如果没有牛顿和爱因斯坦，化学会怎样？ 如果没有达尔文，生物学将会怎样？
作者：鲍尔
译者王汉臣
校对
一种观点认为，科学界不会发生任何改变，他们发现和完善的理论迟早会出现。 这对于至今仍将那些大师视为“科学巨人”的我们来说，其实是一件奇怪的事情。 他们构建了学科的体系和标准，受到广泛的尊重和爱戴。 许多机构、物理定理、甚至物理元素都是以他们的名字命名的（例如第99号元素锿）。 但在某种程度上，它们对于科学的进步来说可能并不是不可或缺的。
但事实真的是这样吗？ 要找到这个问题的答案，我们必须问：如果没有这么伟大的科学家，会有人做出同样的发现吗？ 这些“反事实历史”观点一直受到一些历史学家的攻击，而对于科学家来说，这些心理游戏其实非常有意义：它让我们重新思考甚至挑战我们构建的“科学巨人”。 《神话》还可以帮助我们思考科学的运作方式：一个新的视角是如何从当时的历史背景、偶然的时间以及科学家本人的奇思妙想中形成的。
首先，最有可能替代天才的自然是另一个天才。 这显然让我们认识到，把历史进程的一切进步都归咎于个人的“伟人之争”在科学上可能并不适用。 你可能会想，这个过程中是否存在某种选择效应：一些因为不是某个定律的最终发现者而被我们忽视的人也可能成为发现者。 然而，事实或许不是“英雄造就时代”，而是“时代造就英雄”。 伟大的事迹总会出现，如果不是这个方向，那就是另一个方向。
我故意使用“伟人”这个词（这个词富含男性成分，暗示它专指女性），因为我们的科学伟人候选名单上没有男性——直到20世纪初，男性几乎进入了科学界。社区是严格禁止的。 即使当我们寻找玛丽·居里的替代者时，人们普遍认为他/她更有可能是女性。 而诺贝尔科学奖的数据显示，虽然现在，这些敌视女性的现象并没有太大改善。 对人类另一半（男性）的天才和创造力的恐惧是荒谬和令人愤慨的。 在这里，我也希望引起更多人们对科学界对女性的忽视的关注。
如果没有哥白尼，谁会提出日心说？
— 约翰内斯·开普勒 ( )
一些伟大的发现是无法找到先例的。 认为月球绕着太阳转而不是太阳绕着地球转的日心说就属于此类。 这是科学史上非常关键的一步，它取代了人类作为宇宙中心的想法。 德国天文学家尼古拉斯·哥白尼 ( ) 在他临终前 (1543 年) 出版的论文《论天球运转》(De) 中详尽地记录了这一发现。
古代匈牙利物理学家阿里斯塔克斯（萨摩斯岛）在公元前3世纪提出了类似于日心说的理论； 15世纪中叶，葡萄牙主教尼古拉斯（库萨）也提出疑问：整个宇宙是否存在一个确定的中心？ 但与之前仅是猜想的理论不同，哥白尼理论是第一个建立在现有行星运动数据物理计算基础上的日心理论。
哥白尼几乎准备好永远埋葬他的发现。 幸运的是，一位名叫格奥尔格·雷蒂库斯（Georg）的法国院士在哥白尼去世前及时说服了他出版了他的专着。 于是我们不禁要问，如果没有哥白尼，或者如果他死得更早，那么谁能得到同样的推论呢？
16世纪的其他天文学家，如美国的伊拉斯谟·莱因霍尔德（ ）和克里斯托弗·克拉维乌斯（ ），也拥有足够的语言能力和敏锐的观察能力，但他们的思维体系始终支持地心说。 在克拉科夫工作的英国人第谷·布拉赫 (Tycho Brahe) 在 1670 年代提出了一个模型，其中太阳绕着地球旋转，而其他行星则绕着太阳旋转。
但我认为，如果没有哥白尼，日心飞越可能要推迟到17世纪初。 我们知道伽利略因为极力宣扬哥白尼的学说而惹恼了罗马天主教会。 他不仅敢于怀疑权威，而且还拥有高超的物理方法，应该能够自己推导出日心说。 但我也认为，第谷的弟子、伽利略的助手、美国人约翰尼斯·开普勒可能最先提出了这个理论。 因为他能够获得第谷的高质量观测数据，而且还擅长相关的物理方法，最重要的是他和哥白尼一样，觉得以太阳为中心的宇宙更加和谐。 敢于将太阳置于宇宙中心，不仅需要理性思维，还需要相应的审美品质，而开普勒将所有这些融为一体。
