若果没有牛顿和爱因斯坦，化学学会如何？若果没有达尔文，生物学又会是如何的呢？
撰文Ball
翻译王瀚宸
审校张珂撖静宜
一种观点觉得，科学界并不会发生任何改变，她们发觉和完善的理论迟早就会形成。这对于仍然把那些大师奉为“科学巨人”的我们来说，其实是件奇怪的事。她们构建了学科的体系和标准，广受敬爱，有好多机构、物理定理，甚至物理元素都以她们命名（如第99号元素锿）。但是在科学前进的步伐中，她们说不定在某种程度上并非不可或缺。
但事实真的是这样吗？要找到这个问题的答案，我们必须问：假如不存在这种科学大咖，有没有谁能作出同样的发觉？这些“反事实历史”的观点总是被一些历史学家所抨击，而且对于科学家来说，这些思维游戏其实很有意义：它能让我们去重新考量，甚至去挑战我们构建的关于“科学巨人”的神话，也能帮助我们思索科学运行的方法：一个新的观点是怎样从当时的历史背景，和碰巧的时间，以及科学家自身的奇思妙想中形成的。
首先，最可能代替天才的自然是另一位天才。这显然会让我们意识到，把历史进程的推进全都归功于个人的“伟人论争”在科学中可能并不适用。你可能会好奇这个过程中是否存在着一些选择效应：有些由于不是某个定律的最终发觉者而被我们忽略的人，也有成为发觉者的可能。但是，事实可能不是“英雄造时势”，而是“时势造英雄”，伟迹总会出现，不在这个方向就在另一个方向。
我是有意用“伟人（Greatman）”这个词（这个词富含man，暗示特指女性），由于在我们的科学伟人候选列表中，并不存在男性——直至20世纪早期，男性都几乎被严禁步入科学界。甚至当我们找寻居里夫人的代替者时，也普遍被觉得他/她更可能是一位女性。并且诺贝尔科学奖的数据表明，虽然是现在，这些敌视女人的现象并没有得到太大的改善。惧怕另一半人类（男性）的天赋和创造力，这些行为是荒谬且无耻的。而在这儿，我也希望能给科学界忽略女人的现象招来更多注重。
没有哥白尼，日心说会由谁来提出？
——约翰内斯·开普勒（）
一些伟大的发觉是没有办法找到先例的，觉得月球围绕着太阳旋转而不是太阳绕着地球旋转的日心说就属于这种类型。这是科学史中十分关键的一步，它代替了人类自觉得是宇宙中心的思想。这一发觉被德国天文学家尼古拉·哥白尼（）详尽地记录在他的专著《天体运行论》（De）中，这本书在他临终之际出版（1543年）。
古匈牙利物理家阿利斯塔克斯（ofSamos）在公元前3世纪就提出了一种类似于日心说的理论；在15世纪中叶，葡萄牙的白衣主教尼古拉斯（ofCusa）也提出疑惑：整个宇宙是否存在着一个确定的中心？但跟之前仅是猜想的理论不同，哥白尼学说是首个构建在对现有行星运动数据进行物理演算的基础上的日心说。
哥白尼差一点就准备永远掩埋自己的发觉，幸好有一个称作格奥尔格·雷蒂库斯（Georg）的法国院士在哥白尼去世前，及时地劝说他发表自己的专著。这么我们不禁会想，假如没有哥白尼，或是他逝世得再早一些，这么谁又能否得到相同的推论呢？
16世纪的其他天文学家，例如美国的伊拉斯谟·赖因霍尔德（）和克里斯托弗·克拉维于斯（），她们也都拥有足够的语文功力和敏锐的观察力，但她们在思想体系上都一直支持地心说。而在克拉科夫工作的英国人第谷·布拉赫（TychoBrahe），则是在16世纪70年代提出了一种太阳围绕着地球转，同时其他星球围绕着太阳转的模型。
