相對於兩個原子形成分子所需的皮秒來說，一生非常漫長，但與許多自然現象相比，從山脈的隆起到星系的碰撞，一生不過是眨眼一瞬。為了解答需要超過一生才能解決的問題，科學家們將他們的努力代代相傳。例如，在醫學科學中，縱向研究通常會在最初的研究人員去世後繼續跟蹤受試者；一些仍在進行的研究甚至可以追溯到 20 世紀 20 年代。歷史上最廣泛的連續資料收集記錄可能屬於古代巴比倫人的天文日記，其中包含公元前一千年的至少六個世紀的觀測記錄；這些記錄揭示了日食和月食等事件中反覆出現的模式。
然而，在大多數科學研究領域，一些最有趣和最基本的問題仍然懸而未決，因為科學家們根本沒有足夠的時間去追求它們。但是，如果時間不是問題呢？最近，我與各個領域的頂尖研究人員進行了交談，詢問如果他們有 1000 年、10000 年甚至 100 萬年的時間來進行觀察或實驗，他們會著手解決哪些問題。（為了將重點放在科學上而不是未來學上，我要求他們假設他們只能使用當今最先進的技術。）以下是他們引人入勝的回答的簡要版本。
10,000 年：生命是如何起源的？
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Robert Hazen，喬治·梅森大學地球科學家
20 世紀 50 年代初，芝加哥大學的斯坦利·米勒和哈羅德·尤里著名地證明，在合適的條件下，生命的一些基本組成部分，如氨基酸，可以自發形成。似乎解決生命起源之謎可能只是將合適的化學物質結合起來並等待足夠長的時間的問題。但事實證明並沒有那麼簡單，但在 10,000 年左右的時間裡，現代版的尤里-米勒實驗可能會產生一些簡陋的、能夠透過自然選擇進化的自我複製分子——簡而言之，就是生命。
模擬生命起源的實驗必須在地球化學上合理的條件下進行，並且從頭開始。原始湯可能包含數百萬種不同種類的小分子，它們可以以天文數字般的方式組合和反應。然而，在海洋中，它們將被稀釋到任何兩個分子彼此相遇的機會都非常低，更不用說發生化學反應了。最合理的解釋是，自我複製分子首先在岩石表面組裝。原始地球潮溼的表面可能構成了一個巨大的天然實驗室，可能同時執行著 10
30 個小型實驗，持續時間可能為 1 億至 5 億年。
一個為期 10,000 年的實驗室努力可以嘗試透過同時執行大量微型實驗來重現這種情況。從外部來看，這些分子溫室看起來像裝滿計算機伺服器機架的房間，但內部將有化學“晶片實驗室”，其中包含數百個微觀孔，每個孔都包含在各種礦物表面上反應的不同化合物組合。晶片將不斷自主地監測反應，以檢查分子是否進入失控的自我複製狀態的跡象。
實驗人員可以透過專注於最有可能產生有趣結果的化學物質組合，將所需時間從數百萬年縮短到數千年。幸運的是，最終我們將對自然的工作方式有足夠的瞭解，從而將這段時間縮短到幾十年。
10,000 年：自然的常數是真正不變的嗎？
Gerald Gabrielse，哈佛大學物理學家
物理學的基本定律似乎是普遍的和永恆的：就我們所知，所有質子都具有相同的靜電荷量，光總是以相同的速度傳播，等等。然而，某些提出的現實模型允許變化，一些天文研究有爭議地聲稱已經看到了微小的變化。與此同時，所有實驗室資料都保持穩定。例如，我的實驗室測量了電子磁性的強度——據我所知，這是對基本粒子任何屬性的最精確測量。如果重複數千年，這樣的實驗可能會看到變化。
為了測量電子的磁性，或者更準確地說，它的“磁矩”——條形磁鐵強度的亞原子模擬——我們將單個電子限制在一個具有靜電場的平面中，並使用磁場迫使電子以圓形運動。我們將我們的裝置保持在絕對零度以上不到十分之一度的溫度，以便電子的運動處於其可能的最低能量狀態。然後，我們用射頻波迫使電子的磁鐵翻轉。粒子的響應，特別是我們可以使其翻轉的速率，取決於其磁矩，然後我們可以將其確定為 10 的三部分
13.
