相对于两个原子形成分子所需的皮秒来说，一生非常漫长，但与许多自然现象相比，从山脉的隆起到星系的碰撞，一生不过是眨眼一瞬。为了解答需要超过一生才能解决的问题，科学家们将他们的努力代代相传。例如，在医学科学中，纵向研究通常会在最初的研究人员去世后继续跟踪受试者；一些仍在进行的研究甚至可以追溯到 20 世纪 20 年代。历史上最广泛的连续数据收集记录可能属于古代巴比伦人的天文日记，其中包含公元前一千年的至少六个世纪的观测记录；这些记录揭示了日食和月食等事件中反复出现的模式。
然而，在大多数科学研究领域，一些最有趣和最基本的问题仍然悬而未决，因为科学家们根本没有足够的时间去追求它们。但是，如果时间不是问题呢？最近，我与各个领域的顶尖研究人员进行了交谈，询问如果他们有 1000 年、10000 年甚至 100 万年的时间来进行观察或实验，他们会着手解决哪些问题。（为了将重点放在科学上而不是未来学上，我要求他们假设他们只能使用当今最先进的技术。）以下是他们引人入胜的回答的简要版本。
10,000 年：生命是如何起源的？
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保有关发现和塑造当今世界的想法的 impactful 故事的未来。
Robert Hazen，乔治·梅森大学地球科学家
20 世纪 50 年代初，芝加哥大学的斯坦利·米勒和哈罗德·尤里著名地证明，在合适的条件下，生命的一些基本组成部分，如氨基酸，可以自发形成。似乎解决生命起源之谜可能只是将合适的化学物质结合起来并等待足够长的时间的问题。但事实证明并没有那么简单，但在 10,000 年左右的时间里，现代版的尤里-米勒实验可能会产生一些简陋的、能够通过自然选择进化的自我复制分子——简而言之，就是生命。
模拟生命起源的实验必须在地球化学上合理的条件下进行，并且从头开始。原始汤可能包含数百万种不同种类的小分子，它们可以以天文数字般的方式组合和反应。然而，在海洋中，它们将被稀释到任何两个分子彼此相遇的机会都非常低，更不用说发生化学反应了。最合理的解释是，自我复制分子首先在岩石表面组装。原始地球潮湿的表面可能构成了一个巨大的天然实验室，可能同时运行着 10
30 个小型实验，持续时间可能为 1 亿至 5 亿年。
一个为期 10,000 年的实验室努力可以尝试通过同时运行大量微型实验来重现这种情况。从外部来看，这些分子温室看起来像装满计算机服务器机架的房间，但内部将有化学“芯片实验室”，其中包含数百个微观孔，每个孔都包含在各种矿物表面上反应的不同化合物组合。芯片将不断自主地监测反应，以检查分子是否进入失控的自我复制状态的迹象。
实验人员可以通过专注于最有可能产生有趣结果的化学物质组合，将所需时间从数百万年缩短到数千年。幸运的是，最终我们将对自然的工作方式有足够的了解，从而将这段时间缩短到几十年。
10,000 年：自然的常数是真正不变的吗？
Gerald Gabrielse，哈佛大学物理学家
物理学的基本定律似乎是普遍的和永恒的：就我们所知，所有质子都具有相同的静电荷量，光总是以相同的速度传播，等等。然而，某些提出的现实模型允许变化，一些天文研究有争议地声称已经看到了微小的变化。与此同时，所有实验室数据都保持稳定。例如，我的实验室测量了电子磁性的强度——据我所知，这是对基本粒子任何属性的最精确测量。如果重复数千年，这样的实验可能会看到变化。
为了测量电子的磁性，或者更准确地说，它的“磁矩”——条形磁铁强度的亚原子模拟——我们将单个电子限制在一个具有静电场的平面中，并使用磁场迫使电子以圆形运动。我们将我们的设备保持在绝对零度以上不到十分之一度的温度，以便电子的运动处于其可能的最低能量状态。然后，我们用射频波迫使电子的磁铁翻转。粒子的响应，特别是我们可以使其翻转的速率，取决于其磁矩，然后我们可以将其确定为 10 的三部分
13.
