萬年科學實驗大暢想:生命如何粉墨登場

 

  如果科學家能開展一些持續數百或數千年的研究,他們最想獲得些什麼樣的信息?我們就這個問題採訪了多位頂級科學家。

  兩個原子組合成一個分子僅需數皮秒時間(1皮秒為10-12秒),與之相比,人的一生可謂漫長。然而,與許多自然現象(從山脈的隆起到星系的碰撞)相比,人的一生又短如驚鴻一瞥。有些科學迷題,科學家即使窮盡一生也無法解答,只能通過接力的方式一代傳一代地讓研究持續下去。例如,醫學界的縱向調查就是在最初參與調查的研究人員辭世之後,由後繼者繼續跟蹤觀察那些調查對象。甚至某些早在20世紀20年代就啟動的調研項目,至今仍在進行。而歷史上持續時間最長的不間斷收集數據的紀錄,可能是由古巴比倫人《天文日記》(Astronomical Diaries)創下的。日記記錄了公元前1000年-公元元年內至少6個世紀的天文觀測資料,由此揭示了日食和月食之類天象出現的規律。

  今天,大多數科學研究領域中,都有一些極有意思且意義重大的問題懸而未決,原因就在於科學家生命有限,沒有足夠的時間來研究這些問題。我們非常好奇,如果時間不在話下,情況又如何呢?最近,我採訪了各個領域的頂級科學家,問他們,“如果你有1 000年、10 000年,甚至1 000 000年的時間來觀測或實驗,你會關注哪些問題?”(為了避免他們跑題,繞開科學大談那些玄乎其玄的未來遠景,我要求他們只能使用今天的技術。)時間跨度:10 000年問題:生命如何粉墨登場?

  羅伯特?哈森(Robert Hazen),美國喬治?梅森大學地球科學家眾所周知,20世紀50年代初,芝加哥大學的斯坦利?米勒(Stanley Miller)和哈羅德?尤雷(Harold Urey)證明,當條件適當時,生命的某些基本結構單元(比如氨基酸)會自發形成。看來,只要有合適的原料,再等待足夠長的時間,搞定生命起源之謎完全不成問題。其實事情沒有那麼簡單。不過,花上10 000年左右的時間,現代版的尤雷-米勒實驗說不定會打造出某些具有自我複製能力,可以通過自然選擇不斷進化的簡單分子——簡而言之,也就是打造出生命了。

  模擬生命起源的實驗,必須在一個地質化學條件足以亂真的環境中實施,而且必須從零開始。原始湯中可能曾含有數百萬種小分子,這些分子可能以無數種方式彼此結合,發生反應。不過,在海洋中,由於這些分子被高度稀釋,任意兩個分子相遇的幾率非常低,更不用說發生化學反應。因此,最合乎情理的解釋應該是,具有自我複製能力的分子最初是產生於岩石表面上的。原始地球的表面潮濕多水,堪稱一個巨大的天然實驗室,在長達1億~5億年的時間內,同時進行著多達1030項微型實驗。

  一個持續萬年的實驗,也許能重現上述場景:同時開展大量微型實驗。從外面來看,這些分子溫床好像是塞滿了一排排電腦服務器的機房,但一進去就會發現,它們其實是些含有成百上千個微型反應孔的化學“芯片實驗室”。每個反應孔裡化合物都有著不同的組合方式,分別在各種不同的礦物表面發生化學反應。芯片會持續監視這些反應,隨時注意有無跡象證明,某種分子已進入了持續強化的自我複製狀態。

  通過篩選、關注那些最有可能得出有趣結果的反應物組合,或許能使實驗所需的時間從數百萬年縮短至數千年。運氣好的話,我們解開生命之迷所需的時間,最終將進一步縮短至數十年。

  時間跨度:10 000年問題:自然界常數真是固定不變嗎?

