現又會不斷挑戰這些現有概念——這也正是推動科學發展與進步的樂趣所在。即使是知識淵博的人，也可能在一些深奧而具有爭議性的科學概念面前感到困惑。從神經多樣性到量子生物學，從流浪行星到人工智能，甚至人的思維本身，近期出版的《新科學家》雜志探討了科學前沿的七個“燒腦”概念，從中可以窺見科學前行的脈絡。理解思維“讀心術”是否可能？思考一下，你理解你的“思維”嗎？有人把思維形容成“飄忽不定的東西”。有人認為思維就像煙花，閃爍著雜亂無章的火花，卻包含一個可控的中心光源。這些描述顯然沒什么科學道理，但即使是專家也不太確定“思維”到底是什么。最新神經成像研究顯示，我們可能永遠無法真正確定思維在大腦中的表現形式。澳大利亞莫納什大學哲學家、《思維》一書的作者蒂姆·貝恩說：“沒有人真正知道思維是什么，但可以從兩個方面著手理解：一是內容，二是性質。”神經細胞以突觸的形式互聯，形成神經細胞網絡。首先，從內容上理解，思維與感知或感覺都不盡相同。可以說，三者都涉及在頭腦中呈現某種事物，但思維的不同之處在于，它于被思考事物所產生的任何。關于思維是如何產生的，加拿大不列顛哥倫比亞大學思想認知與神經科學實驗室負責人卡琳娜·克里斯托夫認為，有三股信息流進入了我們的意識，從而激發了思維——外部感知（來自外部世界）、內部感知（來自人的器官和內部生理環境）和構思（指自發地、從潛意識中“涌現”出來的想法，包括走神或白日夢，而非推理和解決問題等有意識的思想）。有內容就有形式。思維的形式是怎樣的？美國內華達大學拉斯維加斯分校的羅素·赫爾巴特設計了“思維采樣”實驗，想以此來探索思維的形式。他讓志愿者根據隨機提示記錄自己當下的內心體驗。這個實驗揭示，思維可以是語言的、視覺的、情感的、建立在身體感覺之上的，也可以是無符號的，或者是這些的混合體。赫爾巴特說，個體之間在思維方式上存在巨大差異，盡管很多人都沒有意識到這一點。至于思維的性質，或者說思維在大腦中是什么樣的，克里斯托夫利用功能性磁共振成像技術來探討這個問題。“思維肯定有神經相關性。”她說，一些大腦活動能簡單反映正在進行的思考類型，例如人在視覺思考時，大腦的視覺皮層會被激活。更令人驚訝的是，在自發思考發生3秒前，人腦中默認模式網絡的部分區域以及記憶相關區域表現出活躍狀態，且記憶區域的神經連接異常多樣，這或許有助于解釋為什么自發性思維往往不拘一格、隨心所欲。雖然神經成像可以讓我們粗略猜想一個人在想什么，但克里斯托夫認為，它并無法準確解釋思維的主觀體驗，也無法進一步使讀心術成為可能——而這正是美國神經連接公司（Neuralink）等腦機接口公司所追求的目標。“思維是從大腦這一物理基礎中產生的，但這又不是決定性的。”量子生物學“類量子”觸發靈感？長期以來，量子生物學都被認為是邊緣學科。人們認為，在細胞這種溫暖潮濕的環境中，量子效應很快就會消失。然而，情況正在發生變化。初步證據表明，細胞內部的一些機制可能涉及量子行為，并且量子生物學可能不完全遵循傳統的亞原子世界規則，這對經典世界與量子世界的邊界提出了新的挑戰。在美國普林斯頓大學化學家格雷格·斯科爾斯看來，量子生物學真正有趣的地方在于，它或可解釋那些無法用經典物理預測的、新出現的宏觀現象。圖片來源：pixabay尋找生物過程中的量子效應，通常意味著要尋找諸如疊加態等典型的量子特征。