如果在整個宇宙歷史中，磁矩變化了千分之一，並且這種變化一直以恆定的速度進行，那麼我們的實驗應該已經檢測到它了。當然，科學永遠無法證明某些東西是完全恆定的，只能證明其變化率極小。此外，現在的變化率可能比早期宇宙中的變化率慢得多，因此很難在實驗室中發現。但是，如果我們重複我們的實驗超過 10,000 年並且沒有看到任何變化，那麼這種穩定性將對任何關於常數變化的理論預測施加嚴格的限制。（這也將使人們懷疑，對來自遙遠類星體的光的實驗觀察是否檢測到自宇宙早期以來電磁相互作用強度的輕微變化。）
當然，我們和其他實驗室的技術肯定會改進。我懷疑，越來越巧妙的方法將使我們能夠在遠少於 10,000 年的時間內取得更大的進展。
10,000 年：超級地震有多常見？
Thorne Lay，加州大學聖克魯茲分校地震學家
2011 年 3 月襲擊日本東北部的 9.0 級東日本大地震和海嘯令地震學界感到驚訝：幾乎沒有人認為負責的斷層會在一次事件中釋放如此多的能量。我們可以透過檢查當地地質情況來間接重建地震活動的歷史，但這永遠不能完全替代直接探測。現代地震儀出現的時間僅略多於一個世紀，時間太短，無法清楚地瞭解每隔幾個世紀或更長時間可能襲擊某個地區的最大地震。然而，如果我們能讓這些儀器執行數千年，我們就可以更準確地繪製地震風險圖——包括明確指出哪些地區能夠發生 9.0 級地震，即使它們在有記錄的歷史中沒有發生過 8.0 級以上的地震。
千年記錄還可以解答另一個謎題：超級地震——我指的是 8.5 級或以上的地震——是否在全球範圍內成群出現？過去 100 年左右的記錄表明，它們可能是成群出現的：例如，過去十年中發生了六次超級地震，而在之前的三十年中一次也沒有。更長時間的測量將告訴我們，這種叢集是否涉及物理相互作用，或者僅僅是統計上的偶然事件。
它們能變得多聰明？
“如果我讓黑猩猩或其他一些非人類靈長類動物進化出更強的認知能力，它們會進化到什麼程度？” [換行]
Bruce Lahn，芝加哥大學遺傳學家
我們會進化出抵抗重大疾病的能力嗎？
“人類的飲食不斷變化，導致新的災難，如糖尿病流行。在數萬年的時間裡，我們的身體會適應嗎？”
Sarah Tishkoff，賓夕法尼亞大學人類遺傳學家
10,000 年：大質量恆星是如何爆炸的？
Cole Miller，馬里蘭大學天文學家
超新星是罕見的，在像我們這樣的大型螺旋星系中，可能每幾十年發生一次。上次在這裡看到超新星是在公元 1604 年：約翰內斯·開普勒將其描述為夜空中除金星外的一切都黯然失色。最近記錄的所有超新星都發生在數百萬甚至數十億光年之外的其他星系中。當我們最終近距離看到超新星時，我們將不僅能夠用普通望遠鏡研究它，還可以用兩種新型天文臺——一種探測中微子，另一種探測引力波——這將告訴我們爆炸恆星內部實際發生了什麼。如果你能等待 10,000 年，你幾乎可以保證獲得 100 或 200 個這樣的事件——足以區分它們細微的變化。
恆星的爆炸可能隨時在我們星系中發生。當爆炸開始時，世界各地少數幾個引力波天文臺的計算機螢幕將開始閃爍，發出空間結構中漣漪透過的訊號。這些所謂的引力波是愛因斯坦廣義相對論的關鍵預測，但迄今為止尚未被直接探測到。這些波將發出訊號，表明恆星的核心已開始在其自身引力的作用下坍縮。壓縮的物質變成中子並釋放中微子——中微子是可以穿過物質的粒子，因此可以穿過恆星的外層並進入太空（併到達地球上的天文臺）。坍縮釋放的能量，主要由中微子攜帶，可能會吹掉恆星的外層，使其非常明亮。然而，在某些情況下，衝擊波可能會失效，產生引力波但沒有光。我們不確定，因為到目前為止，我們只看到了最後的可見階段（除了 1987 年超新星發出的一些中微子）。有數千年的時間進行觀察將產生巨大的不同。新工具還可以讓我們解決另一個懸而未決的問題——即，垂死的恆星在什麼條件下會留下黑洞或中子星。
