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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

日志

 
 
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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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[小红猪] 长时研究:慢科学   

2013-07-29 17:19:37|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:小红猪小分队

作者:Brian Owens

译者:行空天牛

校对:郑然

原文:Long-term research: Slow science

世界上运行时间最长的实验提醒我们科学是一场马拉松,而不是短跑比赛。

尽管科学是一个长期的工作,但是单个的实验或者独立的项目受限于投资周期,研究工作经常以较短的时间尺度进行。但是某些研究并不能在短时间内完成。以对人类的寿命、地壳的变动、太阳表面的研究为例,这类研究通常需要数十年甚至数个世纪。

《自然》 杂志介绍了五个运行时间最长的科学项目,其中某些项目已经持续累积了数个世纪的实验数据。有些研究项目每年产生数百篇论文,而有些需要数十年才产生一个数据样本。

进度如此缓慢的实验正受到研究优先权和技术发展的挑战,也经常受到缺乏资金和管理层面的威胁。但是启动这些实验的科学家的高瞻远瞩和继任者的耐心、献身精神契合在了一起。如果实验所需时间尺度惊人,比如对于人类寿命长达90年的研究,那么主持研究的核心科学家便可以积累出独有的数据。

400年:计太阳黑子

【早在1613年,伽利略就在绘制太阳黑子了。】

在发明望远镜以前400年,天文学家就开始记录太阳黑子,其中伽利略甚至给出了他的观测记录。但是我们并不知道有关太阳表面黑斑更早的观测者,或者有关他们记录的资讯。然而从1848年开始,一切变得不同起来,瑞士天文学家鲁道夫·沃尔夫(Rudolf Wolf)开始系统性地给出了太阳黑子的观测数据,并给出了沿用至今的计算太阳黑子数目的公式。采用这个公式计算得到的结果被称为Wolf数,这个数给出了一种评估太阳活动变化的手段。

2011年,弗雷德里克·科莱特成为太阳影响数据分析中心的负责人。该中心以位于于克勒的比利时皇家天文台为基础,通过1700年以来超过500位观测者有关太阳表面的照片和手绘图,对太阳黑子的变化情况进行研究。

"对于预测太阳黑子的活动而言,这些数据是无价的。" 加利福尼亚州斯坦福大学太阳物理学家列夫·斯伐加德说。太阳活动大约以11年为周期,太阳黑子喷发的带电粒子流会对卫星以及地球上的电子设备产生影响。这些详细的记录能够帮助研究者理解为什么太阳以一定的周期活动,以及对太阳的强烈活动进行准确预测。 "观测的时间越长,我们就能够更好地检验现有理论。" 斯伐加德说。每年大约200篇文章引用太阳黑子数据,而这些文章的研究范围已经从太阳物理学延伸到了地磁学,大气科学和气候科学。

但实验的进行绝大多数时间依赖自愿的原则。每个月,比利时中心与大约90位观测者核对太阳黑子数据,其中三分之二是业余爱好者,他们与200年前的观测者一样通过小型的光线望远镜进行观察。同时,尽管该中心是被巴黎国际科学会议认可的世界数据中心,但是它并没有获得该组织的资金资助。科莱特和另一位兼职研究者一起维护着数据库。另外科莱特的"晚间工作"则是在比利时皇家天文台的一名天文学家。

"尽管如此",科莱特说,和数百年前的同事一起工作很吸引人。举个例子,他说即使是出自伽利略之手的对于太阳的研究也是质量不一的,因为伽利略"总是忙于研究行星和其他事物"。伽利略的素描图详尽到能够得到有关太阳黑子群的磁结构以及星星大小、偶极子倾斜等信息。"你可以和我们今天绘制的图一样,从这些素描图中准确提取出信息"。

更重要的是,他完全被先人的远见所吸引了。先人们忠实地记录了他们所看到的,认为这些在以后会有作用。"这是科学的基本理念"他说,"不用担心最终的结果是什么"。

170年:监控淡定的火山

【如今的博物馆,维苏威火山观测站旧址,从山的一边来监察火山运动。】

尽管维苏威火山始终是座活火山,但需要几千年的时间才会来一次壮丽的喷发。上一次火山喷发发生在公元79年,将庞贝城消逝于一片火海中。更早的一次发生在约3800年前,如今的那不勒斯地区那会儿都被热气和岩石覆盖着。维苏威火山观测站,世界上最古老的火山研究站,从1841年就开始观察这个淡定的家伙——记录这座火山的所有地震次声波,来试着预测正在接近的危险。观测站主任马尔切洛·马天尼说,这个观测站起初设在火山边缘600米地方的小山坡上,这里够高够远,既可以逃脱喷射出的碎片,又可以避免火山的熔岩流,现在因火山和地质原因已改变了形状。

