Наука со скоростью улитки
Исследования - дело всей жизни, но многие эксперименты и исследования рассчитаны на короткие промежутки времени - примерно на срок действия стипендии. Однако на некоторые вопросы так быстро ответить невозможно.
Чтобы изучить человеческую жизнь, тектонику плит или поверхность Солнца, поколениям исследователей приходится тратить десятилетия или даже столетия. Поэтому «Природа» рассматривает пять примеров длительной научной работы, некоторые из которых собирали данные на протяжении столетий. Некоторые из них приводят к сотням публикаций в год, другие добавляют одну точку данных за десятилетие к своим рядам измерений. Но всех их объединяет одно: они были начаты дальновидными учеными, а продолжаются терпеливыми и преданными своему делу людьми.
Считая 400 лет пятен
С тех пор, как более 400 лет назад был изобретен телескоп, астрономы фиксируют появление солнечных пятен. Даже Галилей записал свои данные. Однако ранние наблюдатели ничего не знали о составе или структуре темных пятен на нашей центральной звезде, равно как и об ответственных за них магнитных полях. Ситуация изменилась только в 1848 году, когда швейцарский астроном Рудольф Вольф начал систематически наблюдать за солнцем. Он разработал формулу, которая до сих пор используется для расчета относительного числа солнечных пятен, также известную как относительное число Вольфа. Их можно использовать для определения того, как со временем меняется солнечная активность.
2011 Фредерик Клетт стал директором Центра анализа данных о солнечном влиянии в Королевской обсерватории Бельгии в Уккле. Центр собирает количество солнечных пятен от более чем 500 наблюдателей с 1700 года, оценивая их фотографии и рисунки поверхности солнца.
Эти данные бесценны для предсказания солнечной активности Земли, говорит Лейф Свальгаард, физик-солнечник из Стэнфордского университета в Калифорнии. Активность колеблется примерно в 11-летнем цикле, и поток заряженных частиц, которые солнечные пятна посылают в космос, влияет на спутники и электронные устройства на Земле. Подробные записи помогают исследователям понять, почему происходит этот цикл, и уточнить прогнозы особенно сильных событий. «Чем дальше уходят данные, тем лучше мы можем проверить наши теории», - говорит Свальгаард. Около 200 публикаций в год цитируют данные о солнечных пятнах, включая области исследований, выходящие за рамки физики Солнца, такие как геомагнетизм, климат или исследования атмосферы.
Однако благие намерения лежат в основе этой исследовательской работы. Каждый месяц бельгийский центр собирает количество солнечных пятен примерно у 90 наблюдателей. Две трети из них - любители, чьи маленькие оптические телескопы не намного мощнее, чем их предшественники 200 лет назад. И несмотря на то, что он является мировым центром обработки данных, признанным Международным советом по науке в Париже, объект не получает поддержки от этой организации. Клетт работает с одним человеком, работающим неполный рабочий день, чтобы поддерживать базу данных, параллельно с ночной работой астронома в Королевской обсерватории.
Но по-прежнему увлекательно «работать вместе» с коллегами со стажем работы, говорит Клетт. Например, хотя работа Галилея о солнечных пятнах была схематичной - он больше «занимался планетами и вещами», - рисунки были достаточно подробными, чтобы получить информацию о магнитной структуре групп солнечных пятен и определить силу и наклон поля солнечного диполя.
Кроме того, он чувствует приверженность предвидению своих предшественников. Они тщательно записывали то, что видели, всегда с мыслью, что однажды это может пригодиться. "Это фундаментальный столп науки, - говорит Клетт. - Вы не беспокоитесь о том, что из этого выйдет".
Наблюдение за ошеломляющим гигантом в течение 170 лет
Везувий постоянно активен, но каждые несколько тысяч лет вулкан эффектно взрывается - последний раз в 79 году нашей эры, когда он сжег город Помпеи. А 3800 лет назад он окутал всю территорию, где сейчас находится Неаполь, раскаленным газом и скалой. Osservatorio Vesuviano - старейшая в мире вулканологическая исследовательская станция - следит за своим недружелюбным соседом с 1841 года, записывая каждый сейсмический выброс вулкана для раннего предупреждения о любых надвигающихся рисках.
Первоначально он был построен в 600 метрах вверх по склону вулкана, достаточно далеко от вершины, чтобы быть в безопасности от выброшенной породы. Он также расположен достаточно высоко на хребте, чтобы потоки лавы не могли угрожать зданию. С момента постройки он сыграл ключевую роль в формировании вулканологии и геологии, говорит нынешний менеджер Марчелло Мартини.