100,000 年：材料是如何衰變的？
Kristin Persson，勞倫斯伯克利國家實驗室理論物理學家和材料科學家
我們一直在建造東西，但我們怎麼知道它們能持續多久？如果我們要為核廢料建造儲存設施，我們需要確保容器能夠持續到裡面的物質不再危險為止。如果我們不想用垃圾填滿地球，那麼瞭解塑膠和其他材料需要多長時間才能降解將很有幫助。
唯一確定的方法是將這些材料進行大約 100,000 年的壓力測試，看看它們的表現如何。然後我們可以學習建造真正持久的東西——或者以“綠色”方式降解的東西。
例如，我們可以測試通常用於包裹核廢料的銅基合金和玻璃等材料。（儲存庫應該位於精心選擇的地下深處。但地質條件可能會在幾千年內以不可預測的方式發生變化。）此類實驗會將材料暴露於加速的磨損和化學腐蝕——例如，pH 值的變化。它們會調高和調低溫度，以模擬白天和黑夜以及季節的迴圈。
即使在多年的尺度上看起來能夠承受最惡劣條件的材料，實際上也可能以微妙的方式降解：我們的表徵方法還不夠好，無法看到您是否在這裡或那裡丟失了一些原子。然而，經過數千年，損壞可能會開始顯現，讓我們知道哪種材料最好。
長期測試對於其他技術應用也非常有幫助。例如，當前的實驗室和模擬技術無法自信地預測新電動汽車的電池在未來 15 年內的效能。最終，計算機模擬可能會變得足夠複雜，以替代長期實驗。然而，與此同時，在建造需要持久耐用的東西時，我們需要格外小心。
我們最終會發動無休止的區域性戰爭嗎？
“如果幾個世紀後我們耗盡了廉價的化石燃料，並且找不到替代品，我們的社會將從全球化迴歸本土化。我們會倒退到部落主義和無休止的小規模戰爭嗎？”
Laurence Smith，加州大學洛杉磯分校地理學家
100,000 年：是什麼造就了一個新物種？
Jerry Coyne，芝加哥大學進化生物學家
自然界中大多數新物種的出現都是當一個種群在地理上與其他種群隔離時發生的。然後，它適應當地環境，並遲早獲得阻止其與原始物種成功交配的特徵，或者使後代不育的特徵，或兩者兼而有之。進化生物學中一個巨大的開放性問題是，這兩種型別的生殖隔離中，哪一種傾向於首先出現——是那些使雜交困難的隔離，還是那些導致後代無法存活的隔離？
物種形成發生在地質時間尺度上。因此，儘管我們可以在化石記錄或 DNA 中看到它的證據，但我們必須等待一百萬年或更長時間才能看到它完成。（已經記錄了更快的物種形成途徑，這些途徑不需要地理隔離，但它們是例外而不是規範。）但是，如果我們有，比如說，100,000 年，我們應該能夠在實驗室中重現它。
訣竅是使用一種快速產生新一代的生物，例如果蠅（Drosophila）。研究人員將在實驗室中分離出兩個或多個種群，並將它們暴露於不同的飲食和其他條件。然後，您需要定期測試每個種群的基因突變以及其解剖結構、生理學和行為的變化，並偶爾讓不同種群的成員相遇，看看會發生什麼。
在特殊情況下，我和我的合作者已經能夠透過觀察處於不同進化分化階段的許多密切相關的物種來間接瞭解生殖隔離。對於地理上隔離的果蠅物種，我們發現兩種型別的隔離——交配問題和不育後代——以大致相同的速度進化。但是對於共同生活在同一地區的物種，雜交障礙似乎進化得更快。然而，尚不清楚這些結果是否適用於所有生物類群。