據美國加州大學洛杉磯分校量子生物學技術實驗室負責人克拉麗斯·艾洛介紹，在體外細胞中，科學家已在微管蛋白質中觀察到了疊加的跡象，“但到目前為止，所有這些結果都只具有‘相關性’”。因為，沒人能明確證明或反駁量子效應是否能在細胞內維持足夠長的時間，從而對生命活動產生影響。不過，艾洛有一些關于如何確認這種效果的想法。她的研究重點是磁場對一系列生物過程的驚人影響——從細胞代謝到DNA修復。“整個細胞體系可能會對微弱的磁場有所反應。”她說。這一想法是，磁場可以影響到電子的一種量子特性——自旋，而這種量子效應可能對下游的生化反應產生連鎖影響。與此同時，斯科爾斯正在構建一個新的理論框架，幫助我們找到生物學中的量子效應。他的主要觀點是，通常的量子規則——基于少數粒子之間的相互作用——在這里并不適用。“我們需要接受量子生物學的復雜性，我們需要發展一種新的語言。”從廣義上講，量子相干性通常由不同波之間的同步程度（相位）來表征，所以斯科爾斯開始在生物學中尋找類似的現象。他借用了圖論的數學方法，這種方法描述了大量對象之間的關系，通過對生物振蕩進行求和來識別相位的出現模式。斯科爾斯說，振蕩發生在生物體內，包括細胞內的生化過程和大腦中的神經元網絡。他認為，在實驗中觀察到的量子效應可能就與振蕩有關。斯科爾斯的研究也模糊了量子與經典之間的界限。雖然這些生物狀態類似于量子疊加態，但他的所有計算都是使用經典物理定律完成的。因此，他稱這些狀態為“類量子”狀態。他甚至開始推測這些類量子狀態在大腦中可能發揮的作用——它們可能會快速高效地將不同區域的信息整合在一起，帶來思維的跳躍或瞬間的靈感。神經多樣性自閉癥是差異不是病？神經多樣性是一個新興概念，用來理解像注意缺陷與多動障礙（ADHD）和自閉癥這樣的神經發育差異。美國杜克大學的杰拉爾丁·道森解釋道：“神經多樣性反映了人類在感知世界以及與世界互動的方式上的差異，這些差異源于大腦的發育和功能。”這一概念的核心是欣然接納這些差異，而不是將其視為問題。然而，神經多樣性理念近年來引發了爭議，特別是對于那些習慣于將差異視為“障礙”的精神科醫生和神經科學家來說。英國卡迪夫大學精神科醫生安妮塔·塔帕爾指出：“有些人認為神經多樣性范式與醫學范式對立，但我認為兩者各有價值。”自閉癥表現意象圖“神經多樣性”一詞最早由社會學家朱迪·辛格于1990年代末提出，她用這個詞描述那些沒有智力障礙但在與他人互動方面遇到困難或有重復行為方式的自閉癥患者。這一術語將自閉癥視為一種差異，而不是疾病，并強調自閉癥所帶來的許多優點，比如創造力、對特殊興趣的專注和獨特的思維方式。神經多樣性并不否認自閉癥帶來的挑戰。道森指出，它的重點在于通過允許選擇和自主干預來克服這些挑戰。這個概念已擴展到包括ADHD、學習障礙和閱讀障礙等其他神經發育障礙類疾病，甚至有人認為焦慮、抑郁等心理健康問題也屬于神經多樣性的一部分。但塔帕爾認為，將一切都視作神經多樣性可能會失去意義。她認為，接受神經多樣性不等于完全放棄診斷和干預，而是要靈活處理，關注個人的需求和挑戰。通用人工智能人類智能能被抽象復制嗎？通用人工智能（AGI）是近期科技領域最熱門的話題之一。大型語言模型ChatGPT的成功，使AGI的概念進入公眾視野。AGI被視為技術前沿公司追求的目標，如OpenAI就表示其使命是“確保通用人工智能造福全人類”。各國和媒體也持續關注AGI的發展潛力和潛在威脅。然而，AGI究竟是什么？許多專家認為，AGI的定義并不明確，甚至有人質疑這一概念的科學基礎。