Например, его предшественник и первый директор, Македонио Меллони, открыл магнитные свойства лавы, которые имели решающее значение для более поздних исследований палеомагнетизма - историю магнитного поля Земли можно прочитать в горных породах. Второй директор, Луиджи Пальмиери, в 1856 году изобрел электромагнитный сейсмограф: более чувствительный, чем его предшественники, даже к слабым землетрясениям, он позволял предсказывать извержения вулканов. При Пальмьери и последующих руководителях обсерватория внесла большой вклад в разработку инструментов, используемых для наблюдения за вулканами во всем мире. В начале 20-го века Джузеппе Меркалли разработал шкалу, используемую для классификации вулканической активности, которая используется до сих пор.
Но само здание уже не играет прежней роли. «На ранних стадиях было важно быть как можно ближе к месту происшествия, но теперь это не кажется необходимым», - сказал Харалдур Сигурдссон, вулканолог из Университета Род-Айленда в Кингстоне. В настоящее время мониторинг в основном осуществляется с помощью дистанционно управляемых датчиков Земли, которые передают свои данные непосредственно в Национальный институт геофизики и вулканологии (INGV) в Неаполе. Вот почему первоначальная обсерватория была превращена в музей в 1970 году.
В дополнение к науке наблюдения также служат для предупреждения и защиты населения, как в 1944 году, когда исследователи успешно предупредили о вспышке. Неаполитанская лаборатория, которая работает 24 часа в сутки, также следит за вулканом Стромболи у побережья Сицилии и спящим супервулканом Флегрейских полей к западу от Неаполя. Однако Сигурдссон подчеркивает, что будущее вулканологии не за сенсорным наблюдением за известными опасными вулканами, а за дистанционным зондированием. С его помощью из космоса можно было распознать деформации земной коры и, таким образом, неизвестные ранее зоны риска.
170 лет сбора данных
Сопровождающие долгосрочные эксперименты стремятся сохранить свою рабочую базу неповрежденной и актуальной. Это относится, например, к Эндрю Кейсу, который в 2008 году унаследовал крупномасштабное сельскохозяйственное испытание, проверяющее эффективность минеральных и органических удобрений с 1843 года.
Это было инициировано магнатом удобрений Джоном Лоусом в его загородном поместье недалеко от Ротамстеда к северу от Лондона. Исследования были разработаны для определения того, как азот, фосфаты, калий, натрий, магний или навоз влияют на урожайность различных распространенных культур, включая пшеницу, ячмень, бобовые и корнеплоды.
«Через 20-30 лет были получены довольно хорошие ответы на многие основные вопросы об относительной важности каждого питательного вещества», - говорит Макдональд, руководитель «классических экспериментов», которые сейчас проводятся в Ротамстеде. Азот вызывает больше всего, за ним следуют фосфаты. Поэтому испытания время от времени возобновляются, чтобы проверить новые идеи и не отставать от достижений современного сельского хозяйства. В 1968 году, например, длинностебельные культуры, которые выращивались с момента начала проекта, были заменены высокоурожайными короткостебельными сортами, которые теперь выращивали фермеры. Вскоре стало очевидно, что этим высокоурожайным растениям требуется больше удобрений, чем их традиционным аналогам, потому что они также высасывают больше питательных веществ из почвы. Фермерам пришлось приспосабливаться к этому.
«Ротамстед - дедушка сельскохозяйственных исследований», - подтверждает Фил Робертсон из W. Биологическая станция К. Келлогга, также давно действующая экспериментальная установка в Мичиганском государственном университете в Хикори-Корнерс. Полная серия данных бесценна, добавляет он. В Ротамстеде, например, можно не только следить за долгосрочными экологическими и биологическими тенденциями, такими как накопление углерода в почве или воздействие инвазивных видов, которые становятся очевидными только по прошествии длительного времени. Объект также обеспечивает основу для краткосрочных исследований, таких как потеря азота в почве.
Архивы Ротамстеда хранят 300 000 образцов гербария и образцов почвы, которые были собраны с самого начала. В 2003 году исследователи извлекли ДНК двух патогенов пшеницы из образцов, датируемых 1843 годом, и показали, что промышленные выбросы двуокиси серы влияли на то, какой из них доминировал в каждом случае.
Но Ротамстед также изо всех сил пытается финансировать себя; в настоящее время он процветает за счет сочетания государственных средств, спонсируемых средств и фонда, который Лоус основал незадолго до своей смерти.«Как спонсор, вы должны взять на себя обязательство продолжать поддерживать серию наблюдений, даже если есть периоды времени, когда не видно никаких интересных результатов», - подчеркивает Робертсон. Макдональд и его команда гордятся своей историей: «Иногда я вспоминаю Джона Лоуза. Я чувствую большую ответственность за то, чтобы эксперименты передавались следующему поколению в хорошем состоянии. живая часть нашей науки."