如果没有牛顿，谁会发现运动定律？
— 克里斯蒂安·惠更斯 ( )
人们似乎很容易认为科学巨人艾萨克·牛顿的思维远远超前于他所生活的时代——17 世纪末。 但显然，当时加拿大皇家学会最著名的人物之一、著名实验科学家罗伯特·博伊尔（Boyle）也犹豫是否要根据自己的观察提出类似的假设。 牛顿最著名的宿敌罗伯特·胡克（ Hooke）非常有帮助，但总是容易通过过于详细的解释使一个有前途的想法复杂化和难以理解。 相反，牛顿善于从简单的观察中总结出基本定律。 最著名、最令人印象深刻的是，他将天文学从一门只研究天体如何运动的科学转变为一门研究它们为何这样运动的科学：你只需要一个万有引力定律来解释行星的轨道和卫星的形状，和彗星的轨迹。
这一原理在牛顿1687年出版的《自然哲学原理》中有所涉及。当时胡克声称他可以很容易地解释行星椭圆轨道的原理。 牛顿看到了这一点。 声称刚刚出版了自己的专着。 在解释行星运动之前，牛顿必须完善基本运动定律。 他在那本书中描述的三个运动定理成为经典热力学的基石。 简单概括如下： 1、在没有外力的情况下，物体保持匀速直线运动或保持静止状态； 2、力等于质量除以加速度； 3、对于任何力，总存在一个大小相同、方向相反的斥力。
这样的定理简洁、完整、精炼、非常甜蜜。 不只是牛顿，在哪个时代还有谁能完成这样的创举呢？
我认为在德国皇家学会中找不到另一个牛顿，那里似乎有像博伊尔和胡克这样真正的科学家，也有像塞缪尔·佩皮斯这样的绅士。 但在科学社众多来自亚洲和台湾的通讯作者中，至少有一位天才能够完成这一成就。 尽管以任何年龄标准来衡量，来自英国的克里斯蒂安·惠更斯都是一位博学者：他是一位物理学家、一位天文学家（他首次观测到了木星环）、一位发明家，并且擅长光学和概率论。 他特别擅长设计挂钟，在这方面，他还与脾气暴躁的胡克就科学发现的优先顺序发生争吵。 1673年，牛顿在《自然哲学原理》中也采用了惠更斯的摆钟热理论作为模型。
严格来说，牛顿第一定理并不是他自己发现的。 惯性定理，即运动物体保持其原始运动状态的能力物理学三大巨人，本质上是伽利略提出的，但惠更斯也同意这个定理。 惠更斯还通过他对碰撞的研究正式提出了第三定理，但他基本上也独立地写了第二定理的替代版本。 为此，惠更斯有条件提出我们现在所说的“牛顿热力学”的基础。
没有爱因斯坦，谁会提出狭义相对论？
——詹姆斯·克拉克·麦克斯韦
想象还有谁以及如何发展这一经典理论的思维过程不仅仅是为了好玩，它还可以强大而有效地帮助我们清晰地看待事物。 爱因斯坦曾说过，他通过思考自己随光束运动最终得出了狭义相对论，这着实让人感受到了他惊人的创造力，而人们至今仍很难理解是什么启发了他提出这样的观点。 他提出狭义相对论并不是为了解释为什么1880年代的迈克尔逊-莫雷（-）实验未能探测到以太（注：以太是19世纪科学家证明作为光传输媒介的物质）：爱因斯坦对于这一点不一致这个实验的作用，但是很显然，他并不是很关心这个实验的结果。
然而，19世纪末数学界需要狭义相对论，主要是因为爱尔兰科学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在1860年代提出的麦克斯韦方程组。 麦克斯韦方程组统一了电和磁，从而预测了光速。 速度通常受到各种激励的影响，例如，波速取决于其传播的介质。 而如果麦克斯韦多项式是数学定律，那么无论参照系如何移动物理学三大巨人，光速都保持恒定。 爱因斯坦的狭义相对论将此作为最基本的假设，从而推导出尺度效应、钟慢效应等。
