一輩子這麼短，他們為什麼要用幾個世紀來做實驗？

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本文轉載自公眾號「環球科學ScientificAmerican」（ID：huanqiukexue）

撰文 Brian Owens

翻譯 石小東

儘管科學發展是一個長期追求的目標，但研究工作通常是在較短時間內進行和完成的。然而，有些研究項目是不可操之過急的，例如研究人類壽命、地殼和太陽表面的變動情況，則需要花費幾十年甚至上百年的時間。

本文列舉了5個耗時漫長的科研項目，其中有些項目的數據積累工作已經持續了幾個世紀，有的每年產生數百篇論文，而有一項研究每十年才能獲得一個數據。

這些耗時漫長的實驗往往會受到很多不利因素的影響，如資金不足和人員變動。儘管如此，實驗開創者的遠見卓識和繼任者的耐心與奉獻，使得這些研究項目沒有半途荒廢。

如果真如一項歷時90年的人類壽命研究所顯示的那樣，堅持不懈這一品質預示著健康長壽，那麼本文中所描述的科學家都能創造他們自己的記錄了。

自從400多年前望遠鏡問世以來，天文學家就一直在記錄太陽黑子的活動，伽利略作為其中的一員也記錄下了他的觀察結果。然而，早期的觀察者既不知道出現在太陽表面的黑色斑塊究竟是什麼，也不了解產生太陽黑子的磁場。

伽利略（Galileo）早在1613年繪製的太陽黑子圖。

直到1848年，瑞士天文學家魯道夫·沃爾夫（Rudolf Wolf）在對太陽黑子進行了系統觀察之後，開發出一個計算世界範圍內黑子數量（即著名的沃爾夫相對數）並沿用至今的公式，人們對太陽黑子活動才有了進一步認識。沃爾夫相對數也叫太陽黑子相對數，是測量太陽活動隨時間變化的一種方法。

沃爾夫的太陽黑子相對數

2011年，弗雷德里克·克萊特（Frédéric Clette）成為比利時皇家天文台（Royal Observatory）太陽影響數據分析中心（Solar Influences Data Analysis Center）的負責人。為了研究太陽黑子活動，該中心搜集了自1700年以來，由500多名觀察者在觀察太陽表面時留下的照片和手繪資料。

美國斯坦福大學的太陽物理學家利夫·斯瓦加德（Leif Svalgaard）說，這些數據對於預測太陽黑子活動是非常珍貴的。太陽黑子活動的盛衰變化周期約為11年左右，太陽噴入太空的帶電粒子流會影響地球上的衛星和電子設備。

太陽黑子和地球的相對大小

@NASA

詳細的觀察記錄有助於研究人員了解到，為何太陽黑子活動會發生這樣的周期性循環，並精確地預測激烈的太陽黑子活動。「研究持續的時間越長，就越能檢驗我們的理論，」斯瓦加德說。每年，大約有200篇論文引用太陽黑子活動的數據，所涉及的領域從太陽物理學延伸到地磁學、大氣科學和氣候科學。

每個月，比利時皇家天文台都要從大約90個太陽黑子觀察者手裡收集數據並進行核對，這些觀察者中，有三分之二是業餘愛好者，他們所使用的小型光學望遠鏡不比200年前就有的望遠鏡強多少。

比利時皇家天文台

儘管比利時皇家天文台的太陽影響數據分析中心是國際科學理事會（International Council for Science）認可的世界數據中心，但從未從後者那裡獲得過研究經費。克萊特除了上「夜班」時，是比利時皇家天文台的天文學家之外，他還和另外一位兼職人員負責太陽黑子資料庫的維護工作。

儘管如此，克萊特認為，和數百年前的同行一起「工作」是一件令人陶醉的事。他說，雖然伽利略由於「忙於行星和其他事情」，導致其對太陽黑子活動的觀察數據參差不齊，但伽利略所繪製的太陽黑子圖，已然包含足夠詳細的信息，去揭示太陽黑子群的磁結構以及太陽偶極子的大小和傾斜度。「你可以從伽利略繪製的圖像和現代繪製的太陽黑子圖中，提取到完全一樣的信息，」克萊特說。