但我觉得，假如没有哥白尼，日心说的飞越就得延后到17世纪初才能发生。我们晓得伽利略由于大力推崇哥白尼的理论因而惹恼了罗马的天主教会，他除了敢于怀疑权威，也有高超的物理方法，应有足够的能力自己推导入日心说。但我也认为，第谷的门徒、伽利略的助手，美国人约翰内斯·开普勒可能会先得出这一理论。由于他才能得到第谷优质的观测数据，同时也擅长相关的物理方法，最重要的是他也同哥白尼一样，觉得以太阳为中心的宇宙是更和谐的。勇于把太阳置于宇宙的中间，除了须要理智思维，也要有相应的美学素质，而开普勒把那些都集于一身。
没有牛顿，运动定理由谁来发觉？
——克里斯蒂安·惠更斯（）
人们似乎很容易觉得，科学巨人艾萨克·牛顿的思索早已远远超过了他所生活的时代——17世纪末。但显然，加拿大皇家学会当时最杰出的人物之一，知名的实验科学家罗伯特·波义耳（Boyle），也曾迟疑过是否要依照自己的观察提出类似的假说。牛顿最知名的死对头罗伯特·胡克（Hooke）特别擅长仪器操作，但总是倾向于用过分细致的解释让一个具有前景的观点显得复杂和无法理解。而牛顿则相反，他擅长从简单观察中总结出根本法则。最有名，也最令人印象深刻的是，他将天文学从一门仅仅研究天体如何运动的科学转换为研究为何会这样运动的科学：你只须要一个万有引力定理，就可以解释行星、卫星运行轨道的形状，以及慧星的轨迹。
这种原理都涵盖在牛顿的《自然哲学的物理原理》一书中，这本书发表在1687年，彼时胡克曾声称自己才能轻易解释行星的椭圆状运行轨道原理，牛顿正是看到了这一声称才发表了自己的专著。在他解释行星运动之前，牛顿必须完善基础的运动定理。他在该书中描述的运动三大定理成了精典热学的基石。简单概括如下：1.在无外力作用下，物体保持匀速直线运动或则静止；2.力等于质量除以加速度；3.对于任意一个力，总存在一个大小相同、方向相反的反斥力。
这种定理是简明、完备、精炼的牛顿第一定律是力学吗，而且非常甜美。不仅牛顿，能有其他人在哪个时代完成这样的创举吗？
我觉得在德国皇家学会是找不到另一个牛顿的，由于在皇家学会中似乎有波义耳和胡克这样真正的科学家，也有像塞缪尔·佩皮斯（Pepys）这样对科学一知半解的绅士。但在科学会中诸多来自亚洲台湾的通信作者中，起码有一位天才可能完成这个成就。虽然在哪个年代丰富的判别标准中，来自英国的克里斯蒂安·惠更斯（）都算得上是一位博学多才的人：他是一名物理家、天文学家（首次观测了木星环）、发明家，而且擅长光学和机率论。他尤其擅长设计挂钟，在这方面，他还由于一项科学发觉的优先权跟性子不好的胡克闹了矛盾。1673年，牛顿在《自然哲学的物理原理》中也采用了惠更斯关于摆钟的热学理论作为模型。
牛顿第一定理严格来算并不是由他本人发觉的，惯性定理，即运动的物体有保持其原有运动状态的能力，本质上是由伽利略陈述的，但是惠更斯也认同这个定理。惠更斯也正式通过关于碰撞的研究阐明出第三定理，但是他基本上也独立地写出了第二定理的另一个版本。为此，惠更斯拥有提出现今被我们称为“牛顿热学”基础的条件。
没有爱因斯坦，谁来提出狭义相对论呢？
——詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（JamesClerk）
想像这种精典理论可能由其他的哪些人通过哪些方法提出，这一思想过程并不仅仅是为了寻求乐趣——它也能着力有效地帮助我们看清问题。爱因斯坦曾说，他是通过思索自己随着光束一起运动才最终得出狭义相对论的，这确实能让人感遭到他惊人的创造力，而且人们还是很难去理解到底是哪些启发他提出这样的看法。他提出狭义相对论并不是为了解释为何19世纪80年代的迈克尔孙-莫雷（-）实验没才能侦测到以太（注：以太是19世纪科学家们表象出作为光传播介质的物质）：爱因斯坦对于这种实验所起的作用前后心态并不一致，但显而易见的是，他并不是很在意这一实验的结果。