如果在整个宇宙历史中，磁矩变化了千分之一，并且这种变化一直以恒定的速度进行，那么我们的实验应该已经检测到它了。当然，科学永远无法证明某些东西是完全恒定的，只能证明其变化率极小。此外，现在的变化率可能比早期宇宙中的变化率慢得多，因此很难在实验室中发现。但是，如果我们重复我们的实验超过 10,000 年并且没有看到任何变化，那么这种稳定性将对任何关于常数变化的理论预测施加严格的限制。（这也将使人们怀疑，对来自遥远类星体的光的实验观察是否检测到自宇宙早期以来电磁相互作用强度的轻微变化。）
当然，我们和其他实验室的技术肯定会改进。我怀疑，越来越巧妙的方法将使我们能够在远少于 10,000 年的时间内取得更大的进展。
10,000 年：超级地震有多常见？
Thorne Lay，加州大学圣克鲁兹分校地震学家
2011 年 3 月袭击日本东北部的 9.0 级东日本大地震和海啸令地震学界感到惊讶：几乎没有人认为负责的断层会在一次事件中释放如此多的能量。我们可以通过检查当地地质情况来间接重建地震活动的历史，但这永远不能完全替代直接探测。现代地震仪出现的时间仅略多于一个世纪，时间太短，无法清楚地了解每隔几个世纪或更长时间可能袭击某个地区的最大地震。然而，如果我们能让这些仪器运行数千年，我们就可以更准确地绘制地震风险图——包括明确指出哪些地区能够发生 9.0 级地震，即使它们在有记录的历史中没有发生过 8.0 级以上的地震。
千年记录还可以解答另一个谜题：超级地震——我指的是 8.5 级或以上的地震——是否在全球范围内成群出现？过去 100 年左右的记录表明，它们可能是成群出现的：例如，过去十年中发生了六次超级地震，而在之前的三十年中一次也没有。更长时间的测量将告诉我们，这种集群是否涉及物理相互作用，或者仅仅是统计上的偶然事件。
它们能变得多聪明？
“如果我让黑猩猩或其他一些非人类灵长类动物进化出更强的认知能力，它们会进化到什么程度？” [换行]
Bruce Lahn，芝加哥大学遗传学家
我们会进化出抵抗重大疾病的能力吗？
“人类的饮食不断变化，导致新的灾难，如糖尿病流行。在数万年的时间里，我们的身体会适应吗？”
Sarah Tishkoff，宾夕法尼亚大学人类遗传学家
10,000 年：大质量恒星是如何爆炸的？
Cole Miller，马里兰大学天文学家
超新星是罕见的，在像我们这样的大型螺旋星系中，可能每几十年发生一次。上次在这里看到超新星是在公元 1604 年：约翰内斯·开普勒将其描述为夜空中除金星外的一切都黯然失色。最近记录的所有超新星都发生在数百万甚至数十亿光年之外的其他星系中。当我们最终近距离看到超新星时，我们将不仅能够用普通望远镜研究它，还可以用两种新型天文台——一种探测中微子，另一种探测引力波——这将告诉我们爆炸恒星内部实际发生了什么。如果你能等待 10,000 年，你几乎可以保证获得 100 或 200 个这样的事件——足以区分它们细微的变化。
恒星的爆炸可能随时在我们星系中发生。当爆炸开始时，世界各地少数几个引力波天文台的计算机屏幕将开始闪烁，发出空间结构中涟漪通过的信号。这些所谓的引力波是爱因斯坦广义相对论的关键预测，但迄今为止尚未被直接探测到。这些波将发出信号，表明恒星的核心已开始在其自身引力的作用下坍缩。压缩的物质变成中子并释放中微子——中微子是可以穿过物质的粒子，因此可以穿过恒星的外层并进入太空（并到达地球上的天文台）。坍缩释放的能量，主要由中微子携带，可能会吹掉恒星的外层，使其非常明亮。然而，在某些情况下，冲击波可能会失效，产生引力波但没有光。我们不确定，因为到目前为止，我们只看到了最后的可见阶段（除了 1987 年超新星发出的一些中微子）。有数千年的时间进行观察将产生巨大的不同。新工具还可以让我们解决另一个悬而未决的问题——即，垂死的恒星在什么条件下会留下黑洞或中子星。
