时间跨度：100 000年

 

　　问题：材料是如何被腐蚀的？

 

　　克里斯汀•帕松(Kristin Persson)，美国劳伦斯伯克利国家实验室理论物理学家兼材料科学家

 

　　我们无时无刻不在打造各种各样的东西，但如何知道这些东西能够用多久呢？如果我们要建造核废料容器，那就必须保证容器的寿命能够坚持到核物质不再有危险性的那一天。如果我们不想让地球成为到处都是垃圾的地方，就应该知道塑料及其他物质需要多长时间才能降解。

 

　　要想搞清楚上面这些问题，唯一的方法是让这些材料经受100 000年左右的应力测试，并看看结果如何。这样我们才能够打造出真正经久耐用的东西，或是以“绿色”环保的方式自已降解掉。

 

　　比如，我们可以对通常用作核废料容器的铜基合金、玻璃等材料进行测试(核废料库应该深埋在仔细挑选的储存点的地下，不过在数千年时间里，地质状况有可能发生预料不到的变化)。实验中，材料将经受加速磨损及化学侵蚀(比如pH值变化)。实验的温度也将忽高忽低地随时变化，以模拟昼夜变化和季节轮替。

 

　　那些在长时间尺度上似乎对最严苛的环境都显得很适应的材料，实际上很可能已经发生了难以察觉的退化。因为我们的鉴定手段还不够好，如果材料只是磨掉了几个原子，我们是探测不出来的。只有在经历了上万年后，坏掉的地方才可能逐渐显露出来，从而让我们知道哪种材料是最好的。

 

　　对材料进行长期测试的需求，也会促使其他技术极大地发展。例如，当前的实验室技术和模拟手段还无法准确地预测，15年后新型电动汽车的电池性能会怎样。但最终计算机模拟或许会发展到非常先进的水平，取代长期的实验。不过，在没有搞清楚之前，我们在建造需要经久耐用的东西时，应该格外谨慎一些。

 

　　时间跨度：100 000年

 

　　问题：物种是如何形成的？

 

　　杰瑞•科伊纳(Jerry Coyne)，美国芝加哥大学进化生物学家

 

　　自然界中绝大多数新物种的产生，均是始于某一种群在地理上与其他种群隔绝开来之时。随后，这个种群会慢慢适应当地的环境，并且或迟或早将会获得一些新的特性，以使其要么无法与原先所属物种成功交配，要么交配后产生的后代无生殖能力(也可能两种情况同时出现)。进化生物学中一个尚未解决的重要问题就是：这两种繁殖障碍——也就是使杂交繁殖难以成功和导致后代无生殖能力——哪一种先出现？

 

　　“物种形成”往往需要跨越好几个地质年代。虽然我们可以在化石或DNA中看到物种形成的证据，但要想看到这一过程完成，却必须等待上百万年乃至更长的时间(一些文献资料证明，物种形成也存在捷径，这类捷径不要求种群在地理上隔绝，不过这种情况属于特例)。不过，如果有10万年的时间，我们就能够在实验室再现物种形成。

 

　　实现这一目标的诀窍就在于，我们需要物色一个能够快速繁殖的物种来进行研究，比如果蝇。研究人员将在实验室中把两个或两个以上的种群隔离开来，让它们接触不同的食物和其他条件。然后再定期检查每个种群是否发生了遗传变异，它们的解剖结构、生理特性和行为习性是否有变化，并且不时地安排不同种群的成员相遇，观察会发生什么情况。

 

　　在特定条件下，我和合作者通过考察许多有密切亲缘关系的物种，在进化趋异的各个不同阶段的表现，间接获得了对繁殖障碍的一些认识。对于地理上隔绝的果蝇，我们发现两种繁殖障碍——即交配困难和后代无生殖能力——以大致相同的速率进化出来。而对于共栖于同一地区的果蝇，交配困难似乎出现得更早。但尚不清楚这些结果是否适用于所有生物。

 

　　为了加速新物种的形成——比如在100年内——我们可以增强生物的选择压力，并远远超出自然界中通常的情形。20世纪80年代，在一项具有里程碑意义的实验中，研究人员仅通过25代，即培育出了能适应不同环境的果蝇种群，而且它们也喜欢与生存在类似环境的果蝇个体交配。但是，该实验中的条件是人为创造出来的，而且培育出来的两个种群可否被视为不同的“物种”也大成问题。也许，进行一次长时间的实验将会得出更确定的结果。

 

　　时间跨度：1 000 000

 

　　问题：宇宙是不均衡的吗？

 

　　格伦•斯塔克曼(Glenn Starkman)，美国凯斯西储大学物理学家

 

