缓慢的科学研究

世界上历时最长的实验提醒我们：科学研究不是一次短跑冲刺，而是一场漫长的马拉松。

科学的发展是一项长期的事业，虽然研究工作通常会在短期内完成，例如一个独立的实验，或者是一项资金受限的研究项目。但有些研究是不能一蹴而就的，例如那些针对人类寿命、地壳运动及太阳表面活动的研究，这些研究通常需要持续数十年甚至数百年时间。

本期《自然》杂志回顾了五个运行时间最长的科研项目，其中有的研究已经持续积累了几个世纪的数据；有的每年可产出数百篇论文；而有的十年才能产生一个数据点。

如此缓慢的实验会面临研究优先级变化和技术更替的考验，资金枯竭或管理变更也会使项目的生存受到威胁。尽管如此，那些启动项目的科学家以他们的远见 卓识和接任者的耐心与奉献精神让这些项目持续了下来。如果参与项目的关键科学家能保持健康长寿——就像一项持续了９０年的寿命研究所预测的那样——他们才 有可能在有生之年看到一些研究成果。

４００年：记录太阳黑子

（伽利略１６１３年描画的太阳黑子记录）

 自４００多年前望远镜发明以来，天文学家就开始记录太阳黑子的活动，伽利略也记录下了自己对太阳黑子的观测结果。但早期的观测者并不知道太阳表面 的黑斑为何物，也不具备产生太阳黑子的磁场的相关知识。这种状况一直持续到１９４８年才发生改变，当时瑞士天文学家卢道夫·沃尔夫（Rudolf Wolf）开始对太阳黑子进行系统观测，并发明了一个沿用至今的指数――沃尔夫相对数，用于计算太阳黑子的数目，并测算长周期太阳黑子的活动变化。

２０１１年，弗里德里克·克莱特（Frédéric Clette）任职比利时皇家天文台太阳影响资料分析中心主任，该中心搜集了自１７００年以来５００多位天文观测者拍摄的太阳表面活动的照片和手绘的图片，并整理出了太阳黑子活动的相关数据。

“这些数据对于预测太阳黑子活动具有不可估量的价值”，美国加州斯坦福大学的太阳物理学家赖夫·斯伐加德（Leif Svalgaard）这样描述。太阳活动增强与衰退的周期约为１１年，太阳黑子喷射到太空中的带电粒子流会影响卫星及地球上的电子设备的正常运转。详细的 记录能够帮助研究者们理解这样的周期为何存在，并能更精确地预测强烈的太阳黑子活动事件。“研究持续的时间越长，就更有利于我们进行理论检验”，斯伐加德 说。每年约有２００多篇论文引用太阳黑子活动的数据，不仅在太阳物理学领域，还包括地磁学、大气科学和气候科学等学术领域。

这项事业主要依赖信誉在维持。比利时的数据中心每个月都会从９０多名观测者那里收集数据，这些观测者有三分之二为业余成员，他们使用的小型光学望远 镜不比２００年前的更先进。这个数据中心虽然得到了位于巴黎的国际科学理事会的认可，却从未获得这个组织的任何资助。柯莱特与另一位兼职人员一起维护着这 个数据库，同时他还担任着比利时皇家天文台的天文学家的“夜班工作”。

尽管如此，与数百年前的同行们一起“工作”仍令柯莱特感到非常激动。虽然伽利略的太阳黑子观测数据覆盖率较差，因为他“忙于观察行星和其它的事 物”，但那些绘图已足够细致到让现在的人们发现黑子群组的磁场结构信息和星球极矩的大小与斜度。“你从这些绘图中能够提取到的信息与如今绘图中所能提取到 的完全一样，”他说。

柯莱特也被天文前辈们的远见所深深折服。他们忠实地记录了观察到的现象，认为这些数据会后世有所帮助。“忠实地记录数据，不去管最终的结果”柯莱特说，“这是科学研究的基础。”

１７０年：监测活动火山

（维苏威火山天文台，现已改建为博物馆）

活动频繁的维苏威火山每隔几千年都会经历一次剧烈喷发。最近一次是在公元前７９ 年，它的爆发吞没了庞贝古城。更早的一次是在３８００年前，炽热的气体和岩浆覆盖了如今整个那不勒斯地区。维苏威火山天文台是世界上最古老的火山观测站， 自１８４１年以来就在监测着这个可怕的对象，记录它所有的地震噪声，以预知即将到来的危险。观测站最初建于火山旁一处６００米的高地，离山顶有足够远的距 离以避开火山喷发的碎片，也有足够的高度以躲开岩浆。它的设计完全符合火山学与地质学的原理，现任负责人马切罗·马提尼这样介绍。