100,000 年：材料是如何衰变的？
Kristin Persson，劳伦斯伯克利国家实验室理论物理学家和材料科学家
我们一直在建造东西，但我们怎么知道它们能持续多久？如果我们要为核废料建造储存设施，我们需要确保容器能够持续到里面的物质不再危险为止。如果我们不想用垃圾填满地球，那么了解塑料和其他材料需要多长时间才能降解将很有帮助。
唯一确定的方法是将这些材料进行大约 100,000 年的压力测试，看看它们的表现如何。然后我们可以学习建造真正持久的东西——或者以“绿色”方式降解的东西。
例如，我们可以测试通常用于包裹核废料的铜基合金和玻璃等材料。（储存库应该位于精心选择的地下深处。但地质条件可能会在几千年内以不可预测的方式发生变化。）此类实验会将材料暴露于加速的磨损和化学腐蚀——例如，pH 值的变化。它们会调高和调低温度，以模拟白天和黑夜以及季节的循环。
即使在多年的尺度上看起来能够承受最恶劣条件的材料，实际上也可能以微妙的方式降解：我们的表征方法还不够好，无法看到您是否在这里或那里丢失了一些原子。然而，经过数千年，损坏可能会开始显现，让我们知道哪种材料最好。
长期测试对于其他技术应用也非常有帮助。例如，当前的实验室和模拟技术无法自信地预测新电动汽车的电池在未来 15 年内的性能。最终，计算机模拟可能会变得足够复杂，以替代长期实验。然而，与此同时，在建造需要持久耐用的东西时，我们需要格外小心。
我们最终会发动无休止的局部战争吗？
“如果几个世纪后我们耗尽了廉价的化石燃料，并且找不到替代品，我们的社会将从全球化回归本土化。我们会倒退到部落主义和无休止的小规模战争吗？”
Laurence Smith，加州大学洛杉矶分校地理学家
100,000 年：是什么造就了一个新物种？
Jerry Coyne，芝加哥大学进化生物学家
自然界中大多数新物种的出现都是当一个种群在地理上与其他种群隔离时发生的。然后，它适应当地环境，并迟早获得阻止其与原始物种成功交配的特征，或者使后代不育的特征，或两者兼而有之。进化生物学中一个巨大的开放性问题是，这两种类型的生殖隔离中，哪一种倾向于首先出现——是那些使杂交困难的隔离，还是那些导致后代无法存活的隔离？
物种形成发生在地质时间尺度上。因此，尽管我们可以在化石记录或 DNA 中看到它的证据，但我们必须等待一百万年或更长时间才能看到它完成。（已经记录了更快的物种形成途径，这些途径不需要地理隔离，但它们是例外而不是规范。）但是，如果我们有，比如说，100,000 年，我们应该能够在实验室中重现它。
诀窍是使用一种快速产生新一代的生物，例如果蝇（Drosophila）。研究人员将在实验室中分离出两个或多个种群，并将它们暴露于不同的饮食和其他条件。然后，您需要定期测试每个种群的基因突变以及其解剖结构、生理学和行为的变化，并偶尔让不同种群的成员相遇，看看会发生什么。
在特殊情况下，我和我的合作者已经能够通过观察处于不同进化分化阶段的许多密切相关的物种来间接了解生殖隔离。对于地理上隔离的果蝇物种，我们发现两种类型的隔离——交配问题和不育后代——以大致相同的速度进化。但是对于共同生活在同一地区的物种，杂交障碍似乎进化得更快。然而，尚不清楚这些结果是否适用于所有生物类群。