圖片來源：pixabay美國新墨西哥州圣菲研究所的梅拉妮·米切爾指出，AGI并非真正的科學概念，因為智能難以用單一標準來衡量。她質疑，是否能將人類智能的復雜特征抽象化并在機器中復制，這仍是一個未解之謎。AGI一詞大約20年前由計算機科學家本·戈特澤爾和谷歌DeepMind的共同創始人肖恩·雷格首次使用，旨在推動人工智能從狹隘的應用領域走向全面模仿人類能力的系統。DeepMind特別強調，AGI應專注于“認知任務”，并提出了一個六級框架，其中最高級別的系統能夠在“廣泛的非物理任務中超越100%的人類”。DeepMind的梅雷迪斯·莫里斯認為，技術的進步應被視為一個漸進過程，推動對AGI的建立，“我們很希望那些研究智能和機器學習的專家能與我們的研究人員合作，共同制定新的評估標準”。同時，美國俄勒岡州立大學的托馬斯·迪特里希指出，將人工智能定義為“人類的復制品”是一個誤區。他建議，將AI視為“智能輔助裝置”，更能體現其實際用途。這種觀點更符合AI發展早期的目標，即設計能為人類執行特定任務的智能系統，而非盲目追求模仿人類智能。癌癥進化腫瘤也懂“適者生存”？癌癥曾被簡單定義為一種或一組疾病，指體內一群細胞不受控制地增殖并擴散到身體其他部位。然而，美國約翰霍普金斯大學的肯尼斯·皮恩塔指出，這種傳統描述未能體現學界對癌癥認識的演變。“人們曾將癌癥視為一種厄運，隨著時間的推移，癌癥會發生變化，而我們并不理解這些變化的原因、機制和動因。”近年來，科學家們開始從全新的角度看待癌癥——將其視為一個復雜的生物生態系統，其中癌細胞與宿主免疫細胞共存，相互爭奪資源、適者生存。皮恩塔解釋，癌癥會隨著環境的變化而進化，“如果癌細胞不進化，它們就會”。圖片來源：pixabay歸根結底，這就是癌癥的可怕之處。癌細胞迅速，還經常發生隨機突變，留下的都是最具優勢的變體。美國佛羅里達州莫菲特癌癥中心癌癥生物學和進化項目聯合主任羅伯特·蓋恩比指出，雖然醫學界對大多數癌癥有了初步的藥物和療法，“但在轉移性環境中，我們幾乎從未治愈過癌癥”。幸運的是，從進化視角看待癌癥，可以為其治療提供新思路。其中之一是，我們不應該試圖消滅癌細胞，而應該像治療糖尿病等慢性病一樣治療這種疾病。傳統的化療和放療方法通常會留下少量耐藥細胞，這些細胞在競爭對手被消滅后會迅速增殖，導致癌癥變得更難治療。蓋恩比的實驗室正在嘗試新方法，讓一些對治療有反應的癌細胞存活下來，以便它們能夠與耐藥性細胞競爭。另一種策略是針對癌細胞的適應能力。皮恩塔的團隊發現，當患者接受化療時，一小部分癌細胞會停止并進入休眠狀態，這些多倍體癌細胞能夠躲避化療藥物。他認為，通過摧毀這些休眠細胞，可以破壞整個腫瘤的生態系統。還有一種可能的策略是在癌癥發展之前就阻止其發生。英國倫敦弗朗西斯·克里克研究所的查爾斯·斯旺頓發現，慢性炎癥（如空氣污染、煙草煙霧或酒精導致的炎癥）可以激活免疫細胞，促使癌癥發生。這開辟了另一種治療途徑：從那些推動癌癥發生的免疫細胞入手。斯旺頓表示，人體正常系統不存在癌癥中的基因組不穩定性，因此靶點更加穩定，相比直接靶向腫瘤可能更有效果。科學家們相信，對癌癥的新認識將帶來治愈的希望。蓋恩比總結道：“癌細胞只能適應當前的環境，但無法預測未來，而人類可以。這是人類相比于癌細胞最大的優勢。”流浪行星億萬孤星或有宜居？