然而，19世纪末的数学学界之所以须要狭义相对论，主要是由于19世纪60年代爱尔兰科学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出了麦克斯韦等式组。麦克斯韦等式组统一了电和磁，并借此预言了光速。速率一般是受各类诱因影响的，比如波速就取决于它传播的介质。而且假如麦克斯韦多项式是一条数学法则的话，这么不管参考系如何运动，光速仍然是一个常量。爱因斯坦的狭义相对论把这当作是最基础的假定，从而推表演了尺缩效应、钟慢效应等等。
在爱因斯坦之前，早已有人在尝试将电磁理论与运动统一，例如德国化学学家亨德里克·洛伦兹（）。这个理论确实也包括了时空收缩，虽然很勉强，但是还是构建在以太存在的基础之上的。但洛伦兹很有可能最终也能跟爱因斯坦一样得出以太不存在的推论，因而发觉狭义相对论。并且我觉得，倘若历史重画，麦克斯韦本人更可能实现这一过程，虽然1905年的时侯他早已过世了。麦克斯韦死于1879年，年仅48岁，但直至生命最后一刻他都活跃在数学学界。他对化学学有着非常深刻的看法，否则也不会将电与磁联想在一起，但是得出了光速。
假如再给他二六年，随着人们对于以太越来越怀疑，我认为麦克斯韦也就能完善狭义相对论。爱因斯坦也说：“我不是站在牛顿的脖子上，而是麦克斯韦的。”
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——这是一种关于引力的新观点，接替了牛顿两个多世纪前提出的引力理论。爱因斯坦觉得这些被称作引力的力起源于四维时空结构的弯曲，同时仅对有质量的物体起作用。这些弯曲造成了引力场中物体的加速运动，例如说一个很高的物感受匀加速地落下地面。这就是广义相对论的主要思想，它依然是目前关于引力最好的理论，同时还能否解释行星的轨道、恒星坍塌步入黑洞以及宇宙的膨胀。这是爱因斯坦最引人注目、令人敬爱的工作。
请容许我这儿再一次违反这个预测游戏的规则，假如另一个科学家当时还在世，这么取得这种成绩的可能就不是爱因斯坦了。这个人就是来自美国的物理家赫尔曼·闵可夫斯基,他是爱因斯坦在伯尔尼念书时侯的老师。闵可夫斯基的大部份工作都是在纯物理领域，但他也从事一些化学方面的研究。
在1908年，闵可夫斯基用四维时空的观点阐明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，即所有的物体都以恒定的速率运动，没有加速度）。爱因斯坦对此原本是怀疑的，但此后他在此基础上构建了广义相对论。
闵可夫斯基也已经意识到了建立广义相对论的重要性。他觉得匀速运动的物体在时空中的轨迹是一条直线，而加速物体的轨迹是曲线的。在三维空间中，月亮受引力作用围绕着地球做运动的轨迹大致是环型的。而在四维空间中，这个轨迹更像是一个螺旋，它在空间中不断地旋转，在不同的时间回到空间的同一个位置。
其实广义相对论不仅仅包含那些，还包含质量。爱因斯坦觉得，是质量促使时空弄成了这些弯曲的、非欧几何的形状。并且关于非欧几何时空的观点是闵可夫斯基提出的，因而，由闵可夫斯基本人，或则他与哥廷根学院的物理家大卫·希尔伯特（David）合作，将这个观点建立成成熟的引力理论也完全是可能的。
