万年科学实验大畅想

 

　　撰文 达维德•卡斯泰尔韦奇(Davide Castelvecchi)

 

　　如果科学家能开展一些持续数百或数千年的研究，他们最想获得些什么样的信息？我们就这个问题采访了多位顶级科学家。

 

　　两个原子组合成一个分子仅需数皮秒时间(1皮秒为10-12秒)，与之相比，人的一生可谓漫长。然而，与许多自然现象(从山脉的隆起到星系的碰撞)相比，人的一生又短如惊鸿一瞥。有些科学迷题，科学家即使穷尽一生也无法解答，只能通过接力的方式一代传一代地让研究持续下去。例如，医学界的纵向调查就是在最初参与调查的研究人员辞世之后，由后继者继续跟踪观察那些调查对象。甚至某些早在20世纪20年代就启动的调研项目，至今仍在进行。而历史上持续时间最长的不间断收集数据的纪录，可能是由古巴比伦人《天文日记》(Astronomical Diaries)创下的。日记记录了公元前1000年－公元元年内至少6个世纪的天文观测资料，由此揭示了日食和月食之类天象出现的规律。

 

　　今天，大多数科学研究领域中，都有一些极有意思且意义重大的问题悬而未决，原因就在于科学家生命有限，没有足够的时间来研究这些问题。我们非常好奇，如果时间不在话下，情况又如何呢？最近，我采访了各个领域的顶级科学家，问他们，“如果你有1 000年、10 000年，甚至1 000 000年的时间来观测或实验，你会关注哪些问题？”(为了避免他们跑题，绕开科学大谈那些玄乎其玄的未来远景，我要求他们只能使用今天的技术。)

 

　　时间跨度：10 000年

 

　　问题：生命如何粉墨登场？

 

　　罗伯特•哈森(Robert Hazen)，美国乔治•梅森大学地球科学家

 

　　众所周知，20世纪50年代初，芝加哥大学的斯坦利•米勒(Stanley Miller)和哈罗德•尤雷(Harold Urey)证明，当条件适当时，生命的某些基本结构单元(比如氨基酸)会自发形成。看来，只要有合适的原料，再等待足够长的时间，搞定生命起源之谜完全不成问题。其实事情没有那么简单。不过，花上10 000年左右的时间，现代版的尤雷-米勒实验说不定会打造出某些具有自我复制能力，可以通过自然选择不断进化的简单分子——简而言之，也就是打造出生命了。

 

　　模拟生命起源的实验，必须在一个地质化学条件足以乱真的环境中实施，而且必须从零开始。原始汤中可能曾含有数百万种小分子，这些分子可能以无数种方式彼此结合，发生反应。不过，在海洋中，由于这些分子被高度稀释，任意两个分子相遇的几率非常低，更不用说发生化学反应。因此，最合乎情理的解释应该是，具有自我复制能力的分子最初是产生于岩石表面上的。原始地球的表面潮湿多水，堪称一个巨大的天然实验室，在长达1亿～5亿年的时间内，同时进行着多达1030项微型实验。

 

　　一个持续万年的实验，也许能重现上述场景：同时开展大量微型实验。从外面来看，这些分子温床好像是塞满了一排排电脑服务器的机房，但一进去就会发现，它们其实是些含有成百上千个微型反应孔的化学“芯片实验室”。每个反应孔里化合物都有着不同的组合方式，分别在各种不同的矿物表面发生化学反应。芯片会持续监视这些反应，随时注意有无迹象证明，某种分子已进入了持续强化的自我复制状态。

 

　　通过筛选、关注那些最有可能得出有趣结果的反应物组合，或许能使实验所需的时间从数百万年缩短至数千年。运气好的话，我们解开生命之迷所需的时间，最终将进一步缩短至数十年。

 

　　时间跨度：10 000年

 

　　问题：自然界常数真是固定不变吗？

 

　　杰拉尔德•加布里埃尔斯(Gerald Gabrielse)，哈佛大学物理学家

 

　　物理学的基本定律，似乎都是放之四海而皆准的永恒定理。比如，所有的质子均带等量的电荷，光永远以一个速度行进，等等。然而，一些新提出的现实模型却容许常数出现变动，有的天文学家甚至宣称，已经观测到常数的微小变化(不过这些研究尚存争议)。但与此同时，实验室中获得的结果却始终稳定不变，比如我的实验室测量出的电子磁性强度(就我所知，这是对基本粒子性质所进行的精度最高的测量)。不过，如果在数千年的时间里反复进行这个实验，说不定会探测到常数的变化。

 

　　为了测量电子的磁性，更确切地说是“磁矩”(磁矩是亚原子粒子的一种特性，相当于条形磁铁的磁场强度)，我们用静电场将单个电子约束在一个平面内，并通过磁场迫使该电子作圆周运动。我们让实验装置的温度保持在0.1开(绝对零度以上0.1度)以下，从而使电子在最低能态上运动。然后，我们用射频波使电子的磁性翻转。由于电子的响应(特别是磁性翻转的速率)与它的磁矩有关，这样我们就能够以高达3/10-13的精度测定其磁矩。

