科研不能急就章
——?dú)v時(shí)最久的五項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的啟示

方陵生/編譯

科研不能急就章
——?dú)v時(shí)最久的五項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的啟示

方陵生/編譯

伽利略1613年繪制的太陽(yáng)黑子圖

● 世界上持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的一些實(shí)驗(yàn)告訴我們：科研進(jìn)展有時(shí)就像馬拉松賽，而不是很快就能見(jiàn)分曉的短程賽跑……《自然》雜志近期文章列舉了有史以來(lái)時(shí)間跨度最長(zhǎng)的五個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)和科研項(xiàng)目，其中有些研究項(xiàng)目的數(shù)據(jù)積累工作已持續(xù)了幾個(gè)世紀(jì)，有的每年產(chǎn)生數(shù)以百計(jì)的論文，有的10年才產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

科學(xué)發(fā)展是人類(lèi)追求的一個(gè)長(zhǎng)期目標(biāo)，但一些具體研究項(xiàng)目卻往往是在一個(gè)較短時(shí)間尺度內(nèi)進(jìn)行和完成的，科學(xué)實(shí)驗(yàn)或科研項(xiàng)目還要受到資金周期的制約。但也有一些科學(xué)實(shí)驗(yàn)或科研項(xiàng)目難以在短期內(nèi)完成，例如：人類(lèi)壽命研究；地殼變動(dòng)情況勘查；太陽(yáng)表面變化觀察等，有可能需要幾十年甚至幾個(gè)世紀(jì)的時(shí)間。

如此漫長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)其過(guò)程受到各種外在條件和因素的挑戰(zhàn)，比如，研究重點(diǎn)的轉(zhuǎn)移、技術(shù)的變化，以及受到經(jīng)費(fèi)和人員變動(dòng)的制約。盡管如此，一些有遠(yuǎn)見(jiàn)的科學(xué)家的奉獻(xiàn)精神和堅(jiān)韌不拔的毅力，將科學(xué)實(shí)驗(yàn)的成果傳承了下去。其中一項(xiàng)長(zhǎng)達(dá)90年的研究項(xiàng)目，是預(yù)測(cè)人類(lèi)將擁有比現(xiàn)在更長(zhǎng)壽命和更健康的生活，其他幾個(gè)例子也各自創(chuàng)下了歷時(shí)最久科學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究的記錄。

一、太陽(yáng)黑子活動(dòng)觀察和預(yù)測(cè)：歷時(shí)400年

400多年前望遠(yuǎn)鏡誕生以來(lái)，包括伽利略在內(nèi)的天文學(xué)家就一直在記錄太陽(yáng)黑子活動(dòng)，并記錄下他們的觀察結(jié)果。但早期觀察者并不知道出現(xiàn)在太陽(yáng)表面的黑色斑塊究竟是什么，對(duì)產(chǎn)生太陽(yáng)黑子的磁場(chǎng)也一無(wú)所知。直到1848年，瑞士天文學(xué)家魯?shù)婪颉の譅柗颍≧udolf Wolf）對(duì)太陽(yáng)黑子開(kāi)始了系統(tǒng)的觀察，并制定了一個(gè)計(jì)算公式，人們對(duì)太陽(yáng)黑子活動(dòng)才有了更深一步的認(rèn)識(shí)。沃爾夫相對(duì)數(shù)（也叫太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)）今天仍然被用來(lái)測(cè)算太陽(yáng)黑子活動(dòng)的周期性變化。

2011年，比利時(shí)皇家天文臺(tái)太陽(yáng)黑子數(shù)據(jù)分析中心 （SIDAC）主任弗雷德里克·克萊特（Frédéric Clette）在對(duì)太陽(yáng)黑子活動(dòng)的觀察研究中，利用了自1700年以來(lái)500多名天文學(xué)家留下的照片和手繪圖等數(shù)據(jù)資料。這些數(shù)百年積累下來(lái)的數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)測(cè)太陽(yáng)黑子活動(dòng)是一份十分珍貴的歷史遺產(chǎn)：太陽(yáng)黑子活動(dòng)的盛衰變化周期約為11年左右，其產(chǎn)生的帶電粒子流向四周空間噴發(fā)，對(duì)地球衛(wèi)星和電子產(chǎn)品產(chǎn)生很大的影響。詳細(xì)的觀察記錄幫助研究人員了解為什么會(huì)發(fā)生這樣的周期性循環(huán)，并精確預(yù)測(cè)強(qiáng)烈的太陽(yáng)黑子活動(dòng)事件。

