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《自然》关注慢科学:精工出细活  

2013-03-28 00:08:59|  分类: 医学进展新干线 |  标签: |举报 |字号 订阅

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世界上那些历时最久的实验提醒我们:科学不是短暂的冲刺,而更应该是一场漫长的马拉松

尽管科学是一项长期的追求,但现实中科研的时间跨度通常却很短,例如一项不连续的实验或者一个只受资金周期长短影响的独立项目。然而,有一些研究课题是不可操之过急的,例如研究人类寿命、地壳以及太阳表面的变动等问题就需要耗费数十年乃至数百年的时间。

对此,《自然》杂志把焦点集中在5项耗时最久的科研项目上。其中有几项已经经历了数百年连续数据的积累,有几项每年被上百篇论文所引用,还有一项每隔10年才能得到一个数据。

如此缓慢的速度在实验操作上的困难在于不断变换的研究重点与技术,在实验存续上的困难则在于经常性的资金短缺与人事变动。但是,当实验奠基者们的远见卓识与继任者们的耐心和奉献结合在一起时,这些困难都迎刃而解。如果说坚持不懈这一品质真如一项历时90年的人类寿命研究所显示的那般预示着健康长寿,那么上述的科学家们无疑诠释了科学研究的真谛。

85年:等待滴落

1961年,在澳大利亚昆士兰大学工作才两天的物理学家John Mainstone无意间发现了一个奇怪的小型实验——沥青滴漏,当时该项实验已经进行了34年。50多年后,他仍然在照看着这项实验,并一直等待着见证最激动人心的时刻。

这个滴漏实验的奠基者是该校第一位物理学家Thomas Parnell。他以一块坚固的可以砸碎锤子的沥青为实验材料,将它放置于一个沙漏中,等待它向下滴落。他希望通过这项实验向学生证明沥青实际上也可以像液体一样流动。他成功了,每隔6至12年会有一滴沥青滴落,Mainstone谨慎地预测在2013年底将会滴下第九滴沥青。若把实验器材看做一个时间沙漏,那么它无疑是世界上最慢的。

85年来,这项实验只出过一篇论文,计算出了沥青的黏性是水的2300亿倍。尽管如此,这里仍然有一些待研究的问题。例如导致沥青滴落的真正原因是什么。另外,气候因素也非常重要。因为空调的使用以及装修带来的震动会对滴落速度产生影响。要彻底排除气候因素的影响还将需要数十年的研究。

但是Mainstone说该项实验的价值不在于自然科学,而在于其对历史和文化的影响。它的存在本身启迪着雕刻家、诗人以及作家对时间以及现代生活节奏进行反思。同时,它与自然科学历史相联系,充分体现了科学研究坚定不移的精神。幸运的是,现年78岁的Mainstone已经为实验找到了继承人。

170年:监测“愤怒”的巨人

意大利维苏威火山虽然是一座活火山,但每隔数千年才会迎来一次壮丽的喷发。维苏威火山观测站是世界上历史最悠久的火山研究站,自1841年起便开始对这个“危险的”目标进行观测。火山的每一次震动会被记录下来以便对潜在的危机予以预测。维苏威火山观测站现任负责人Marcello Martini说,观测站的建立为火山学与地质学研究带来了重大的改变。

观测站首任负责人Macedonio Melloni自发地研究了熔岩的磁性,这对后来的古地磁研究至关重要。观测站的第二任负责人Luigi Palmieri于1856年发明了电磁式地震仪,相对于原先的仪器,它对地面震感更加敏感,使得对火山喷发的预测成为可能。在Palmieri与继任者们的领导下,维苏威火山观测站开发了众多用于火山活动观测的科学仪器。例如,由Giuseppe Mercalli在20世纪初设立的火山活动等级分类一直沿用至今。

但是维苏威火山观测站本身却已经完成了自己的使命。美国金斯敦罗得岛大学火山学专家Haraldur Sigurdsson说:“受科技条件所限,早期的研究需要尽可能近的贴近火山,但现在已经不需要这样做了。”现在的监测大都通过远程地基感应器收集数据,并将这些数据传回位于那不勒斯的国家地球物理与火山学研究所的实验室。原先的观测站在1970年被改建为博物馆。

为了形成科学理论,观测站的使命是预测危险并保护公众的生命安全,正如它在1944年所做的一样——实验室里的科学家24小时值勤,除了监测维苏威火山外,还监测那不勒斯西边的Flegrei caldera火山口和伊斯基亚岛。但Sigurdsson认为,火山学的未来不在于设立在活火山上的传感器,而在于星载雷达。他说:“建立全球合作的火山监测系统是必要的。我们不应该局限于一砖一石的研究,而应当站在更高的层面研究火山问题。”