更為重要的是，克萊特深深地被這些天文學前輩的遠見卓識所吸引，因為他們忠實地記錄所看到的一切，認為這些會對以後的研究有所幫助。他說，「這是科學研究的一個根本，那就是忠實地記錄實驗數據，而不去擔心最後的結果如何。」

維蘇威火山

義大利南部的維蘇威火山（Mount Vesuvius）雖然是一座活火山，但每隔幾千年才會壯觀地噴發一次，最近一次大噴發是在公元79年，這次噴發將龐貝城（Pompeii）埋葬在了火焰之中。

龐貝城遺址

在此次噴發的大約3 800年之前，維蘇威火山噴發產生的熱氣和岩石覆蓋了如今的整個那不勒斯地區。維蘇威火山觀察站作為世界上最古老的火山研究站，自1841年起，便開始對這個不友好的目標進行觀測，火山的每一次震動都被記錄下來，以便預測即將到來的危險。

觀測站坐落在維蘇威火山一側600米高的位置處。為了安全，觀測站與火山頂有較遠的距離，從而避開火山噴發產生的岩石碎片和岩漿流。現任維蘇威火山觀測站的負責人馬賽羅·馬蒂尼（Marcello Martini）說，「這個火山觀測站的建立，塑造了火山學和地質學研究的雛形」。

在維蘇威火山一側原來用於監測火山噴發的觀測站。

觀測站的第一任負責人馬塞多尼奧·梅洛尼（Macedonio Melloni）在火山岩漿的磁特性方面做了開創性的工作，這對於後來的古地磁學研究（即研究地球磁場在岩石中的歷史記錄）至關重要。1856年，觀測站的第二任負責人路易斯· 帕爾米耶里（Luigi Palmieri）發明了電磁地震儀，相比於早先的儀器，它對地面震動更加敏感，於是預測火山噴發成為可能。

在帕爾米耶里和隨後的負責人的帶領之下，維蘇威火山觀測站為很多火山噴發監測工具的開發做出了重要貢獻。例如在20世紀早期，朱塞佩·麥卡利（Giuseppe Mercalli）制定的火山噴發強度劃分標準一直沿用至今。

義大利火山學家和天主教神父朱塞佩·麥卡利

然而，檢測站本身已經不再扮演原來的角色。「在早期階段的研究中，儘可能地接近火山活動區域是非常重要的，但現在已經不需要這樣做了，」美國羅德島大學金斯頓分校的火山學家哈拉爾杜爾·斯古德森（Haraldur Sigurdsson）說。

如今，大部分的火山監測都是通過遠程操作實現的，地面上的感測器收集數據後，將數據傳到美國國家地球物理與火山學研究所（National Institute of Geophysics and Volcanology，位於那不勒斯）的實驗室。1970年，原先的維蘇威火山觀測站被改建成一座博物館。

被改建成博物館的維蘇威火山觀測站

除了提供科學理論之外，火山觀測站的另外一個用途就是預測火山噴發，保護公眾生命財產安全，比如觀測站曾在1944年成功預測了火山噴發。

在那不勒斯的實驗室里，科學家全天24小時值勤，他們除了密切監測西西里北部一個小島上的斯特隆波里山（Mount Stromboli）之外，還監測那不勒斯西部的坎皮佛萊格瑞（Campi Flegrei）火山口和伊斯基亞島（island of Ischia）。

伊斯基亞島

但斯古德森認為，火山學的未來不是在已知的危險火山上安放感測器，而是在於星載雷達的使用，這樣可以觀察到地面上的所有變形，挑選出不在地質學家預期範圍內的危險區域。他說：「我們的前進方向，應該是建立有著國際合作的火山監測系統，而不是局限於對某一座火山的監測，要在全球範圍內全面、綜合地看待火山研究問題。」

