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慢工出細活的科學研究

來源:UC論文網2019-05-17 10:03

摘要:

  科學不是短暫的沖刺,而更應該是一場漫長的馬拉松。世界上那些歷時最久的實驗提醒我們:科學不是短暫的沖刺,而更應該是一場漫長的馬拉松。  盡管科學是一項長期的追求,但現實中科研的時間跨度通常卻很短,例如一項不連續的實驗或者一個只受資金周期長短影響的獨立項目。然而,有一些研究課題是不可操之過急的,例如研究人類壽命、地殼以及太陽表面的變動等問題就需要耗費數十年乃至數百年的時間。  對此,《自然》雜志把...

  科學不是短暫的沖刺,而更應該是一場漫長的馬拉松。世界上那些歷時最久的實驗提醒我們:科學不是短暫的沖刺,而更應該是一場漫長的馬拉松。


  盡管科學是一項長期的追求,但現實中科研的時間跨度通常卻很短,例如一項不連續的實驗或者一個只受資金周期長短影響的獨立項目。然而,有一些研究課題是不可操之過急的,例如研究人類壽命、地殼以及太陽表面的變動等問題就需要耗費數十年乃至數百年的時間。


  對此,《自然》雜志把焦點集中在5項耗時最久的科研項目上。其中有幾項已經經歷了數百年連續數據的積累,有幾項每年被上百篇論文所引用,還有一項每隔10年才能得到一個數據。


  如此緩慢的速度在實驗操作上的困難在于不斷變換的研究重點與技術,在實驗持續上的困難則在于經常性的資金短缺與人事變動。但是,當實驗奠基者們的遠見卓識與繼任者們的耐心和奉獻結合在一起時,這些困難都迎刃而解。如果說堅持不懈這一品質真如一項歷時90年的人類壽命研究所顯示的那般預示著健康長壽,那么上述的科學家們無疑詮釋了科學研究的真諦。


  85年:等待滴落


  1961年,在澳大利亞昆士蘭大學工作才兩天的物理學家JohnMainstone無意間發現了一個奇怪的小型實驗――瀝青滴漏,當時該項實驗已經進行了34年。50多年后,他仍然在照看著這項實驗,并一直等待著見證最激動人心的時刻。


  這個滴漏實驗的奠基者是該校第一位物理學家ThomasParnell。他以一塊堅固的可以砸碎錘子的瀝青為實驗材料,將它放置于一個沙漏中,等待它向下滴落。他希望通過這項實驗向學生證明瀝青實際上也可以像液體一樣流動。他成功了,每隔6至12年會有一滴瀝青滴落,Mainstone謹慎地預測在2013年底將會滴下第九滴瀝青。若把實驗器材看做一個時間沙漏,那么它無疑是世界上最慢的。


  85年來,這項實驗只出過一篇論文,計算出了瀝青的黏性是水的2300億倍。盡管如此,這里仍然有一些待研究的問題。例如導致瀝青滴落的真正原因是什么。另外,氣候因素也非常重要。因為空調的使用以及裝修帶來的震動會對滴落速度產生影響。要徹底排除氣候因素的影響還將需要數十年的研究。


  但是Mainstone說該項實驗的價值不在于自然科學,而在于其對歷史和文化的影響。它的存在本身啟迪著雕刻家、詩人以及作家對時間以及現代生活節奏進行反思。同時,它與自然科學歷史相聯系,充分體現了科學研究堅定不移的精神。幸運的是,現年78歲的Mainstone已經為實驗找到了繼承人。


  170年:監測“憤怒”的巨人


  意大利維蘇威火山雖然是一座活火山,但每隔數千年才會迎來一次壯麗的噴發。維蘇威火山觀測站是世界上歷史最悠久的火山研究站,自1841年起便開始對這個“危險的”目標進行觀測。火山的每一次震動會被記錄下來以便對潛在的危機予以預測。維蘇威火山觀測站現任負責人MarcelloMartini說,觀測站的建立為火山學與地質學研究帶來了重大的改變。


  觀測站首任負責人MacedonioMelloni自發地研究了熔巖的磁性,這對后來的古地磁研究至關重要。觀測站的第二任負責人LuigiPalmieri于1856年發明了電磁式地震儀,相對于原先的儀器,它對地面震感更加敏感,使得對火山噴發的預測成為可能。在Palmieri與繼任者們的領導下,維蘇威火山觀測站開發了眾多用于火山活動觀測的科學儀器。例如,由GiuseppeMercalli在20世紀初設立的火山活動等級分類一直沿用至今。


  但是維蘇威火山觀測站本身卻已經完成了自己的使命。美國金斯敦羅得島大學火山學專家HaraldurSigurdsson說:“受科技條件所限,早期的研究需要盡可能近的貼近火山,但現在已經不需要這樣做了。”現在的監測大都通過遠程地基感應器收集數據,并將這些數據傳回位于那不勒斯的國家地球物理與火山學研究所的實驗室。原先的觀測站在1970年被改建為博物館。