“研究的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，越能更好地驗(yàn)證我們的理論?！泵绹?guó)加州斯坦福大學(xué)太陽(yáng)物理學(xué)家利夫·斯瓦加德（Leif Svalgaard）說(shuō)道。每年大約有200篇論文引用了太陽(yáng)黑子活動(dòng)的數(shù)據(jù)，涉及領(lǐng)域甚至延伸到了太陽(yáng)物理學(xué)、地磁學(xué)、大氣科學(xué)和氣候科學(xué)之外的其他學(xué)科。

比利時(shí)皇家天文臺(tái)的SIDAC每個(gè)月都要從90名太陽(yáng)黑子觀察者那里搜集數(shù)據(jù)資料，其中三分之二為業(yè)余天文愛(ài)好者，盡管他們用來(lái)觀察太陽(yáng)黑子的小型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的倍率比200年前天文學(xué)使用的望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)不了多少?？巳R特除了作為一位天文學(xué)家在比利時(shí)皇家天文臺(tái)的“夜間工作”之外，還與另一位兼職人員一起負(fù)責(zé)太陽(yáng)黑子數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)工作。

克萊特非常熱衷于與數(shù)百年前的同行們“一起工作”。他認(rèn)為，盡管伽利略對(duì)太陽(yáng)黑子活動(dòng)的觀察數(shù)據(jù)并不全面，因?yàn)橘だ赃€要“忙著觀察行星等其他事情”。但他指出，人們?nèi)匀荒軓馁だ运L制的太陽(yáng)黑子圖中找到與現(xiàn)代繪制的太陽(yáng)黑子圖的相同之處，并被這位天文學(xué)先輩的遠(yuǎn)見(jiàn)所深深吸引。那些幾百年前繪制的太陽(yáng)黑子觀察圖忠實(shí)地記錄了他們當(dāng)時(shí)所看到的一切，并為后世提供了許多有用的信息?？巳R特說(shuō)：“忠實(shí)地記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是科學(xué)研究的一個(gè)基本點(diǎn)，不管最后的結(jié)果是什么?！?/p>

二、監(jiān)控躁動(dòng)不安的超級(jí)火山：歷時(shí)170年

曾用來(lái)監(jiān)控火山活動(dòng)的維蘇威火山天文臺(tái)原址如今已成為一座博物館

活動(dòng)頻繁的維蘇威火山每幾千年就要猛烈噴發(fā)一次，最后一次發(fā)生于公元79年的火山大噴發(fā)，埋葬了整個(gè)龐培城。在此之前大約3 800年的一次火山噴發(fā)中，熾熱的火山氣體和火山巖漿覆蓋了如今的整個(gè)那不勒斯地區(qū)。自1841年建立以來(lái)的維蘇威火山天文臺(tái)觀測(cè)站，一直在密切關(guān)注著其觀測(cè)對(duì)象，記錄著火山地區(qū)附近的地震跡象。觀測(cè)站坐落在火山一側(cè)600米高的位置，以避免被火山噴發(fā)時(shí)的巖石碎片和熔巖流所波及?，F(xiàn)任天文臺(tái)負(fù)責(zé)人馬賽羅·瑪?shù)倌幔∕arcello Martini）說(shuō)道，該火山觀測(cè)站所做的一切造就了當(dāng)今火山學(xué)和地質(zhì)學(xué)研究的雛形，

瑪西多尼奧·梅洛尼（Macedonio Melloni）是天文臺(tái)的首任負(fù)責(zé)人，在對(duì)熔巖磁特性的研究做了許多開(kāi)拓性的工作，對(duì)之后的古地磁學(xué)研究——地球磁場(chǎng)在巖石中的歷史記錄——起到了至關(guān)重要的作用。1856年，第二任負(fù)責(zé)人路易吉·帕爾米耶里（Luigi Palmieri）發(fā)明了用來(lái)預(yù)測(cè)火山噴發(fā)的電磁地震儀，對(duì)地面震動(dòng)的監(jiān)測(cè)比之前的一些觀察儀器更為敏感。在帕爾米耶里及以后的幾任負(fù)責(zé)人的帶領(lǐng)下，觀測(cè)站對(duì)預(yù)測(cè)世界各地火山噴發(fā)的儀器開(kāi)發(fā)方面作出了很大的貢獻(xiàn)。例如在二十世紀(jì)初，由朱塞佩·麥卡利（Giuseppe Mercalli）制定的級(jí)別劃分標(biāo)準(zhǔn)至今仍被廣泛用于對(duì)火山噴發(fā)程度的定級(jí)。