  傑拉爾德?加布裡埃爾斯(Gerald Gabrielse),哈佛大學物理學家物理學的基本定律,似乎都是放之四海而皆准的永恆定理。比如,所有的質子均帶等量的電荷,光永遠以一個速度行進,等等。然而,一些新提出的現實模型卻容許常數出現變動,有的天文學家甚至宣稱,已經觀測到常數的微小變化(不過這些研究尚存爭議)。但與此同時,實驗室中獲得的結果卻始終穩定不變,比如我的實驗室測量出的電子磁性強度(就我所知,這是對基本粒子性質所進行的精度最高的測量)。不過,如果在數千年的時間裡反覆進行這個實驗,說不定會探測到常數的變化。

  為了測量電子的磁性,更確切地說是“磁矩”(磁矩是亞原子粒子的一種特性,相當於條形磁鐵的磁場強度),我們用靜電場將單個電子約束在一個平面內,並通過磁場迫使該電子作圓周運動。我們讓實驗裝置的溫度保持在0.1開(絕對零度以上0.1度)以下,從而使電子在最低能態上運動。然後,我們用射頻波使電子的磁性翻轉。由於電子的響應(特別是磁性翻轉的速率)與它的磁矩有關,這樣我們就能夠以高達3/10-13的精度測定其磁矩。

  如果在整個宇宙歷史中,磁矩曾出現千分之一的變化,而且這一變化一直以固定的速率發生,那麼我們的實驗應該能夠測出來。當然,科學永遠也無法證明某個參數是絕對固定不變的,它所能證明的只是變動率極其小。而且,現今的變動率有可能遠低於早期宇宙時的,因此在實驗室中測到這種變化非常困難。不過,如果我們在10 000年內,反覆進行實驗而又沒有觀測到任何變化,那些預測常數變化的理論而言在這種穩定性面前可能就站不住腳了(比如,有人宣稱,通過對遙遠類星體發出的光進行觀察,他們檢測到,自宇宙早期以來,電磁相互作用的強度發生了微小變化)。

  當然,隨著科技不斷進步,實驗室的技術肯定會不斷改進。我認為,未來有了更先進的方法相助,我們一定能在遠短於10 000年的時間內取得更大的進展。

  時間跨度:10 000年問題:大地震發生的頻率有多大?

  索恩?雷伊(Thorne Lay),美國加利福尼亞大學聖克魯斯分校地震學家2011年3月,重創日本東北部地區的9.0級地震以及由此引發的海嘯,令地震學界人士大跌眼鏡:幾乎無人預料到,引發這場地震的斷層,會在一次活動中釋放如此大的能量。我們可以通過考察地質狀況,間接還原該地的地震活動歷史,但這永遠也不能替代直接預測。現代地震儀問世僅有一個世紀多一點,在這樣短的時間裡,我們無法搞清楚那些每隔幾個世紀或更長時間才光顧某一地區的巨大地震的發生規律。不過,這些地震儀連續運行數千年後,我們就能更精準地繪製地震分佈圖——包括確定哪些地區有可能發生9.0級強震,即使這些地區有史以來從未出現過8.0級以上的地震。

  數千年積累的資料也有助於搞清另一個問題:超級地震(指8.5級或以上的地震)在世界範圍內是不是傾向於集中地爆發?從過去100年的資料來看,這些大地震似乎還真的喜歡扎堆出場,過去10年中就有6次超級地震亮相,而在之前的30年中卻一次也沒有。在更長的時期中獲得的測量結果,將有助於我們瞭解,這種集中爆發的情況,究竟是與某種物理作用相關,還是僅僅是統計學上的偶然事件?

  時間跨度:10 000年問題:大質量恆星如何爆發?

  科爾?米勒(Cole Miller),美國馬裡蘭大學天文學家超新星爆發相當罕見,在大的漩渦星系如銀河系中大概每隔幾十年才發生一次。人類最近一次見到銀河系中的超新星爆發,是在公元1604年。據約翰尼斯?開普勒(Johannes Kepler)所述,當時這顆超新星的亮度超過了夜空中除金星外的其他所有星星。更近一些時期記載下來的所有超新星爆發全都發生在距地球數百萬光年之遙——好在還不是數十億光年——的其他星系中。如果我們最終可以近距離觀察到一次超新星爆發,天文學家將不僅能通過常規的望遠鏡來觀測它,還可以借助兩個最新的天文觀測平台——可以分別探測中微子和引力波——來弄清這顆爆發恆星內部發生的真實情況。如果你等上一萬年,肯定可以看到100或200次超新星爆發,這足以讓我們分辨出超新星之間的細微差異了。