  為了形成科學理論,觀測站的使命是預測危險并保護公眾的生命安全,正如它在1944年所做的一樣――實驗室里的科學家24小時值勤,除了監測維蘇威火山外,還監測那不勒斯西邊的Flegreicaldera火山口和伊斯基亞島。但Sigurdsson認為,火山學的未來不在于設立在活火山上的傳感器,而在于星載雷達。他說:“建立全球合作的火山監測系統是必要的。我們不應該局限于一磚一石的研究,而應當站在更高的層面研究火山問題。”


  170年:收獲數據


  1843年,肥料大王JohnLawes在自己位于英國倫敦北部洛桑的田莊里,開展了一頂旨在測試無機肥料和有機肥料對農作物產量影響的實驗。實驗檢測了氮、磷、鉀、鈉、鎂以及農家肥料,對主要農作物如小麥、大麥、豆類以及塊根農作物的影響。該項實驗于2008年由AndyMacdonald接手。


  從事長期實驗的研究人員不僅要努力確保實驗的完整性,同時還需要根據客觀條件對實驗作出調整以適應實際需要。Macdonald說:“實驗開始20~30年后,許多基本的關于不同化肥間相對重要性的問題已經得到圓滿的解決。”氮肥的重要性最高,緊隨其后的是磷肥。因此,該項目一直保持著周期性更新,以適應當時的農業實踐需求。例如,實驗田里的長秸稈谷物在1968年被產量更高的短秸稈谷物所替代。Macdonald介紹說,經過研究發現,這種新型農作物可以從土壤中獲取更多的營養。


  洛桑實驗站是農業長期研究的鼻祖,它從未間斷的研究數據十分寶貴。因為它不僅可以為研究土壤中的碳貯量或者物種入侵等長期性問題提供數據,還可以為短期性研究如土壤中硝酸鹽的流失提供舞臺。洛桑檔案館保存著自實驗開始以來總計超過30萬份的植物和土壤樣本。2003年,科學家從1843年收集的小麥樣本中提取了兩種病原體DNA,從而揭示了工業二氧化硫排放對哪一種病原體影響更大。90年:天才的成長


  1921年,美國加利福尼亞州斯坦福大學的心理學家LewisTerman根據他所設計的StanfordBinetIQ測試,驗證并確認了1500名于1900年至1925年出生的天才兒童,并對他們的生活進行了長期的追蹤調查。這是世界上最早的長期性研究之一,該實驗深入研究了人類發展問題,記錄了實驗對象的家庭生活、教育程度、興趣愛好、個人能力以及獨特個性,迄今為止已有90年。


  Terman設計實驗的主要目的之一便是反駁當時的一種普遍假設:天才的身體是羸弱的,他們缺乏社交能力并且在其他方面存有缺陷。但即便依據當時的標準,該實驗的設計也是漏洞頗多。他的樣本選擇方式很不嚴謹,實驗管理方面更多的是依靠老師的建議,并且他選取的樣本缺乏代表性。更有甚者,Terman為了使實驗結果符合自己的假設,會以信件的方式為實驗對象提供“建議”,并幫助其中的一些人進入斯坦福大學學習。


  通過對天才少年成年后的生活進行追蹤研究,Terman證明了天才與普通人一樣健康,并具有良好的社會適應性。而且他們基本上事業有成,生活舒心。另外,研究人員也在不斷彌補Terman設計上的缺陷。例如在前人的研究基礎上,加利福尼亞大學河畔分校心理學家HowardFriedman總結出一項Terman實驗最有意義的發現――童年與成年后的心理因素即審慎、毅力,以及計劃性對人的壽命有重要影響,具有良好責任心的人的壽命比普通人要長6~7年。Friedman說:“如果沒有長期的數據收集,這種關系是很難被發現的。”


  400年:記錄太陽黑子


  天文學家對太陽黑子的記錄早在400多年前望遠鏡剛剛發明之時就已經開始了,伽利略就是其中的一員。但是早期的觀測者既不清楚那些太陽表面的黑色斑點為何物,又缺乏對磁場的了解。直到1848年,瑞士天文學家RudolfWolf在對太陽黑子進行系統性的觀測后,提出了如何在世界范圍內記錄太陽黑子并沿用至今的公式――沃爾夫數,從而為實時測量太陽活動提供了方法。


  2011年,比利時皇家天文臺太陽作用數據分析中心(SIDC)的負責人FredericClette系統地整理了自1700年以來有關太陽表面活動的照片與圖繪記錄。詳細的數據可以幫助研究人員弄清太陽黑子產生的原因,并提升對未來重大事件預測的準確性。時間跨度越長就越能更好地幫助人們檢驗理論。


  不過,記錄太陽黑子的人可不僅僅只有天文學家。比利時中心每個月收集的太陽黑子數據,有2/3來自天文學愛好者,他們利用簡陋的小型光學望遠鏡,為天文學研究作出了貢獻。


  Clette在比利時皇家天文臺負責數據管理工作。他覺得能與數百年前的同行一起“工作”非常愉快。例如,雖然伽利略的數據質量參差不齊,但他的繪畫仍然包含了足夠詳細的信息去揭示太陽黑斑群的磁場結構。Clette說:“你可以從他的繪畫中提取出與現在所制繪畫一模一樣的信息。”


  Clette繼承了先行者的奉獻精神:忠實地記錄他們所看到的一切,希望能對后人的研究有所幫助。他說:“只專注于眼前的一切,不去考慮最后的結果,這是科學研究的基礎。”

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