170年:收获数据

1843年,肥料大王John Lawes在自己位于英国伦敦北部洛桑的田庄里开展了一项旨在测试无机肥料和有机肥料对农作物产量影响的实验。实验检测了氮、磷、钾、钠、镁以及农家肥料对主要农作物如小麦、大麦、豆类以及块根农作物的影响。该项实验于2008年由 Andy Macdonald接手。

从事长期实验的研究人员不仅要努力确保实验的完整性,同时还需要根据客观条件对实验作出调整以适应实际需要。Macdonald说:“实验开始20~30年后,许多基本的关于不同化肥间相对重要性的问题已经得到圆满的解决。”氮肥的重要性最高,紧随其后的是磷肥。因此,该项目一直保持着周期性更新,以适应当时的农业实践需求。例如,实验田里的长秸秆谷物在1968年被产量更高的短秸秆谷物所替代。Macdonald介绍说,经过研究发现,这种新型农作物可以从土壤中获取更多的营养。

洛桑实验站是农业长期研究的鼻祖,它从未间断的研究数据十分宝贵。因为它不仅可以为研究土壤中的碳贮量或者物种入侵等长期性问题提供数据,还可以为短期性研究如土壤中硝酸盐的流失提供舞台。洛桑档案馆保存着自实验开始以来总计超过30万份的植物和土壤样本。2003年,科学家从1843年收集的小麦样本中提取了两种病原体DNA,从而揭示了工业二氧化硫排放对哪一种病原体影响更大。

90年:天才的成长

1921年,美国加利福尼亚州斯坦福大学的心理学家Lewis Terman根据他所设计的Stanford Binet IQ测试,验证并确认了1500名于1900年至1925年出生的天才儿童,并对他们的生活进行了长期的追踪调查。这是世界上最早的长期性研究之一,该实验深入研究了人类发展问题,记录了实验对象的家庭生活、教育程度、兴趣爱好、个人能力以及独特个性,迄今为止已有90年。

Terman设计实验的主要目的之一便是反驳当时的一种普遍假设:天才的身体是羸弱的,他们缺乏社交能力并且在其他方面存有缺陷。但即便依据当时的标准,该实验的设计也是漏洞颇多。他的样本选择方式很不严谨,实验管理方面更多的是依靠老师的建议,并且他选取的样本缺乏代表性。更有甚者,Terman为了使实验结果符合自己的假设,会以信件的方式为实验对象提供“建议”,并帮助其中的一些人进入斯坦福大学学习。

通过对天才少年成年后的生活进行追踪研究,Terman证明了天才与普通人一样健康,并具有良好的社会适应性。而且他们基本上事业有成,生活舒心。另外,研究人员也在不断弥补Terman设计上的缺陷。例如在前人的研究基础上,加利福尼亚大学河畔分校心理学家Howard Friedman得以总结出一项Terman实验最有意义的发现——童年与成年后的心理因素即审慎、毅力,以及计划性对人的寿命有重要影响,具有良好责任心的人的寿命比普通人要长6到7年。Friedman说:“如果没有长期的数据收集,这种关系是很难被发现的。”

400年: 记录太阳黑子

天文学家对太阳黑子的记录早在400多年前望远镜刚刚发明之时就已经开始了,伽利略就是其中的一员。但是早期的观测者既不清楚那些太阳表面的黑色斑点为何物,又缺乏对磁场的了解。直到1848年,瑞士天文学家Rudolf Wolf在对太阳黑子进行系统性的观测后,提出了如何在世界范围内记录太阳黑子并沿用至今的公式——沃尔夫数,从而为实时测量太阳活动提供了方法。

2011年,比利时皇家天文台太阳作用数据分析中心(SIDC)的负责人Frédéric Clette系统地整理了自1700年以来有关太阳表面活动的照片与图绘记录。详细的数据可以帮助研究人员弄清太阳黑子产生的原因,并提升对未来重大事件预测的准确性。时间跨度越长就越能更好地帮助人们检验理论。

不过,记录太阳黑子的人可不仅仅只有天文学家。比利时中心每个月收集的太阳黑子数据,有2/3来自天文学爱好者,他们利用简陋的小型光学望远镜,为天文学研究作出了贡献。

Clette在比利时皇家天文台负责数据管理工作。他觉得能与数百年前的同行一起“工作”非常愉快。例如,虽然伽利略的数据质量参差不齐,但他的绘画仍然包含了足够详细的信息去揭示太阳黑斑群的磁场结构。Clette说:“你可以从他的绘画中提取出与现在所制绘画一模一样的信息。”

Clette继承了先行者的奉献精神:忠实地记录他们所看到的一切,希望能对后人的研究有所帮助。他说:“只专注于眼前的一切,不去考虑最后的结果,这是科学研究的基础。”

信源地址:http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2013/3/276044.shtm

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