想象這么一個世界：沒有太陽，沒有晝夜節律，只有伸手不見五指的黑夜，以及星際空間里無盡的漂泊……眾所周知，“流浪行星”確實存在，而且數量可能非常龐大。根據美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心的大衛·班尼特及其同事在2023年完成的一項數據分析，流浪行星的數量可能是恒星的20倍。這意味著僅在銀河系中，就可能有數萬億顆這樣的行星。這一數字看似難以置信，因為我們通常認為行星都是繞著恒星運行的。但流浪行星的存在與行星形成理論完全相符。“老實說，我并不驚訝流浪行星的數量可能超過恒星。”英國倫敦瑪麗女王大學的加文·科爾曼表示。盡管如此，這種現象仍讓天文學家感到震撼。“億萬孤星，流浪銀河。”美國康奈爾大學的麗莎·卡爾滕格說，“想象一下都是極美的”。浩瀚宇宙中的流浪行星藝術概念圖不過，我們無法直接觀測到這群“流浪”的行星。自2012年發現首顆流浪行星以來，科學家一直通過引力微透鏡效應來推測它們的存在。大多數流浪行星的大小與地球相近。較大流浪行星的形成可能類似于恒星，但地球大小的流浪行星如何誕生仍是個謎。科爾曼認為，流浪行星一定是在恒星系內形成，然后被拋射出去的——也許是由于一顆外部恒星的掠過拉扯，但這通常發生在恒星密集的區域，如球狀星團；或者是星系中的另一顆行星與恒星發生了爭斗，一顆被拉近恒星，另一顆則被拋向宇宙深處。在銀河系中，流浪行星最有可能在雙星系統中形成。因為在這種系統中，行星很容易被置于最終導致其被拋出的軌道上。至于這些流浪行星的星體組成及其表面情況，可能與正常圍繞恒星運行的行星相似——從小型的巖石世界到大型的氣體巨行星，也可能是比海王星還大的冰巨星。“我想象流浪行星會和這些行星非常類似。”科爾曼說，但唯一的不同是，由于沒有恒星提供光和熱，它們唯一的熱源只能來自行星內部，因此它們的表面很可能呈冰封狀態。熱噴口是流浪行星上一種可能的熱源。這些噴口由行星冷卻時的整體收縮所驅動，這也是冥王星上發生冷噴發的機制。“但也有可能這些流浪行星比我們想象的更溫暖。”美國加州理工學院的戴維·史蒂文森提出，如果它們的大氣中含有大量氫氣，這種氣體在高壓下是一種溫室氣體，流浪行星的表面溫度甚至可能類似地球。“這樣的行星可通過內部放射性元素的衰變來保持溫暖。”貝內特補充道。模擬研究甚至表明，一些流浪行星可能具備宜居條件。它們可能在冰冷外殼下擁有液態海洋，或者在表面形成厚厚的氫大氣層，以吸收足夠的熱量來維持生命。量子糾纏時空奧秘的表現？量子糾纏是指原子等粒子之間的神秘聯系，即使相隔很遠，也能瞬間影響彼此。這一現象挑戰了我們對空間和時間的理解，就連愛因斯坦都對這種現象感到不解，曾稱其為“幽靈般的超距作用”。量子糾纏看似難以解釋，但物理學家已逐漸接受了其神秘性，并利用它開發新技術。如今，它已被視為一種常規資源，是量子計算和量子密碼學等領域的技術核心。2017年，理論物理學家已證明量子糾纏是宇宙存在的必要條件，與量子理式無關。即使量子理論錯誤，糾纏現象仍然存在。波蘭格但斯克大學的安娜·塞恩斯指出：“我們在日常生活中看不到它，讓它顯得奇怪，但這只是宇宙的一個事實。”然而，這并不意味著我們已經完全理解了量子糾纏。“很多未解的問題真的非常基礎。”塞恩斯說，其中一個就是如何測量糾纏的強度。但也有專家認為，量子糾纏現象被過度吹捧了。例如，它一直被吹捧為時空本身產生的根本現象。