观测站的首任负责人西多尼欧·莫罗尼（Macedonio Melloni）曾对岩浆磁性做出了开创性研究，这对后来的古磁学，即岩石中地球磁场的历史记录至关重要。１８５６年，第二任负责人卢伊吉·帕尔米里 （Luigi Palmieri）发明了电磁地震仪，能更加敏感地测知地面震动，有助于更准确地预测火山喷发。在帕尔米里及继任者的努力下，观测站对全世界火山检测仪器 的研发做出了极大贡献。二十世纪初，朱塞佩·麦加利（Giuseppe Mercalli）所提出的地震烈度指标至今仍被用于衡量火山的喷发强度。

如今的观测站已不再承担从前的角色。“初始阶段尽可能地靠近火山活动区域很重要，现在已不必 如此，”罗德岛大学金斯敦校区的火山学家哈罗多·西古德松（Haraldur Sigurdsson）介绍说。现在大部分监测都能通过远程地面传感器进行，数据可及时传回位于那不勒斯的地球物理与火山学国家研究院的实验室。原先的建 筑在１９７０年被改建成博物馆。

除了为科学理论提供资料之外，观测站还被用于预测喷发以保护公众安全——正如他们１９４４年的成功预测那样。在那不勒斯的实验室，科学家们每天２４小时值班，密切监测着西西里岛北部的斯通波利山，那不勒斯西部坎皮·弗雷格雷超级火山和伊斯基亚岛。

然而，西古德松认为，未来的火山学将不再依赖于在已知的危险火山地区铺设传感器，而是依赖于卫星雷达观测地形变化并挑选出地理学家未曾发现的危险区域。“我们应该发展火山监测体系的国际合作，从全球化角度综合考虑，而不仅仅局限于研究具体的火山地貌，”他说。

１７０年：收获农业数据

 （自１８４３年，洛桑研究所就致力于研究化肥对农作物的影响）

管理长期的研究项目需要维持实验的完整性和关联性，安迪·麦克唐纳（Andy Macdonald）就遇到了这样的情况。他于 ２００８接手了一项农业实验，该实验从１８４３年至今一直测试矿物肥料和有机肥料对农作物产量的影响。

这项实验由肥料巨头约翰·劳斯（John Lawes）发起，并在他伦敦北部洛桑的田庄中进行，已测试了氮、磷、钾、钠和农家肥对小麦、大麦、豆类和一些块茎类作物等主要作物产量的影响。

“二三十年后，相关重要肥料的许多基本问题已经很清楚了，”目前在洛桑研究所负责这项'经典实验’的麦克唐纳说。氮的作用最大，其次是磷。实验进行 周期性更新，对新的想法进行测试，以保持与当前农业生产实践的密切关联。例如１９６８ 年，实验田内的长杆谷类作物被当时流行的高产的短杆谷类所取代。实验证明，这些新品种作物比传统作物汲取更多的土壤养分，因此农场主需相应施以更多的肥 料。

洛桑研究所是位于Hickory Corners的密歇根州立大学内一个长期农业研究所。“它是长期农业研究的鼻祖，” 现任 W.K. 凯洛格生物站负责人的菲尔·罗伯逊（Phil Robertson）说，“不间断的数据链是无价的，不仅能够研究环境和生物发展趋势，比如土壤中的碳存储或是入侵物种的影响等，这些只有经历很长时间才 能显现，同时它也为一些短期研究提供平台，如土壤中的硝酸盐流失现象。

洛桑研究所自开始实验以来，收集并保存了大约３０万种植物和土壤样本。２００３年，科学家从１８４３年保存的样品中提取了两种小麦病原体的DNA,并证明其中一种受到工业二氧化硫排放的显著影响。

让资助机构持续对这样的研究保持兴趣相当困难。洛桑研究所的资金来源于政府资助、竞争捐款以及劳斯临终前创立的信托基金。“即便在没有激动人心成果出现的时期，仍然要保持对实验数据的观测和记录”，去年参与建立美国农业部长期农业生态系统研究网络的罗伯逊说。

麦克唐纳和他的团队对洛桑研究所的历史感到自豪，“我时常会想起约翰·劳斯，”麦克唐纳说，“保存完整地实验数据并传递下去是个巨大的责任。它们不是博物馆里的展品，而是当前科研的组成部分。”