但古老的觀測(cè)站現(xiàn)今已不再擁有原來(lái)的作用?！霸缙陔A段是為了盡可能接近火山活動(dòng)區(qū)域，但如今卻沒(méi)有必要了?！绷_德島大學(xué)的火山學(xué)家哈拉爾德·西格森（Haraldur Sigurdsson）說(shuō)道，如今大部分監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)都可通過(guò)遠(yuǎn)程地面?zhèn)鞲衅靼l(fā)送到那不勒斯的地球物理和火山學(xué)研究所的實(shí)驗(yàn)室中。1970年，天文臺(tái)原址建筑被改建成為一座博物館。

除了為科學(xué)理論提供數(shù)據(jù)信息之外，火山觀察站的另一個(gè)目的是用來(lái)預(yù)測(cè)火山噴發(fā)，1944年的成功預(yù)測(cè)就是一個(gè)明證。今天，那不勒斯的實(shí)驗(yàn)室里，科學(xué)家們一天24小時(shí)密切關(guān)注著西西里北面的一個(gè)小島上的斯特隆波里火山、那不勒斯西面的坎皮佛萊格瑞火山口和伊斯基亞島。

西格森認(rèn)為，火山學(xué)的未來(lái)不在于已知危險(xiǎn)火山地區(qū)安放的傳感器，而在于可以觀察到所有地面變形的衛(wèi)星雷達(dá)，利用衛(wèi)星雷達(dá)發(fā)現(xiàn)火山噴發(fā)高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)。“我們應(yīng)該朝著建立國(guó)際合作火山監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方向努力，不是只盯著某座火山，而是在全球范圍內(nèi)全面綜合地評(píng)估火山噴發(fā)危險(xiǎn)?！?/p>

自1843年以來(lái)研究化肥對(duì)小麥產(chǎn)量影響的所在地洛桑

三、化肥對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量影響的數(shù)據(jù)收集工作：歷時(shí)170年

長(zhǎng)期研究項(xiàng)目的研究人員必須努力維護(hù)和保持研究數(shù)據(jù)的完整性及相關(guān)性。安迪·麥克唐納（Andy Macdonald）于2008年接手了一項(xiàng)農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)，即自1843年開(kāi)始進(jìn)行的礦物肥料和有機(jī)肥料對(duì)作物產(chǎn)量影響的研究測(cè)試。

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)由化肥生產(chǎn)巨頭約翰·勞斯（John Lawes）在自己位于倫敦北部洛桑的莊園里發(fā)起進(jìn)行，主要研究測(cè)試氮、磷、鉀、鈉、鎂和農(nóng)家肥對(duì)幾種主要作物產(chǎn)量的影響，包括小麥、大麥、豆類(lèi)和一些塊莖作物。

“二三十年的研究測(cè)試已經(jīng)很好地回答了各種不同肥料所起重要作用的許多基本問(wèn)題?！比缃裨诼迳Ｑ芯克?fù)責(zé)這項(xiàng)“經(jīng)典實(shí)驗(yàn)”的麥克唐納說(shuō)道。實(shí)驗(yàn)表明，氮的影響最大，其次是磷。階段性的實(shí)驗(yàn)一直在進(jìn)行著，以對(duì)新的想法進(jìn)行測(cè)試，并與當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐保持密切聯(lián)系。比如在1968年，農(nóng)民以莖稈較短的高產(chǎn)谷類(lèi)作物取代了之前莖稈較長(zhǎng)的谷類(lèi)作物，麥克唐納指出，這些新品種農(nóng)作物與傳統(tǒng)作物相比，需要更多的肥料。

“洛桑是長(zhǎng)期農(nóng)業(yè)研究的老前輩，”W·K·凱洛格生物站主任菲爾·羅伯遜 （Phil Robertson）說(shuō)道。該生物站是密歇根州立大學(xué)所設(shè)立的一個(gè)長(zhǎng)期農(nóng)業(yè)研究站點(diǎn)，他指出，連續(xù)性的數(shù)據(jù)資料擁有巨大的價(jià)值，不僅有助于環(huán)境和生物學(xué)發(fā)展趨勢(shì)的研究，包括土壤中的碳儲(chǔ)存情況、入侵物種的影響等。這類(lèi)影響只有在較長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)才能顯現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)也為一些短期研究提供了平臺(tái)，比如，土壤中的硝酸鹽流失現(xiàn)象。