從事長期研究項目的科學家不僅要努力保持實驗的完整性，還要儘力保證實驗的相關性。安迪·麥克唐納（Andy Macdonald）就是這種情況。2008年，他接手了一項農業實驗，這是自1843年起就開始進行的一項研究：弄清楚礦物肥料和有機肥料對農作物產量的影響。

該項研究是由肥料大王約翰·勞斯（John Lawes）在其位於倫敦北部的洛桑莊園里發起的，實驗測試了氮、磷、鉀、鈉、鎂以及農家肥料對幾種主要農作物產量的影響，研究的作物包括小麥、大麥、豆類和根塊農作物。

約翰·勞斯

現今在英國洛桑研究所（Rothamsted Research）負責「經典實驗」的麥克唐納說，「研究進行了二三十年之後，一些肥料的相對重要性就基本弄清楚了」。比如，氮肥的作用最大，其次是磷肥。

因此，為了適應農業實踐的需要，實驗會定期更新，測試新的想法。例如在1968年，自從研究開展之時農民就在種植的長桿穀類作物，被更高產的短桿穀類作物所取代。研究證實，新品種需要更多的肥料，因為它們要從土壤中吸取額外的養分，所以農民不得不去適應這種改變。

英國洛桑研究所

「洛桑是長期農業研究的鼻祖，」美國密歇根州立大學凱洛格生物站（W. K. Kellogg Biological Station）的負責人菲爾·羅伯森（Phil Robertson）說，凱洛格生物站是密歇根州立大學設立的一個長期農業研究站點。

羅伯森指出，具有連續性的數據資料是非常寶貴的。洛桑研究所不僅能夠研究環境和生物的發展動態，例如土壤中的鈣存儲狀況或者入侵物種的影響等，這些改變只有在較長的時間內才能明顯地表現出來，與此同時，洛桑研究所也為一些短期的研究提供了平台，如土壤中硝酸鹽的流失現象。

洛桑檔案館保存著自從實驗開展以來收集的大約30萬份植物和土壤樣本。2003年，科學家從1843年收集的小麥樣本中，提取到兩種小麥病原體的DNA，揭示了工業二氧化硫的排放對哪種病原體的影響比較大。

英國洛桑研究所

讓資助機構對這類長期研究項目保持興趣並不太容易。洛桑研究所的研究經費來源包括政府撥款、捐贈以及勞斯在去世之前設立的信託基金。

「即使是在暫時沒有突出研究成果的時期，投資者也必須致力於維護實驗數據的連續性，」參與設立美國農業部長期農業生態系統研究網路（US Department of Agriculture』s Long Term Agro-Ecosystem Research network）的羅伯森說。

麥克唐納和他的團隊為他們所做的工作感到自豪。「我經常會回想起約翰·勞斯，」麥克唐納說，「為了確保實驗能夠很好地傳承給下一代，我深感責任重大。這些數據資料不是陳列在博物館裡的歷史文物，而是當今科學界的組成部分。」

1921年，美國斯坦福大學的心理學家路易斯·特曼（Lewis Terman）通過其開發的斯坦福－比奈智商測試（Stanford–Binet IQ test），挑選出了在1900年和1925年間出生的1 500多名天才兒童，然後對他們進行跟蹤調查。

這是世界上最長的縱向研究之一，也是歷時最長的、深入研究人類發展的項目。在長達90多年的時間裡，特曼對這些參與者的家庭生活、教育程度、興趣愛好、個人能力以及個性品格進行了追蹤調查。

路易斯·特曼開展了歷史上最長久的人類發展研究。

特曼的「天才遺傳研究」的目標之一，是為了反駁當時流行的一種假設：天才兒童的身體是羸弱的，他們缺乏社交能力並且發展不全面。然而，即便是依照當時的標準，該項研究的實驗設計也存在諸多問題。

首先，特曼的樣本選擇方法具有很大的偶然性，測試的管理在很大程度上是基於教師的推薦信；其次，選擇的樣本缺乏代表性，其中超過90%是白人與中上階層，特曼甚至讓他自己的孩子報名參加測試；更有甚者，特曼為了使實驗結果符合自己的預期，為實驗參與者寫推薦信，幫助其中的一些人進入斯坦福大學學習。