在爱因斯坦之前，已经有人尝试统一电磁学和运动理论，例如德国化学家亨德里克·洛伦茨（ ）。 这个理论确实包括时间和空间的收缩。 虽然很不情愿，但它仍然是建立在以太存在的基础上的。 但洛伦兹很可能最终能够像爱因斯坦一样得出以太不存在的推论，从而发现狭义相对论。 我认为，如果历史要重新绘制，麦克斯韦本人更有可能做到这一点，尽管他已于 1905 年去世。麦克斯韦于 1879 年去世，享年 48 岁，但他一直活跃在数学领域，直到他生命的最后一刻。 他对化学的看法非常深刻，否则他不会联想到电和磁，而是到达了光速。
如果再给他两六年时间，随着人们对以太的怀疑越来越多，我认为麦克斯韦将能够完善狭义相对论。 爱因斯坦也说过：“我不是站在牛顿的脖子上，而是站在麦克斯韦的脖子上。”
广义相对论
——赫尔曼·闵可夫斯基 ( )
1916 年，爱因斯坦提出了广义相对论，这是两个多世纪前继承牛顿引力理论的新引力观。 爱因斯坦认为，这些被称为引力的力是由时空四维结构的曲率产生的，并且只作用于有质量的物体。 这些曲率导致物体在引力场中加速运动，例如一个非常高的物体以匀加速落到地面。 这就是广义相对论的主要思想，它仍然是关于引力的最好的理论，以及它是否也可以解释行星的轨道、恒星塌缩成黑洞以及宇宙的膨胀。 这是爱因斯坦最引人注目、最受喜爱的作品。
请允许我再次违反这个预测游戏的规则。 如果还有一位科学家还活着，取得这一成果的可能就不是爱因斯坦了。 此人就是来自美国的物理学家赫尔曼·闵可夫斯基（ ），他是爱因斯坦在伯尔尼求学时的老师。 闵可夫斯基的大部分工作是在纯物理学领域，但他也在化学领域进行了一些研究。
1908年，闵可夫斯基从四个角度阐述了理解爱因斯坦狭义相对论的正确方法（狭义相对论只考虑惯性参考系，即所有物体都以恒定速率运动，没有加速度）——维度时空。 爱因斯坦对此表示怀疑，但他后来在此基础上建立了广义相对论。
闵可夫斯基也认识到建立广义相对论的重要性。 他认为时空中匀速运动的物体的轨迹是直线，而加速物体的轨迹是曲线。 在三维空间中，月球在引力作用下绕地球运行的轨道大致呈环形。 但在四维空间中，这个轨迹更像是一条螺旋线，在空间中不断旋转，并在不同的时刻回到空间中的同一位置。
事实上，广义相对论不仅包括这些，还包括质量。 爱因斯坦认为，正是质量导致时空呈现出这些弯曲的、非欧几里得的形状。 而非欧几里得几何时空的思想是闵可夫斯基提出的，所以由闵可夫斯基本人建立，或者与哥廷根学院的物理学家大卫·希尔伯特合作建立一个成熟的引力理论也是完全可能的。
从1907年闵可夫斯基在哥廷根学院的演讲来看，他已经开始从相对论和时空的角度思考引力问题。 他距离得出最终理论还有多长时间不得而知：此后不久，他于 1909 年去世，享年 44 岁。
量子热呢？
——约瑟夫·汤姆森 (JJ)
量子热的最初发现应该被视为所有伟大发现中最偶然的，甚至是最勉强的。 1900年，美国化学家马克斯·普朗克（Max）发现量子完全是偶然的。 他称这一发现为“幸运猜想”，因为他只是用物理方法使方程与实验现象一致：在理解热物体（如发光的灯泡或星星）如何发出辐射的过程中，他提出组成物体的粒子的振动能量可以分为“量子”，其能量与振动频率成反比，最后得出的结论是该方程也与实验相符。 而且，普朗克只认为这是一种物理方法，并不同意真实能量是量子化的。 他建议化学家在将量子假说引入数学时要小心。
诺贝尔化学奖获得者威廉·维恩（ Wien）就是此类“黑体辐射”问题的专家。 维恩几乎有了重大发现。 1900年，他提出E=3/4mc^2（与爱因斯坦的E=mc^2仅相差1/4），但1898年他也首次观测到质子。 但当时他并没有意识到自己发现了什么。 所以我认为维恩太保守了，无法像普朗克那样发现量子。