　　大爆炸巨大热量产生的辐射，一直充塞着整个宇宙。空间探测器已经绘制出了这种宇宙微波背景辐射(CMB)在整个天空中的分布图，并发现除了一些小的随机涨落外，该辐射是极其均匀的，与大爆炸理论的预言完全吻合。这种平滑性意味着早期宇宙本身也是均匀的。但我和合作者通过分析却发现，天空的相对两侧之间存在着对称性过剩(excess of symmetry)，另外，按理论推测本应在天空中延伸达60多度的最大涨落也不见踪影。

 

　　为了弄清这些异常是宇宙的真实特性还是统计学上的偶然现象，我们需要长期地观测下去。现今我们观测到的CMB辐射分布，是我们在时空所处的特定位置带来的偶然结果。137亿年来，CMB辐射一直不断地从四面八方涌向地球。因此，测绘CMB的分布，意味着要绘出一个环绕地球、半径达137亿光年(光在137亿年中行进的距离)的球面。如果我们有足够长的时间，球面将越来越大，并逐步穿过早期宇宙所在的新区域。这些异常结构尺度极大，CMB球面可能需要十亿年的时间才能穿越它们(到那时球面半径将扩张到147亿光年)。如果给我的时间只有区区1 000 000年，大多数异常现象应该仍然存在，但是可能有微小的变化。到那时，我们也许能够看出，异常现象是将朝着消失的方向发展，还是将持续存在下去。前者意味着异常现象是偶然事件；而后者则意味着可能存在更大的宇宙结构。

 

　　时间跨度：1 000 000年

 

　　问题：质子有金刚不坏之身吗？

 

　　西恩•M•卡罗尔(Sean M. Carroll)，美国加州理工学院理论物理学家

 

　　宇宙中的通常物质主要由质子构成，这种粒子自大爆炸以来就一直存在。其他各种亚原子粒子，包括中子在内，都可以自发地衰变，但质子却似乎是格外的稳定。不过，某些“大统一理论”(GUT)试图把整个粒子物理学重新解读为某个单一的力的不同表现形式，并据此预测质子也会衰变，其平均寿命与具体的理论有关，最高可达1043年。如果我们等待足够长的时间，最终是否会看到这种衰变发生呢？

 

　　为了观察到质子的衰变，我们需要在一个庞大的地下水池中装满水，然后探测水的原子中所含质子发生衰变时发出的微弱闪光。监视的质子越多，探测到一次衰变的机会就越大。利用现有探测装置进行的研究表明，质子的寿命至少也有1034年，这个结果已经把众多大统一理论“扫地出门”了。要得到确定的结论，现有探测器需要持续运行一亿年。但是，如果我们能打造出规模为现在5倍的探测器(像一个足球场那么大，能容纳5 000 000吨水)，那么只需1 000 000年就够了。为了实现粒子物理学的统一，等这么久，值得！

 

　　精彩速览

 

　　许多自然现象之所以难于观测，是因为它们跨越的时间幅度非常大，远远超出了人类的寿命。

 

　　作者向各个领域的顶级科学家提出了一个问题：如果他们能活上几千年，最可能会进行哪些实验。

 

　　当然这些实验只能依靠现有的技术，而且它们所针对的必须是某个无法在更短时间内解决，且极为重要性的问题。

 

　　它们能变得多聪明？

 

　　“如果我让黑猩猩或其他非人类灵长目动物，朝着认知能力越来越高的方向进化，那么它们能变得多聪明？”

 

　　布鲁斯•拉恩(Bruce Lahn)，美国芝加哥大学遗传学家

 

　　我们能进化得不生大病吗？

 

　　“由于不适应饮食结构的变化，越来越多人患上了像糖尿病这样的一些新疾病。那么，数万年后，我们的机体是否已经进化得足够适应了？”

 

　　萨拉•蒂西科夫(Sarah Tishkof)，美国宾夕法尼亚大学人类遗传学家

 

　　我们最终是否会陷入无休止的局部战争中？

 

　　“如果几个世纪后，人类耗尽了廉价的化石燃料，又未能找到新的替代能源，那么，我们将从全球型社会倒退回地方化社会。我们是否会走部族纷争的老路，并陷入无休止的小规模战争中呢？”

 

　　劳伦斯•史密斯(Laurence Smith)，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校地理学家

 

　　人的脑袋是否会变大？

 

　　“产道狭窄是制约人头部大小的主要瓶颈之一。如果在几十万年里持续推行剖腹产，我们的脑部是否会进化得更大？”

 

　　卡特琳娜•哈瓦蒂(Katerina Harvati)，德国蒂宾根大学古人类学家

 

　　晚生晚育会使人的生物学特性出现怎样的变化？

 

　　“现代人要孩子的年龄都比以前晚，这将使精子的突变率更高，而且抚养孩子的方式也会有所不同。几万年后，这些文化传统上的转变，会影响我们的生物学特性吗？”

 

　　本文作者

 

　　马库斯•费尔德曼(Marcus Feldman)，美国斯坦福大学数理生物学家

 

　　达维德•卡斯泰尔韦奇是《科学美国人》(Scientific American)的特约编辑。

 

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