  銀河系中隨時可能出現恆星爆炸的事件。爆炸發生之初,全球各地的若干引力波觀測台中的電腦屏幕將開始閃亮,意味著空間架構的波動正在經過觀測台。引力波是愛因斯坦廣義相對論作出的關鍵預測之一,但至今人們仍未能直接探測到。引力波的出現表明,恆星的內核在自身引力的作用下已經開始坍縮。恆星內的物質被壓縮後轉變為中子並釋放出中微子,而中微子能夠不受阻礙地穿越物質,從而透過恆星的外層逃逸到宇宙空間(並最終到達地球的觀測台)。坍縮釋放出的能量絕大部分由中微子攜帶,足以炸飛恆星的外層,並使它顯得極其明亮。

  不過,在有些情形下,恆星塌縮可能會像爆竹啞火那樣未能爆炸,但仍會產生引力波,只是不會發光而已。對這一點,我們並不是很有把握,因為迄今為止,我們僅僅觀察到了超新星爆發的最後階段,即可以看得見的階段(唯一的例外是1987年,科學家曾探測到來自一次超新星爆發的少量中微子)。如果有幾千年的時間來觀測,那一切都將大不相同。借助未來的新工具,我們或許還能搞定另一個懸而未決的問題——是什麼決定了一顆垂死恆星是變成黑洞還是變成中子星。

  時間跨度:100 000年問題:材料是如何被腐蝕的?

  克裡斯汀?帕松(Kristin Persson),美國勞倫斯伯克利國家實驗室理論物理學家兼材料科學家我們無時無刻不在打造各種各樣的東西,但如何知道這些東西能夠用多久呢?如果我們要建造核廢料容器,那就必須保證容器的壽命能夠堅持到核物質不再有危險性的那一天。如果我們不想讓地球成為到處都是垃圾的地方,就應該知道塑料及其他物質需要多長時間才能降解。

  要想搞清楚上面這些問題,唯一的方法是讓這些材料經受100 000年左右的應力測試,並看看結果如何。這樣我們才能夠打造出真正經久耐用的東西,或是以“綠色”環保的方式自已降解掉。

  比如,我們可以對通常用作核廢料容器的銅基合金、玻璃等材料進行測試(核廢料庫應該深埋在仔細挑選的儲存點的地下,不過在數千年時間裡,地質狀況有可能發生預料不到的變化)。實驗中,材料將經受加速磨損及化學侵蝕(比如pH值變化)。實驗的溫度也將忽高忽低地隨時變化,以模擬晝夜變化和季節輪替。

  那些在長時間尺度上似乎對最嚴苛的環境都顯得很適應的材料,實際上很可能已經發生了難以察覺的退化。因為我們的鑒定手段還不夠好,如果材料只是磨掉了幾個原子,我們是探測不出來的。只有在經歷了上萬年後,壞掉的地方才可能逐漸顯露出來,從而讓我們知道哪種材料是最好的。

  對材料進行長期測試的需求,也會促使其他技術極大地發展。例如,當前的實驗室技術和模擬手段還無法準確地預測,15年後新型電動汽車的電池性能會怎樣。但最終計算機模擬或許會發展到非常先進的水平,取代長期的實驗。不過,在沒有搞清楚之前,我們在建造需要經久耐用的東西時,應該格外謹慎一些。

  時間跨度:100 000年問題:物種是如何形成的?

  傑瑞?科伊納(Jerry Coyne),美國芝加哥大學進化生物學家自然界中絕大多數新物種的產生,均是始於某一種群在地理上與其他種群隔絕開來之時。隨後,這個種群會慢慢適應當地的環境,並且或遲或早將會獲得一些新的特性,以使其要麼無法與原先所屬物種成功交配,要麼交配後產生的後代無生殖能力(也可能兩種情況同時出現)。進化生物學中一個尚未解決的重要問題就是:這兩種繁殖障礙——也就是使雜交繁殖難以成功和導致後代無生殖能力——哪一種先出現?