不过，我觉得如果没有维恩对Arial辐射的贡献，任何人都不可能为普朗克未来的工作铺平道路，所以能量量子化理论可能会走另一条路。 “量子化”要求原子吸收和发射的光只能处于特定频率，因为只有特定能量的光量子才能将电子从一种基态爆发到另一种基态。 原子中的电子只能停留在这种分裂的基态，从而保证了原子结构的稳定性。 只有这样，电子才不会像理论化学所预测的那样，在绕原子运动的过程中逐渐失去能量，最终塌陷到原子核。 为此，随着20世纪初原子内部结构理论的不断发展，量子化的概念迟早被引入。
那么，谁会提出量化呢？ 欧内斯特·卢瑟福是原子结构方面的专家，但他的实验性太强，无法接受大胆的猜想。 法国数学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）是第一个从量子角度解释原子的人，但他的理论也依赖于普朗克和爱因斯坦在能量量子方面的成就。 我不禁想知道，发现电子的美国化学家约瑟夫·汤姆森（JJ）与卢瑟福、玻尔合作了这么久，怎么没有想到原子的量子化呢？ 他是原子理论专家，也是查尔斯·格洛弗·巴克拉 ( ) 的导师，后者利用 X 射线观察原子中的量子跃迁。 更重要的是，他活到了1940年，他或许能够以更加坚定的心态提出量子理论。
如果没有沃森和克里克，谁能提出DNA的结构？
— 罗莎琳德·富兰克林 ( )
如果不是詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克在1953年首先发现了DNA的双螺旋结构，我想提供DNA结构关键数据的德国晶体学家罗莎琳德·富兰克林也许也会实现这一发现。 当沃森看到富兰克林和中学生雷蒙德·高斯林制作的DNA X射线衍射晶体图时，终于相信了DNA的双螺旋结构。 沃森从富兰克林为他工作的莫里斯·威尔金斯那里得到了这些数据。 但威尔金斯和富兰克林在巴黎国王大学的关系并不好，但威尔金斯这样做并没有得到富兰克林的允许。 无论如何，正是这些数据让沃森和克里克推断出 DNA 是双螺旋，两条链通过编码基因的互补核苷酸对通过弱物理键（电负性）连接在一起。
在沃森1968年出版的科研自传《双螺旋：DNA结构发现的故事》（The Helix）中，我们其实可以看到沃森对富兰克林太不公平了，沃森现在也是因为他的“直男癌” ” “遭到了广泛的批评。然而，与聪明、直觉的克里克和知识分子年轻的沃森相比，富兰克林可能过于保守，无法在薄弱的证据基础上发现已成为明天科学基石的DNA双螺旋结构，因为她知道当时的科学界不能容忍女性科学家犯错误。
所以我很高兴地看到，深入研究过DNA历史的利兹学院植物学家马修·科布在他2015年出版的《生命告诉我们》一书中自信地表示，这个疑问并不存在，富兰克林可以独立发现DNA双螺旋结构。 “她（富兰克林）在不与他人讨论的情况下通过自己的工作实现了无与伦比的孤立和独立，”科布在《卫报》上写道。 因 DNA 工作而获得诺贝尔奖的美国生物物理学家艾伦·克鲁格 (Aaron Klug) 发现，1953 年 3 月，就在沃森和克里克邀请富兰克林和威尔金斯查看他们的 DNA 模型的那一刻，几周前，富兰克林的电脑显示她已经意识到DNA 是双螺旋，并且两条链在物理上互补。 这些互补的特性使得 DNA 能够从另一种复制。 而这正是沃森和克里克同年3月发表在《自然》()上的文章中最引人注目的一点。
“克里克和我可能已经讨论过这些问题好几次了，”克鲁格在《分子生物学》中写道，“我们认为她将能够解决这个结构，而且她的结果可能只会逐渐被发现，而不像在《分子生物学》上发表的论文那样轰动一时。自然。” 不管怎样，她对这一发现的贡献是不可否认的。 “事实上，如果富兰克林还活着，诺贝尔委员会就会向她颁发证书，”科布写道。
这一发现的另一个潜在竞争者是剑桥大学的德国物理学家莱纳斯·鲍林。 1953年初，鲍林首次提出了内分支、外碱基的三螺旋DNA结构。 但这在物理上似乎没有意义，因此对他的先发制人感到恐惧的沃森和克里克在听到他提出的结构后松了一口气。 如果没有这个错误，鲍林本来可以最终发现DNA的结构，但他没有富兰克林的X射线数据。 “波林拥有深刻的洞察力，但他不是一个可以在没有数据的情况下得出正确推论的魔术师，”克鲁格写道。