洛桑研究所從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始以來(lái)，收集并保存了大約 30萬(wàn)件植物和土壤樣本，2003年，科學(xué)家們從存檔樣本中提取了1843年的兩種小麥病原體的DNA，用以研究工業(yè)二氧化硫排放對(duì)其產(chǎn)生的影響。

然而，讓資助機(jī)構(gòu)對(duì)這類(lèi)長(zhǎng)期研究項(xiàng)目保持興趣比較困難。洛桑的研究資金來(lái)源包括政府資助、捐款以及勞斯去世前設(shè)立的信托基金。“即使在暫時(shí)不會(huì)有突出研究成果的時(shí)期，也應(yīng)致力于維護(hù)研究數(shù)據(jù)的持續(xù)性?！比ツ陞⑴c設(shè)立美國(guó)農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)期農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)的羅伯遜說(shuō)道。“我經(jīng)常會(huì)回想起勞斯，”麥克唐納說(shuō)道，“為了確保實(shí)驗(yàn)的持續(xù)和傳承，我深感責(zé)任重大。這些數(shù)據(jù)資料并不是保存在博物館里的老古董，也是當(dāng)今科研的一個(gè)組成部分?！?/p>

四、天才兒童成長(zhǎng)跟蹤調(diào)查：歷時(shí)90年

1921年，斯坦福大學(xué)心理學(xué)家劉易斯·特曼（Lewis Terman）在加州開(kāi)發(fā)的斯坦福-比奈智商測(cè)試法，確定了于1900年和 1925年期間出生的1 500多名天才兒童，并開(kāi)始了對(duì)這些天才兒童的跟蹤調(diào)查。這是世界上最早的縱向研究項(xiàng)目之一，也是歷時(shí)最長(zhǎng)的對(duì)人類(lèi)智力發(fā)展進(jìn)行的研究項(xiàng)目，在時(shí)間跨度長(zhǎng)達(dá)90年的時(shí)間里，對(duì)他們的家庭生活，所受教育，以及興趣、能力和性格等進(jìn)行多方面跟蹤調(diào)查。

劉易斯·特曼進(jìn)行了為時(shí)最長(zhǎng)的人類(lèi)智力發(fā)展研究

特曼的“天才遺傳研究”目標(biāo)之一是要反駁當(dāng)時(shí)的流行理論，認(rèn)為天才兒童多表現(xiàn)為體弱多病、社交能力差、發(fā)展不全面等。即使是以特曼的天才標(biāo)準(zhǔn)，這項(xiàng)研究仍受制于某種局限。他的選擇方法是隨機(jī)的，測(cè)試管理工作主要基于老師們的推薦，不同人群的代表性也遠(yuǎn)非全面 （90%以上為白人與中上階層，特曼甚至為自己的孩子報(bào)名登記）。

這項(xiàng)調(diào)查一直跟隨孩子們進(jìn)入成年。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這些孩子們與其他孩子一樣健康，一樣能夠適應(yīng)社會(huì)，他們通常都能成長(zhǎng)為事業(yè)有成的快樂(lè)的成年人。隨著調(diào)查項(xiàng)目的進(jìn)展，研究人員也在努力填補(bǔ)研究中存在的一些缺陷或不足。

例如上世紀(jì)80年代，哈佛醫(yī)學(xué)院的心理學(xué)家喬治·瓦利恩特（George Vaillant）將特曼的研究數(shù)據(jù)補(bǔ)充到自己的成人發(fā)展的長(zhǎng)期研究中；加州大學(xué)的心理學(xué)家霍華德·弗里德曼（Howard Friedman）在利用了特曼一些重要的記錄數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，人的責(zé)任心——即審慎、堅(jiān)韌與計(jì)劃性——這一在兒童時(shí)期和成年時(shí)期都能表現(xiàn)出來(lái)的性格特征，是預(yù)測(cè)長(zhǎng)壽的一個(gè)關(guān)鍵性心理因素?！叭绻麤](méi)有跨越整個(gè)人類(lèi)壽命長(zhǎng)度的長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)形成的數(shù)據(jù)資料，是很難發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)的?！备ダ锏侣f(shuō)道。