为了更快地获得一个新物种——可能只需 100 年——您可以加大选择压力，使其远强于自然界中的正常水平。在 20 世纪 80 年代的一项里程碑式实验中，研究人员在短短 25 代的时间里，培育出适应不同环境的果蝇种群——以及更喜欢与具有相同栖息地偏好的个体交配的果蝇种群。然而，该实验的条件是人为的，并且产生的两个种群是否可以被视为不同的物种是值得怀疑的。一个非常长的实验可能会更具决定性。
100 万年：宇宙是偏侧的吗？
Glenn Starkman，凯斯西储大学物理学家
大爆炸的热量留下了辐射，这种辐射从那时起就弥漫在宇宙中。太空探测器绘制了整个天空的宇宙微波背景辐射 (CMB) 图，发现除了微小的随机波动外，它非常均匀，正如大爆炸理论所预测的那样。这种平滑性意味着早期宇宙本身是均匀的。然而，一些分析，包括我和我的合作者的分析，看到了天空两侧之间过度的对称性和其他异常现象，包括缺乏最大的波动，即那些应该跨越天空中 60 度以上的波动。
为了弄清楚这些是真实特征还是统计上的偶然事件，我们只需要继续观察。我们今天看到的 CMB 图片是我们身处太空和时间的偶然事件。 CMB 从四面八方传播到我们这里已经有 137 亿年了。因此，测量它意味着绘制一个包围我们的球形表面，其半径为 137 亿光年——光在这段时间内传播的距离。如果我们等待足够长的时间，这个球体将会变得越来越大，从而穿过早期宇宙的新区域。这些异常现象非常大， CMB 球体可能需要十亿年才能越过它们——当球体的半径达到 147 亿光年时。如果我们能“仅仅”等待一百万年，大多数异常现象应该仍然存在，但略有变化。到那时，我们将能够看到它们是否正在消失——表明它们是偶然事件——或者它们的持续存在是否揭示了更大宇宙结构的存在。
我们的头会变大吗？
“人类产道的狭窄是我们头部大小的主要瓶颈。我们使用剖腹产，持续数十万年，会导致我们进化出更大的大脑吗？”
Katerina Harvati，德国蒂宾根大学古人类学家
晚年生育会如何改变我们的生物学？
“人们在年龄较大时生育孩子，此时精子中的突变率更高，育儿方式也不同。经过数万年，这些文化变化会影响我们的生物学吗？”
Marcus Feldman，斯坦福大学数学生物学家
100 万年：质子是永恒的吗？
Sean M. Carroll，加州理工学院理论物理学家
宇宙的普通物质主要由质子组成——质子是自大爆炸以来就存在的粒子。虽然其他亚原子粒子，包括中子，会自发衰变，但质子似乎异常稳定。然而，一些大统一理论 (GUT)——试图将所有粒子物理学重新解释为单一力的不同方面——预测质子也应该分解，平均寿命长达 10
43 年，具体取决于理论。但是，如果我们等待足够长的时间，我们最终会看到它发生吗？
为了观察质子衰变，您所要做的就是用大量的水填充一个大型地下水箱，并监测它，看看当水原子中的质子最终死亡时是否会发出微小的闪光。您监测的质子越多，您看到质子衰变的机会就越高。使用现有探测器进行的研究表明，质子的寿命至少为 10
34 年，这些值已经排除了许多 GUT。为了获得最终结论，这些探测器可能需要运行 1 亿年。但是，如果我们建造的探测器大 100 倍——使它们大约有专业足球场那么大，体积足够容纳五百万吨水——那么只需一百万年就足够了。统一粒子物理学可能值得等待。