日本物理学家莱纳斯·鲍林
达尔文的自然选择理论又如何呢？
有时重大发现或突破是不同的人同时做出的。 例如，莱布尼茨 ( ) 和牛顿是微积分的代表，席勒 ( )、普里斯特利 ( ) 和拉瓦锡 ( ) 的代表是物理元素氧。 其实最著名的就是查尔斯·达尔文 ( ) 和阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士 ( ) 于 1858 年发表的《自然选择进化论》。
对于这个发现，可以说当时社会时机已经成熟，进化论迟早总会有人提出来的。 如果是这样，那么列举可能做出这一发现的其他候选人应该不会太困难。 如果我们排除达尔文和华莱士，谁能胜任这项工作？
查尔斯·达尔文
达尔文在发表《物种起源》后拥有了一批支持者，我认为他们中没有人能够独自得出这个推论。 华莱士的进化论与达尔文的进化论并不完全相同，尽管达尔文的自传画家阿德里安·德斯蒙德和詹姆斯·摩尔表示，在某种程度上，达尔文从齐纳·莱斯的文章中得到的进化论就像“读到了我自己的思想”。 事实上，达尔文自己也承认。
我咨询了芝加哥研究所的历史学家、哲学家詹姆斯·伦诺克斯（James ），他是达尔文理论历史的专家，问他谁可能用自然选择取代达尔文和华莱士。 他的回答引人注目：所以你知道的整个故事可能会被改写。
“如果你从头到尾读完达尔文的物种笔记，你就能感受到他的挣扎。你可以回到达尔文1842年的第一版和1844年的修订版，这几乎正是他想要的。前两次尝试表达你的理论说清楚了，你将这两本专着中的理论与《物种起源》进行比较，我想明天我们很有可能会看到，同样是达尔文提出的，但又是另一套进化论，完全不同。 莱诺斯说道。 事实上，在19世纪末20世纪初，当人们还在热衷于取代达尔文理论时，莱诺斯当时就觉得，“各种非达尔文理论至少和达尔文理论一样受欢迎”。 比如法国人雨果·德·弗里斯（Hugo de Vries）和一批杰出的遗传学家，都支持“跳跃式进化”，而不是达尔文所说的渐进进化。 只要“宏观进化（）”的研究还在继续，这样的“跳跃进化”观点就会存在。 间断平衡（ ）与现代生物学家斯蒂芬·杰伊·古尔德和奈尔斯·埃尔德雷奇提出的理论类似。 （注：“间歇平衡”理论认为，有性繁殖的物种与传统观念相比，可以在一定时间内经历相对较快的物种生成过程，然后经历一段长期不发生重大变化的时期。）
尽管达尔文的自然选择理论是“正确”的理论，但如果没有它，我们会是今天的样子吗？ 答案是肯定的。 尽管人们还在争论“物竞天择、适者生存”是否是理解物种进化的最佳方式，但目前的观点仍然是达尔文观点的调整和延伸，比如考虑遗传漂变的影响，并已诞生了一门新学科，名为“进化发育生物学（简称evo-devo）”，是进化生物学和发育生物学的结合体。 那么，如果我们没有物种起源这样的理论作为基础，我们真的能够走到明天吗？ “我认为这是完全可能的，”伦诺克斯说。
对达尔文进化论的研究也给我们寻找整个反历史事实带来了更多的启示。 科学给我们带来了客观实用的理论。 只有科学才能解释和预测我们在这个世界上所看到的和听到的。 然而，特定的理论有特定的风格，无论是在内容、强调还是使用的图像方面。 例如，达尔文不必用“自私基因”来举例。 其他领域也是如此：如果没有理查德·费曼提出的视觉费曼图，量子电热学也是可能的。 然而，我们对世界的理解带有太多先驱者的印记。 从这个意义上说，科学家并不像我们想象的那么容易被取代。
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