90 лет наблюдения за раскрытием духа
В 1921 году психолог Стэнфордского университета Льюис Терман начал отслеживать истории жизни более 1500 одаренных детей, родившихся между 1900 и 1925 годами. Они были идентифицированы с помощью теста интеллекта Стэнфорда-Бине, разработанного Терманом. С него началось одно из первых в мире долгосрочных исследований такого рода, а сейчас оно превратилось в одно из самых продолжительных и хорошо обоснованных наблюдений за развитием человека. Более девяти десятилетий она сопровождала жизнь, обучение, интересы, способности и личности своих участников.
В качестве одной из своих важнейших целей Терман хотел опровергнуть в своем «Генетическом исследовании разума» то, что одаренные дети более подвержены болезням, социально неадаптированы и фундаментально неуравновешенны - очень распространенное в то время мнение. Но даже по сравнению со стандартами того времени структура курса Термана была проблематичной. Он выбирал наобум и в основном проверял детей, предложенных учителями. И его тестовая группа была далеко не репрезентативной: более 90 процентов детей были белыми и принадлежали к высшим и средним классам. Терман даже позволил принять участие своему собственному отпрыску. Исследователь также в одностороннем порядке повлиял на результаты своего исследования, написав рекомендательные письма некоторым из своих «термитов», как вскоре стали называть участников, проложив им путь в Стэнфорд.
Но Терман также доказал своими наблюдениями, пока испытуемые не достигли совершеннолетия, что они так же здоровы и уравновешены, как и среднее население, и что они, как правило, вырастают успешными и счастливыми взрослыми. Со временем участвующие исследователи скорректировали исследование, чтобы исправить по крайней мере некоторые из первоначальных предубеждений.
В 1980-х годах психолог Джордж Вайллант из Гарвардской медицинской школы в Бостоне начал использовать данные Термана для расширения своего собственного долгосрочного исследования развития взрослых. И начал собирать свидетельства о смерти «термитов». Используя эти данные, психолог Говард Фридман из Калифорнийского университета в Риверсайде определил один из наиболее важных выводов исследования Термана: добросовестность, выражающаяся в благоразумии, настойчивости и способности планировать заранее, в детстве и во взрослом возрасте является одним из наиболее важных психологические факторы, с помощью которых можно прогнозировать ожидаемую продолжительность жизни. Любой, у кого здесь хорошие ценности, может рассчитывать на то, что проживет в среднем на шесть-семь лет дольше. «Мы бы не нашли это так легко без такого длительного исследования на протяжении всей жизни», - говорит Фридман.
85 лет в ожидании капли
На второй день своего пребывания в Университете Квинсленда в Брисбене в 1961 году физик Джон Мейнстоун наткнулся на причудливый маленький проект, который спокойно пролежал на полке 34 года. 50 лет спустя он все еще наблюдает и все еще ждет самого драматичного события.
Эксперимент с падением высоты тона начался, когда Томас Парнелл, первый профессор физики в университете, захотел показать своим студентам, как может вести себя различная высота звука. С одной стороны, когда он остывает, он настолько хрупок, что его можно разбить на множество кусков молотком. Но в то же время он ведет себя как жидкость, которая может течь через воронку и стекать по ее концу - как самые медленные песочные часы в мире. На самом деле смола капает в стакан, поставленный под ним: по одной капле каждые шесть-двенадцать лет. Mainstone осторожно оценивает, что девятая капля может упасть где-то ближе к концу года.
Эксперимент не обязательно полон открытий: за 86 лет его проведения была ровно одна техническая публикация, в которой подсчитано, что вещество в 230 миллиардов раз более вязкое, чем вода. А в 2005 году она получила сомнительную честь Шнобелевской премии.
Тем не менее, из этого можно извлечь некоторую науку. До сих пор никому не удавалось наблюдать, как отрывается капля - веб-камера, которая должна была следить за экспериментом, вышла из строя в ноябре 2000 года как раз в тот момент, когда оторвался последний на сегодняшний день комок смолы. Поэтому никто точно не знает, что происходит в эти моменты. Кроме того, вероятно, потребуется еще несколько десятков лет, чтобы определить влияние погодных условий, установки кондиционеров в институте или толчков, вызванных ремонтными работами, на скорость капельного полива.
«Ценность эксперимента в любом случае заключается не в его научном содержании», - отмечает Мейнстоун. Что более важно, так это его культурное и историческое влияние. Он вдохновил скульпторов, поэтов и писателей на размышления о течении времени и темпе современной жизни. Он также передает ощущение постоянства. «Он был непоколебим в своем пути, в то время как мир сотрясали всевозможные потрясения», - сказал Мейнстоун. И, учитывая, что в бункере еще много неудач, суд потенциально может игнорировать все беспорядки еще 150 лет. К счастью, 78-летний Мейнстоун уже уговорил младшего коллегу проверить, прошел ли он сам после эксперимента путь всего земного.
Статья (слегка сокращенная) появилась под заголовком «Медленная наука» в Nature 302, стр. 300-303, 2013.