９０ 年：追踪天才成长

（刘易斯·特曼，进行了历时最长的人类发展研究）

１９２１年，美国加州斯坦福大学的心理学家刘易斯·特曼（Lewis Terman）以他开发的斯坦福比奈智商测试法为标准，确定了１５００多名出生于１９００至１９２５年间的天才儿童，并开始追踪他们的成长轨迹。这是世界 上最早的纵向研究项目之一，也是历时最长的对人类发展的深入记录。在长达９０年的时间里，对这些天才儿童的生活、教育、兴趣、能力和人格等方面进行跟踪调 查。

特曼的“天才遗传研究”的一个主要目标就是反驳当时一些常见的假设，如天才儿童存在体弱多病、社交障碍、缺乏完整人格等。但即便以当时的标准，该项 研究的设计也存在诸多问题：实验的选择方法具有随意性；测试的实施主要依赖于老师的推荐；实验对象缺乏代表性（其中９０% 是白人和中上阶层，特曼甚至为自己的孩子们登记报名）；更有甚者，特曼还改变了研究对象的生活轨迹，给其中知名的对象提供建议，并帮助其中几人进入斯坦福 大学学习。

通过数十年的追踪调研，特曼证明了这些天才儿童和普通人一样健康，并且具有良好的社会适应性，成年后也通常事业有成，生活幸福。随着项目的发展，研究人员也在不断修正实验设计上的缺陷。

２０世纪８０年代，马萨诸塞州波士顿的哈佛医学院的心理学家乔治·范伦特（George Vaillan）将特曼的数据补入自己对成人发展的长期研究，并收集特曼研究对象的死亡证明。加州大学心理学家霍华德·弗里德曼（Howard Friedman）通过特曼的一些重要数据记录的研究发现，无论在童年还是成年，责任心——即谨慎、坚持和计划性都是对寿命进行预测的心理要素，可使寿命 延长六到七年。“若没有长达一生时间的纵向观测数据，这一点是很难被发现的”，范伦特说。

纵向研究的发展也受到科学潮流的影响，斯坦福长寿中心主任劳拉·坦森（Laura Carstensen）说。新加入的研究员会带来新的方法，修改或丢弃那些他们认为不再有意义或者过时的方法。“例如，现在我们采用的是与１９００年截然 不同的方式来测量情绪的健康程度，”她说，所以从许多方面来看，“这一系列纵向研究数据就像是在撰写一部心理学发展史。”

８５年：守候沥青滴落

（沥青滴漏实验，从１９２７年至今只滴下了８滴）

１９６１年，澳大利亚昆士兰大学的物理学家约翰·梅因斯通（John Mainstone）在他上班的第二天就发现一个奇怪的小实验，当时这个实验已在一个橱柜中悄悄进行了３４年。五十多年后，他仍然在继续进行这个实验，并等待着见证它令人瞩目的滴落时刻。

沥青滴漏实验是由该校第一位物理学教授托马斯·帕奈尔（Thomas Parnell）发起的。这项实验是为了向他的学生展示：尽管沥青在冷却时脆到可以用锤子敲碎，但还是会像液体一样从漏斗滴出，如同这世界上最慢的时间沙 漏。事实的确如此，沥青以每6年至12年每滴的速度滴落。梅因斯通非常谨慎地预计，第九滴沥青的落下将于今年年底发生。

这项实验并不能产生多少科学发现。８６年来，它只产出了一篇学术论文，论文计算出该沥青的粘稠度是水的２３０亿倍。２００５年，这项实验获得了搞笑诺贝尔奖。

从来没有人亲眼目睹沥青滴落的一刻——最近一次是在２０００年１１月，用来记录实验的摄像头也未能拍摄下这个过程。因此这滴沥青如何与上面的沥青块 分离仍是未知。然而，仍有一些科学内容可以收获，例如弄清楚气候、空调和振动等对沥青滴落速度的影响，但这可能也需要数十年的时间。

这项实验的价值并不在于科学上的成就，而在于它对历史和文化的影响，梅因斯通说。它引发了雕刻家、诗人和作家对时光流逝和现代生活节奏的思索，并与 科学的坚持不懈精神紧密关联。“当世界历经沧海桑田，它却一如既往。”由于漏斗中还有大量沥青存留，这个实验有望在纷扰的尘世之外平静地再度过１５０年。 幸运的是，现今７８岁高龄的梅因斯通已经说服一位年轻的同事，在他离开之后继续将这个实验进行下去。

（作者：Brian Owens  翻译：心蛛）