最近，有人提出要在歐洲核子研究中心的大型強子對撞機上探測高能量下的糾纏現象，以此作為研究量子理論揭示現實本質的途徑。研究量子糾纏的科學家對此持謹慎態度。英國牛津大學的阿圖爾·埃克特表示：“空間和時間的奧秘還有很多，但糾纏是否就是這種奧秘的表現，我們并不確定。”閱讀報告全文，請訪問歐米伽研究所的“未來知識庫”https://wx.zsxq.com/group/454854145828未來知識庫是“歐米伽未來研究所”建立的在線知識庫平臺，收藏的資料范圍包括人工智能、腦科學、互聯網、超級智能，數智大腦、能源、軍事、經濟、人類風險等等領域的前沿進展與未來趨勢。目前擁有超過8000篇重要資料。每周更新不少于100篇世界范圍最新研究資料。歡迎掃描二維碼或訪問https://wx.zsxq.com/group/454854145828進入。截止到11月25日 ”未來知識庫”精選的100部前沿科技趨勢報告Air Street Capital《2024 年人工智能現狀報告》未來今日研究所：2024 技術趨勢報告 – 廣義計算篇科睿唯安中國科學院 2024 研究前沿熱度指數報告文本到圖像合成：十年回顧《以人為中心的大型語言模型（LLM）研究綜述》經合組織 2024 年數字經濟展望報告加強連通性創新與信任第二版波士頓咨詢 2024 全球經濟體 AI 成熟度矩陣報告理解世界還是預測未來？世界模型的綜合綜述Google Cloud CSA2024 AI 與安全狀況調研報告英國制造商組織 MakeUK2024 英國工業戰略愿景報告從概念到實施花旗銀行 CitiGPS2024 自然環境可持續發展新前沿研究報告國際原子能機構 2024 聚變關鍵要素報告 – 聚變能發展的共同愿景國際可再生能源署 IRENA2024 年全球氣候行動報告Cell: 物理學和化學 、人工智能知識領域的融合智次方 2025 中國 5G 產業全景圖譜報告未來今日研究所：2024 技術趨勢報告 – 移動性，機器人與無人機篇Deepmind：AI 加速科學創新發現的黃金時代報告PitchBookNVCA2024 年第三季度全球風險投資監測報告德科 2024 年未來全球勞動力報告高工咨詢 2024 年協作機器人產業發展藍皮書國際能源署 IEA2024 年全球能源效率報告基因慧基因行業藍皮書 2024 – 2025普華永道 PwC2024 全球經濟犯罪調查英國報告 – 智對風險直面挑戰中國互聯網協會 2024 面向未來網絡的數字孿生城市場景應用白皮書中移智庫 2024 先進感知新技術及新應用白皮書智次方研究院 2025 中國 AIoT 產業全景圖譜報告未來今日研究所：2024 技術趨勢報告 – 人工智能篇國際電聯：邁向衡量數字經濟的通用框架的路線圖聯合國糧食與農業組織：2024 年世界糧食安全和營養狀況大語言模型綜述李飛飛等，AI 智能體：探索多模式交互的前景綜述哈爾濱工業大學 – ChatGPT 調研報告2024《美國核部署戰略報告》最新文件清華大學：AIGC 發展研究 3.0 發布版 b 版OpenAI：2024 年 OpenAI o1 大模型技術報告Verizon2024 年世界支付安全報告皇家學會哲學學報 從復雜系統角度評估人工智能風險復旦大學 大模型 AI 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