 

　　如果在整个宇宙历史中，磁矩曾出现千分之一的变化，而且这一变化一直以固定的速率发生，那么我们的实验应该能够测出来。当然，科学永远也无法证明某个参数是绝对固定不变的，它所能证明的只是变动率极其小。而且，现今的变动率有可能远低于早期宇宙时的，因此在实验室中测到这种变化非常困难。不过，如果我们在10 000年内，反复进行实验而又没有观测到任何变化，那些预测常数变化的理论而言在这种稳定性面前可能就站不住脚了(比如，有人宣称，通过对遥远类星体发出的光进行观察，他们检测到，自宇宙早期以来，电磁相互作用的强度发生了微小变化)。

 

　　当然，随着科技不断进步，实验室的技术肯定会不断改进。我认为，未来有了更先进的方法相助，我们一定能在远短于10 000年的时间内取得更大的进展。

 

　　时间跨度：10 000年

 

　　问题：大地震发生的频率有多大？

 

　　索恩•雷伊(Thorne Lay)，美国加利福尼亚大学圣克鲁斯分校地震学家

 

　　2011年3月，重创日本东北部地区的9.0级地震以及由此引发的海啸，令地震学界人士大跌眼镜：几乎无人预料到，引发这场地震的断层，会在一次活动中释放如此大的能量。我们可以通过考察地质状况，间接还原该地的地震活动历史，但这永远也不能替代直接预测。现代地震仪问世仅有一个世纪多一点，在这样短的时间里，我们无法搞清楚那些每隔几个世纪或更长时间才光顾某一地区的巨大地震的发生规律。不过，这些地震仪连续运行数千年后，我们就能更精准地绘制地震分布图——包括确定哪些地区有可能发生9.0级强震，即使这些地区有史以来从未出现过8.0级以上的地震。

 

　　数千年积累的资料也有助于搞清另一个问题：超级地震(指8.5级或以上的地震)在世界范围内是不是倾向于集中地爆发？从过去100年的资料来看，这些大地震似乎还真的喜欢扎堆出场，过去10年中就有6次超级地震亮相，而在之前的30年中却一次也没有。在更长的时期中获得的测量结果，将有助于我们了解，这种集中爆发的情况，究竟是与某种物理作用相关，还是仅仅是统计学上的偶然事件？

 

　　时间跨度：10 000年

 

　　问题：大质量恒星如何爆发？

 

　　科尔•米勒(Cole Miller)，美国马里兰大学天文学家

 

　　超新星爆发相当罕见，在大的旋涡星系如银河系中大概每隔几十年才发生一次。人类最近一次见到银河系中的超新星爆发，是在公元1604年。据约翰尼斯•开普勒(Johannes Kepler)所述，当时这颗超新星的亮度超过了夜空中除金星外的其他所有星星。更近一些时期记载下来的所有超新星爆发全都发生在距地球数百万光年之遥——好在还不是数十亿光年——的其他星系中。如果我们最终可以近距离观察到一次超新星爆发，天文学家将不仅能通过常规的望远镜来观测它，还可以借助两个最新的天文观测平台——可以分别探测中微子和引力波——来弄清这颗爆发恒星内部发生的真实情况。如果你等上一万年，肯定可以看到100或200次超新星爆发，这足以让我们分辨出超新星之间的细微差异了。

 

　　银河系中随时可能出现恒星爆炸的事件。爆炸发生之初，全球各地的若干引力波观测台中的电脑屏幕将开始闪亮，意味着空间架构的波动正在经过观测台。引力波是爱因斯坦广义相对论作出的关键预测之一，但至今人们仍未能直接探测到。引力波的出现表明，恒星的内核在自身引力的作用下已经开始坍缩。恒星内的物质被压缩后转变为中子并释放出中微子，而中微子能够不受阻碍地穿越物质，从而透过恒星的外层逃逸到宇宙空间(并最终到达地球的观测台)。坍缩释放出的能量绝大部分由中微子携带，足以炸飞恒星的外层，并使它显得极其明亮。

 

　　不过，在有些情形下，恒星塌缩可能会像爆竹哑火那样未能爆炸，但仍会产生引力波，只是不会发光而已。对这一点，我们并不是很有把握，因为迄今为止，我们仅仅观察到了超新星爆发的最后阶段，即可以看得见的阶段(唯一的例外是1987年，科学家曾探测到来自一次超新星爆发的少量中微子)。如果有几千年的时间来观测，那一切都将大不相同。借助未来的新工具，我们或许还能搞定另一个悬而未决的问题——是什么决定了一颗垂死恒星是变成黑洞还是变成中子星。

 

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