马赛多尼奥·梅洛尼,这个观测站的第一任主任,针对岩浆的磁性开展了一些开创性工作,这对古地磁学(记录于岩石的地球磁场的历史)的研究有着至关重要的作用。1856年,第二任主任路易吉·帕尔米耶里发明了电磁地震仪,它比以往的机器对地面震动要灵敏的多,让其可以对火山喷发进行预测。在帕尔米耶里及其后任们在任期间,这个观测站对在世界范围内监测火山运动的仪器的发展做出了很大的贡献。例如,在20世纪初期,朱塞佩·麦加利开发的用于火山活动性分级的工具一直沿用至今。

但是这座建筑物本身的角色却早已改变。"在早期,尽可能地靠近火山活动对于观察和研究是非常重要的,但如今却没有这个必要了,"金斯顿罗德岛大学的火山学家哈拉杜尔·西于尔兹松说。如今大部分的监测工作都是通过远程地面传感器完成的,采集的数据被传回位于那不勒斯的国家地质火山研究所。这栋老楼在1970年成了一座博物馆。

除了为了科学理论的研究,观测也被用于预测灾难和保护公众,他们在1944年就成功地做到了这一点。在那不勒斯实验室,科学家们是24小时值勤的,他们会持续地观测在西西里岛北边的一座小岛上的斯特隆博利山,那不勒斯西边的坎皮佛莱格瑞火山口,以及伊斯基亚岛。尽管如此,西于尔兹松说,火山学的未来不再是依靠将传感器置于已经被认为是危险的火山上,而是通过卫星雷达来研究每一处地面形变并挑选出地质学家没有注意到的危险区域。"我们需要发展国际协作的系统来监测火山,不局限于对一座火山的瓦石泥灰的观测,而是一种真正全面地方式来进行全球性的监测,"他这样说到。

170年:关于粮食的数据收获周期

【自1843年,洛桑就已成为研究肥料对小麦产量影响的试验基地。】

长期研究项目的管理者都希望可以保持工作的完整性,并且要保证它与时俱进。安迪·麦克唐纳的例子就是这样,他在2008年接手了一组始于1843年的农业实验,来测试无机化肥和有机肥料对农作物生长的影响。

这些研究最先是由肥料大亨约翰·劳斯在他的位于伦敦北部洛桑的田庄开始的,它们被用来测试氮肥,磷肥,钾肥,钠肥,镁肥和农家堆肥对一些主要作物,例如括小麦,大麦,豆类、块根农作物的产量影响。

"20或30年以后,关于不同肥料的相关价值的大量基础问题都能得到很好的回答," 麦克唐纳说,他现在负责这一在洛桑研究所开展的"经典试验"。氮肥的作用最大,其次是磷肥。因此,这些试验会被周期性地更新来检验新的想法并保证与当今的耕作方式相关。例如在1968年,自试验一开始就耕种的长秸秆谷类作物就被当时农民选用的高产短秸秆谷类作物取代了。麦克唐纳说,比起传统品种,这些新农作物变得需要更多的肥料,因为它们要从土壤中汲取更多的养分,因此农民不得不去适应它。

"洛桑研究所是长期农业研究的鼻祖," 密歇根州立大学的一个长期农业研究站,W.K.凯洛格生物研究站的主任菲尔·罗伯森说。这一完整数据链的价值是不可估量的,他说。洛桑研究所不仅可以研究那些只有通过长时间地研究方才可以明了的环境和生物学的趋势,诸如土壤中的碳储量,或是入侵物种的影响等,而且还可以为一些短期的研究提供平台,例如土壤中的硝酸盐流失。

洛桑研究所的档案保留了约30万种从试验开始所搜集的植物和种子标本。在2003年,科学家们从可以追溯到1843年的存档标本中发现了两种小麦病原体,并揭示了工业二氧化硫的排放对显性病原体的影响。

要让基金资助机构保持兴趣也是一件困难的事情。洛桑研究所靠一些政府基金、竞争性资助和由劳斯在生前设立的信托基金来维持。"作为一个资助人,即使在很长的一段时间都不会有任何令人振奋的结果,你都必须致力于维持这一观察研究,"罗伯森说到,他在去年参与了美国农业部长期农业生态系统研究网络的建设工作。麦克唐纳和他的团队为他们的历史自豪。"我有时候会往回想到约翰·劳斯,"麦克唐纳说,"我觉得有巨大的责任确保试验在未来传递下去。他们不是老古董,他们是我们活跃的科学团体的一部分。"

