如果科学家有无限时间,他们会研究什么?

作者: 达维德·卡斯泰尔韦奇(Davide Castelvecchi)

来源: 环球科学

发布日期: 2018-03-17 11:44:36

科学家们设想,如果有足够的时间,他们将研究自然界常数的稳定性、大地震的频率、生命的起源、大质量恒星的爆发、材料的腐蚀、物种的形成、宇宙的均匀性以及质子的衰变等重大科学问题。这些问题由于跨越的时间尺度远超人类寿命,通常难以在科学家的一生中得到解答。

再给我一万年,我就能解开这道题!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。如果科学家能开展一些持续数千年或数万年的研究,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,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。

有些科学谜题,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。某些早在20世纪20年代就启动的调研项目,甚至至今仍在进行。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的《天文日记》(Astronomical Diaries)创下的。

这部日记记录了公元前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,在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?

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)

1. 自然界常数真是固定不变吗?

时间跨度:10 000年

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。

2. 大地震发生的频率有多高?

时间跨度:10 000年

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。

3. 生命如何起源?

时间跨度:10 000年

众所周知,20世纪50年代初,美国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。

4. 大质量恒星如何爆发?

时间跨度:10 000年

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1604年。

据开普勒所述,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超新星爆发全都发生在距地球数百万光年之遥的其他星系。如果我们可以近距离观察到一次超新星爆发,天文学家将可以借助两个最新的天文观测平台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。

5. 材料是如何被腐蚀的?

时间跨度:100 000年

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,或是以“绿色”环保的方式自已降解掉的东西。

6. 物种是如何形成的?

时间跨度:100 000年

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,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?

7. 宇宙是不均衡的吗?

时间跨度:1000 000年

大爆炸的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。

8. 质子不会衰变?

时间跨度:1000 000年

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,但质子却似乎格外稳定。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10^43年。如果我们等待足够长的时间,是否能看到这种衰变发生呢?

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