特曼的調查一直追蹤兒童進入成年，研究結果顯示，這些天才兒童和普通人一樣健康，並具有良好的社會適應能力，他們普遍都成長為事業有成、快樂的成年人。另外，隨著調查項目的推進，研究人員也在努力地彌補實驗中存在的一些缺陷和不足。

例如在上世紀80年代，美國哈佛大學醫學院的心理學家喬治·瓦蘭特（George Vaillant）就將特曼的數據，補充到自己的一項研究成人發展的長期項目上，並開始收集當年參與特曼那項研究的人的死亡證明。

通過分析這些實驗記錄，加利福尼亞大學河畔分校的心理學家霍華德·弗里德曼（Howard Friedman）總結出特曼研究最有意義的一項發現，即人的責任心——審慎、毅力和計劃性，無論是在童年期還是成年期都是預測長壽的一個關鍵心理因素，具有良好責任心的人可延長6～7年的壽命。「如果沒有長期的數據收集工作，這種聯繫是很難發現的」，弗里德曼說。

隨著當代科學的發展，縱向研究也在與時俱進，斯坦福長壽中心（Stanford Center on Longevity）的負責人勞拉·卡斯坦森（Laura Carstensen）說。新加入的研究人員將會補充新的方法，同時也會修改或者摒棄那些他們認為不再有意義或者過時的一些做法。「例如，我們將採用完全不同於1900年的方式對情感健康進行評估，」她說，「查看這些縱向數據，就像在書寫一部心理學史」。

約翰·梅因斯通

1961年，在澳大利亞昆士蘭大學工作才兩天的物理學家約翰·梅因斯通（John Mainstone）無意間發現了一個古怪的小實驗，當時該實驗已經在櫥櫃里悄悄地進行了34年。50年後，梅因斯通仍然照看著這個實驗，並一直等著見證最激動人心的時刻。

這個瀝青滴漏實驗的開創者是該校的第一位物理學教授托馬斯·帕內爾（Thomas Parnell），他想藉此實驗向學生證明，在冷卻狀態下很容易被鎚子砸碎的瀝青（一種黑焦油餾分）也可以像液體一樣流經漏斗，從底部滴出。最後帕內爾成功了，每隔6到20年，就會有一滴瀝青滴落，迄今為止已經滴下了9滴瀝青，速度如此之慢，使其成為世界上最慢的滴漏。

嚴格地說，這個實驗並不是一個科學發現的溫床。在90年的時間裡，此項研究只產生了一篇科學論文，該論文計算出瀝青的黏性是水的2 300億倍。此外，該實驗在2005年贏得了搞笑諾貝爾獎（Ig Nobel prize）。

儘管如此，瀝青滴漏實驗仍然有一些尚待研究的問題。首先，從來沒有人見過瀝青是如何滴下的，記錄實驗過程的網路攝像頭也沒有將瀝青下落的情景拍攝下來，所以沒有人知道瀝青滴和瀝青塊分離的時候究竟發生了什麼。此外，可能還要花費數十年的時間來弄清楚天氣、空調的使用以及大樓裝修產生的震動，對瀝青滴落速度所帶來的影響。

梅因斯通認為，該實驗的價值不在於它對科學的貢獻，而在於對歷史和文化的影響，它激起了雕刻家、詩人和作家對時間流逝和現代生活節奏的深刻思考。同時，它還讓人聯想到科學史和事物發展的恆久性。「無論世事如何變幻無常，瀝青始終遵循著自己固有的規律，」梅因斯通說道。

漏斗中還剩有大量的瀝青，在未來的150年里，它仍將無視世間紛擾，平靜地準備迎接下一次滴落。2013年8月，梅因斯通因中風去世。幸運的是，他在去世前找到了瀝青滴落實驗的接手人，在他離開之後，他的年輕同事將會把這一實驗繼續下去。(在這篇文章發表之後的2013年7月11日，他們第一次拍到了瀝青液滴的滴落。——編者注)

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