  “物種形成”往往需要跨越好幾個地質年代。雖然我們可以在化石或DNA中看到物種形成的證據,但要想看到這一過程完成,卻必須等待上百萬年乃至更長的時間(一些文獻資料證明,物種形成也存在捷徑,這類捷徑不要求種群在地理上隔絕,不過這種情況屬於特例)。不過,如果有10萬年的時間,我們就能夠在實驗室再現物種形成。

  實現這一目標的訣竅就在於,我們需要物色一個能夠快速繁殖的物種來進行研究,比如果蠅。研究人員將在實驗室中把兩個或兩個以上的種群隔離開來,讓它們接觸不同的食物和其他條件。然後再定期檢查每個種群是否發生了遺傳變異,它們的解剖結構、生理特性和行為習性是否有變化,並且不時地安排不同種群的成員相遇,觀察會發生什麼情況。

  在特定條件下,我和合作者通過考察許多有密切親緣關係的物種,在進化趨異的各個不同階段的表現,間接獲得了對繁殖障礙的一些認識。對於地理上隔絕的果蠅,我們發現兩種繁殖障礙——即交配困難和後代無生殖能力——以大致相同的速率進化出來。而對於共棲於同一地區的果蠅,交配困難似乎出現得更早。但尚不清楚這些結果是否適用於所有生物。

  為了加速新物種的形成——比如在100年內——我們可以增強生物的選擇壓力,並遠遠超出自然界中通常的情形。20世紀80年代,在一項具有里程碑意義的實驗中,研究人員僅通過25代,即培育出了能適應不同環境的果蠅種群,而且它們也喜歡與生存在類似環境的果蠅個體交配。但是,該實驗中的條件是人為創造出來的,而且培育出來的兩個種群可否被視為不同的“物種”也大成問題。也許,進行一次長時間的實驗將會得出更確定的結果。

  時間跨度:1 000 000問題:宇宙是不均衡的嗎?

  格倫?斯塔克曼(Glenn Starkman),美國凱斯西儲大學物理學家大爆炸巨大熱量產生的輻射,一直充塞著整個宇宙。空間探測器已經繪製出了這種宇宙微波背景輻射(CMB)在整個天空中的分佈圖,並發現除了一些小的隨機漲落外,該輻射是極其均勻的,與大爆炸理論的預言完全吻合。這種平滑性意味著早期宇宙本身也是均勻的。但我和合作者通過分析卻發現,天空的相對兩側之間存在著對稱性過剩(excess of symmetry),另外,按理論推測本應在天空中延伸達60多度的最大漲落也不見蹤影。

  為了弄清這些異常是宇宙的真實特性還是統計學上的偶然現象,我們需要長期地觀測下去。現今我們觀測到的CMB輻射分佈,是我們在時空所處的特定位置帶來的偶然結果。137億年來,CMB輻射一直不斷地從四面八方湧向地球。因此,測繪CMB的分佈,意味著要繪出一個環繞地球、半徑達137億光年(光在137億年中行進的距離)的球面。如果我們有足夠長的時間,球面將越來越大,並逐步穿過早期宇宙所在的新區域。這些異常結構尺度極大,CMB球面可能需要十億年的時間才能穿越它們(到那時球面半徑將擴張到147億光年)。如果給我的時間只有區區1 000 000年,大多數異常現象應該仍然存在,但是可能有微小的變化。到那時,我們也許能夠看出,異常現象是將朝著消失的方向發展,還是將持續存在下去。前者意味著異常現象是偶然事件;而後者則意味著可能存在更大的宇宙結構。

  時間跨度:1 000 000年問題:質子有金剛不壞之身嗎?

  西恩?M?卡羅爾(Sean M. Carroll),美國加州理工學院理論物理學家宇宙中的通常物質主要由質子構成,這種粒子自大爆炸以來就一直存在。其他各種亞原子粒子,包括中子在內,都可以自發地衰變,但質子卻似乎是格外的穩定。不過,某些“大統一理論”(GUT)試圖把整個粒子物理學重新解讀為某個單一的力的不同表現形式,並據此預測質子也會衰變,其平均壽命與具體的理論有關,最高可達1043年。如果我們等待足夠長的時間,最終是否會看到這種衰變發生呢?

  為了觀察到質子的衰變,我們需要在一個龐大的地下水池中裝滿水,然後探測水的原子中所含質子發生衰變時發出的微弱閃光。監視的質子越多,探測到一次衰變的機會就越大。利用現有探測裝置進行的研究表明,質子的壽命至少也有1034年,這個結果已經把眾多大統一理論“掃地出門”了。要得到確定的結論,現有探測器需要持續運行一億年。但是,如果我們能打造出規模為現在5倍的探測器(像一個足球場那麼大,能容納5 000 000噸水),那麼只需1 000 000年就夠了。為了實現粒子物理學的統一,等這麼久,值得!





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