隨著當(dāng)前科學(xué)的發(fā)展，縱向研究也在與時(shí)俱進(jìn)，斯坦福長(zhǎng)壽中心主任勞拉·卡斯坦森（Laura Carstensen）說(shuō)道。新加入的調(diào)查研究人員將會(huì)補(bǔ)充一些新的方法，修改或丟棄那些他們認(rèn)為不再有意義或過(guò)時(shí)的做法?！氨热?，我們將以與1900年時(shí)完全不同的方式，對(duì)心理健康進(jìn)行評(píng)估?！睆亩喾N意義上來(lái)說(shuō)，她認(rèn)為：“90年的縱向研究數(shù)據(jù)資料，幾乎可以說(shuō)是書(shū)寫(xiě)下一部心理學(xué)發(fā)展史。”

瀝青滴漏實(shí)驗(yàn)：歷時(shí)85年

1961年，澳大利亞昆士蘭大學(xué)物理學(xué)家約翰·梅因斯通（John Mainstone）接手了一個(gè)古怪的小實(shí)驗(yàn)，當(dāng)時(shí)這個(gè)實(shí)驗(yàn)在一個(gè)櫥柜里已經(jīng)悄悄進(jìn)行了34年。50年后的今天，他仍然在觀察著這個(gè)實(shí)驗(yàn)，并等待著見(jiàn)證它最引人注目的下一滴。

這個(gè)瀝青滴漏實(shí)驗(yàn) （Pitch drop experiment）是該大學(xué)第一位物理學(xué)教授托馬斯·帕內(nèi)爾（Thomas Parnell）發(fā)起的一項(xiàng)長(zhǎng)期性物理實(shí)驗(yàn)，他想以此實(shí)驗(yàn)向他的學(xué)生示范證明，在冷卻狀態(tài)下脆得可以用錘子敲碎的瀝青，也能夠像液體一樣從一個(gè)漏斗底部滴出，盡管是以極慢的速度進(jìn)行著。他的這個(gè)小實(shí)驗(yàn)成為了世界上最慢的沙漏，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也正如他所預(yù)測(cè)的那樣。瀝青的滴漏速度大約為每6-12年一滴，迄今為止已滴下8滴瀝青。梅因斯通預(yù)計(jì)，第9滴瀝青將于今年年底左右的某個(gè)時(shí)候滴下。

瀝青滴漏實(shí)驗(yàn)，從 1927年至今只滴下了8滴

嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)并不是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的溫床。86年的時(shí)間里這一實(shí)驗(yàn)只產(chǎn)生了一篇科學(xué)論文：該論文計(jì)算出瀝青的黏度大約是水的 2 300億倍。2005年該實(shí)驗(yàn)贏得了搞笑諾貝爾獎(jiǎng)。

從來(lái)沒(méi)有人見(jiàn)過(guò)一滴瀝青是如何滴下的，記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程的攝像頭也未能將瀝青滴下時(shí)的情景記錄下來(lái)，最近的一滴于2000年11月滴下，但這一滴瀝青與上面的瀝青塊分離時(shí)的情景卻沒(méi)人清楚。可能再需要一個(gè)幾十年時(shí)間的觀察，才有可能弄清楚氣候、空調(diào)和振動(dòng)等外部條件對(duì)瀝青滴落速度的影響。

梅因斯通認(rèn)為，該實(shí)驗(yàn)的價(jià)值不在于對(duì)科學(xué)的影響，而在于其對(duì)歷史和文化的影響，它激起了雕刻家、詩(shī)人和作家對(duì)時(shí)間流逝和現(xiàn)代生活節(jié)奏的深刻思索，并讓人們聯(lián)想到科學(xué)和事物發(fā)展的恒久性?！盁o(wú)論世事如何變幻無(wú)常，它自遵循著恒常不變的規(guī)律?！泵芬蛩雇ㄕf(shuō)道。漏斗中還存有大量的瀝青，未來(lái)150年里它仍將無(wú)視世事的紛擾，靜靜地準(zhǔn)備著下一滴瀝青的滴落。如今已78歲的梅因斯通將這一實(shí)驗(yàn)任務(wù)交付給了一位年輕的同事，在他離開(kāi)之后將這一實(shí)驗(yàn)繼續(xù)下去。

[資料來(lái)源：Nature][責(zé)任編輯：則 鳴]