90年:天才是如何长成的

【刘易斯?特尔曼开始了一项最长人类发展学研究之一。】

在1921年,加利福尼亚州斯坦福大学的心理学家刘易斯·特尔曼开始了一项对1500多名天才少年的跟踪研究,这些出生于1900年到1925年之间的孩子是通过他们开发的斯坦福-比内智商测试而被选定出来的。这项研究是世界上最早的纵向研究之一,并且如今已经积累了人类发展学中最长的深度记录,已经跟踪了这些参与者历经九个年代,着眼于他们的家庭生活、教育、兴趣、能力和性格。

在他的这个"天才的遗传研究"中,特尔曼的主要目标之一是反驳一个当时习以为常的设想,即天才孩子都是多病,不善于交际,且人格不够全面。但是即使按照那个时候的标准,这个研究的设计还是有一些问题的。他的选择方法是随意的,所组织参与智商测试的孩子主要来自于老师们的推荐,而且这些样本不具备代表性(90%多的都是上层或中产阶级的白人孩子,而且特尔曼甚至还将自己的孩子加入其中作为样本)。更有甚者,随着参与者变得出名,特尔曼为他们写推荐信,并帮助一些进入斯坦福大学,从而干涉了他们的人生轨迹,而这恰恰是研究的对象。

通过跟踪观察这些孩子到成年,特尔曼揭示了他们与普通人群一样的健康且很好地适应社会,而且他们普遍地都会成为成功幸福的成年人。随着这项研究逐步进展,研究者们对其做了一些调整来克服一些其中的研究缺陷。

在1980年代,位于马萨诸塞州波士顿市的哈佛医学院的心理学家乔治·瓦伦特开始运用特尔曼的数据来补充他自己的一项关于成年人发展的长期研究,并开始搜集这些研究对象的死亡数据。正是利用了这些记录,加州大学河滨分校的心理学家霍华德·弗里德曼方能提出了一项特尔曼研究中最有意义的发现之一。他披露了在儿童和成年时期都要考量的一个变量:责任心——也就是审慎、坚持和计划——是预测寿命的一个重要的心理学要素,而且与多活个六七年有很大的关系。"如果没有这组纵贯生命周期的数据,这个论点是很难被发现的。"

依照科学研究的趋势,纵向研究也在逐步发展,斯坦福长寿中心主任劳拉·康士坦森说到。新研究者们将会增加新的度量变量,并修改或放弃那些他们认为不在值得关注或者该淘汰的数据。她说:"例如,如今我们会用一种与1900年代完全不同的方法去观测情绪健康。"因此在许多方面而言,"看着一个纵向数据集合就好似在写一段心理学的历史。"

85年:海枯石烂只为沥青滴落

【自1927年以来,沥青滴落实验仅仅掉下来8滴。】

1961年的一天,物理学家约翰·梅因斯通在澳大利亚布里斯班市昆士兰大学工作的第二天,他偶然发现了一项在橱柜里静静地开展了34年的古怪小实验。50多年过去了,他依旧在照管着这个实验,并等待着见证本实验最激动人心的现象。

当时昆士兰大学的第一位物理学教授托马斯·帕奈尔为了给他的学生们展示一种沥青样本而设计了这个实验。沥青一种黑焦油蒸馏物,在冷状态下特别脆,用锤子一敲就粉碎;然而它可以像液体一样流过漏斗,从最下面滴落,就像是世界上最慢的沙漏。它大概每6~12年会滴落一滴。梅因斯通谨慎地预测,第九滴会在年底的某个时候掉下来。

确切地说,这个实验并非是为了探索发现。86年来,它仅产出了一篇科学文章,计算了沥青的粘性是水的2300亿倍。在2005年,它获得了搞笑诺贝尔奖。

尽管如此,这个实验还是搜集到了一些科学现象。但还没有记录到一滴沥青滴落,最近的一次滴落发生在2000年11月,而记录实验的摄像机那时恰好坏掉了,因此,当沥青滴分离落下的时候究竟发生了什么无人知晓。另外还需要几十年去梳理气候、空调的引入、以及建筑物装修带来的震动对滴落速率的影响。PS:都柏林三一学院从1944年开始进行了类似的观测实验,2013年7月11日,历时69年后,终于捕捉到了一次沥青滴落的发生

但梅因斯通说,这个实验的价值不在于科学上,而是对历史和文化的影响:它激发了雕刻家、诗人、作家思索时光的流逝和现代生活的步调。它还提供了与科学史的联系,以及一种恒定感。"当周遭的世界陷入一片混乱噪杂,而它依旧专心于自己的事情," 梅因斯通说。而且漏斗中的沥青还不少,它还有个150年左右来安祥地待在那里,将繁杂的尘世置之身外。幸运的是,78岁的梅因斯通已经说服了一位年轻的学者在其去世之后来继续照管这个实验。

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