為了更快地獲得一個新物種——可能只需 100 年——您可以加大選擇壓力，使其遠強於自然界中的正常水平。在 20 世紀 80 年代的一項里程碑式實驗中，研究人員在短短 25 代的時間裡，培育出適應不同環境的果蠅種群——以及更喜歡與具有相同棲息地偏好的個體交配的果蠅種群。然而，該實驗的條件是人為的，並且產生的兩個種群是否可以被視為不同的物種是值得懷疑的。一個非常長的實驗可能會更具決定性。
100 萬年：宇宙是偏側的嗎？
Glenn Starkman，凱斯西儲大學物理學家
大爆炸的熱量留下了輻射，這種輻射從那時起就瀰漫在宇宙中。太空探測器繪製了整個天空的宇宙微波背景輻射 (CMB) 圖，發現除了微小的隨機波動外，它非常均勻，正如大爆炸理論所預測的那樣。這種平滑性意味著早期宇宙本身是均勻的。然而，一些分析，包括我和我的合作者的分析，看到了天空兩側之間過度的對稱性和其他異常現象，包括缺乏最大的波動，即那些應該跨越天空中 60 度以上的波動。
為了弄清楚這些是真實特徵還是統計上的偶然事件，我們只需要繼續觀察。我們今天看到的 CMB 圖片是我們身處太空和時間的偶然事件。 CMB 從四面八方傳播到我們這裡已經有 137 億年了。因此，測量它意味著繪製一個包圍我們的球形表面，其半徑為 137 億光年——光在這段時間內傳播的距離。如果我們等待足夠長的時間，這個球體將會變得越來越大，從而穿過早期宇宙的新區域。這些異常現象非常大， CMB 球體可能需要十億年才能越過它們——當球體的半徑達到 147 億光年時。如果我們能“僅僅”等待一百萬年，大多數異常現象應該仍然存在，但略有變化。到那時，我們將能夠看到它們是否正在消失——表明它們是偶然事件——或者它們的持續存在是否揭示了更大宇宙結構的存在。
我們的頭會變大嗎？
“人類產道的狹窄是我們頭部大小的主要瓶頸。我們使用剖腹產，持續數十萬年，會導致我們進化出更大的大腦嗎？”
Katerina Harvati，德國蒂賓根大學古人類學家
晚年生育會如何改變我們的生物學？
“人們在年齡較大時生育孩子，此時精子中的突變率更高，育兒方式也不同。經過數萬年，這些文化變化會影響我們的生物學嗎？”
Marcus Feldman，斯坦福大學數學生物學家
100 萬年：質子是永恆的嗎？
Sean M. Carroll，加州理工學院理論物理學家
宇宙的普通物質主要由質子組成——質子是自大爆炸以來就存在的粒子。雖然其他亞原子粒子，包括中子，會自發衰變，但質子似乎異常穩定。然而，一些大統一理論 (GUT)——試圖將所有粒子物理學重新解釋為單一力的不同方面——預測質子也應該分解，平均壽命長達 10
43 年，具體取決於理論。但是，如果我們等待足夠長的時間，我們最終會看到它發生嗎？
為了觀察質子衰變，您所要做的就是用大量的水填充一個大型地下水箱，並監測它，看看當水原子中的質子最終死亡時是否會發出微小的閃光。您監測的質子越多，您看到質子衰變的機會就越高。使用現有探測器進行的研究表明，質子的壽命至少為 10
34 年，這些值已經排除了許多 GUT。為了獲得最終結論，這些探測器可能需要執行 1 億年。但是，如果我們建造的探測器大 100 倍——使它們大約有專業足球場那麼大，體積足夠容納五百萬噸水——那麼只需一百萬年就足夠了。統一粒子物理學可能值得等待。