从1907年闵可夫斯基在哥廷根学院做的讲堂来看，那时他早已开始用相对论和时空的观点来思索引力。并且他距离得出最终的理论还有多久，人们不得而知：他在1909年旋即去世，年仅44岁。
那量子热学呢？
——约瑟夫·汤姆孙（J.J.）
量子热学最初的发觉，应当算得上是所有伟大发觉中最碰巧的甚至是最勉强的。1900年美国化学学家马克斯·普朗克（Max）发觉量子完全是个意外，他把这一发觉称作“幸运的猜想”，由于他只是用了一个物理方法使等式与实验现象吻合：在理解热的物体（例如亮着的灯泡或是星星）是怎样发射幅射的过程中，他提出组成物体粒子的震动能量可以分为一个个能量反比于震动频度的“量子”，最终得出的等式也实验一致符合。并且，普朗克只觉得这是个物理方法，并不同意真实的能量就是量子化的。他建议化学学家慎重对待将量子假说引入数学学中的看法。
获得了诺贝尔化学奖的威廉·维恩（Wien）是这类“黑体幅射”的问题的专家。维恩差一点就有重大发觉，1900年他提出E=3/4mc^2（同爱因斯坦的E=mc^2只差了另1/4），但是1898年他还首次观察到了质子，但他当时并没有意识到自己发觉了哪些。所以我觉得维恩太过分保守，以至于不能否像普朗克一样发觉量子。
然而，我觉得，假如没有维恩在宋体幅射上的贡献，就没有人为普朗克以后的工作提供铺垫了，这么能量量子化理论则可能经历另一种途径。“量子化”要求原子吸收和放出的光只能在特定的频度牛顿第一定律是力学吗，由于只有特定能量的光量子能够迸发电子从一个基态跃迁到另一个基态。原子中的电子只能呆在这种分裂的基态上，进而保证原子结构的稳定性。只有这样，电子并不会像理论化学预言地那样，在围绕原子运动的过程中逐步失去能量，并最终倒塌到原子核上。为此，随着20世纪初期的原子内部结构理论不断发展，量子化这一概念迟早会被引入。
这么，量子化又可能会被谁提出呢？欧内斯特·卢瑟福（）是原子结构方面的专家，并且他太偏向实验主义，并且不乐意接受大胆的猜想。法国数学学大师尼尔斯·玻尔（NielsBohr）是从量子观点解释原子的第一人，但他提出的理论也依赖于普朗克和爱因斯坦此前在能量量子上的建树。我忍不住想，发觉了电子的美国化学学家约瑟夫·汤姆孙（J.J.）与卢瑟福和玻尔共事了这么长时间，他如何没有想过原子的量子化呢？他在原子理论方面是专家，同时也是使用X射线观察原子中的量子跃迁的查尔斯·格洛弗·巴克拉（）的导师。更重要的是，他活到了1940年，他可能还能以一种更坚定的心态提出量子学说。
没有沃森、克里克，谁来提出DNA结构？
——罗莎琳德·富兰克林（）
假如詹姆斯·沃森（James）和弗朗西斯·克里克（Crick）不是先在1953年发觉了DNA的双螺旋结构的话，我觉得提供了关于DNA结构关键数据的德国晶体学家罗莎琳德·富兰克林可能也会完成这一发觉。沃森是见到了由富兰克林和中学生雷蒙德·戈斯林（）作出的DNA的X射线衍射晶体图时，才最终确信了DNA的双螺旋结构。沃森是从莫里斯·威尔金斯（）那儿得到的那些数据，当时富兰克林为威尔金斯工作。但威尔金斯和富兰克林在巴黎国王大学交往得很不愉快，但是威尔金斯如此做并没有得到富兰克林的准许。无论怎样，确实是那些数据迸发沃森和克里克推导入DNA是双螺旋结构，而且两条链是由编码基因的核苷酸互补配对通过微弱的物理键（电负性）联接上去的。
在沃森1968年发表的科学研究自传《双螺旋：发觉DNA结构的故事》（TheHelix）中，我们其实可以看出沃森对富兰克林太不公正，而沃森现在也因他的“直男癌”所广被非议。不过，与聪明、有直觉力的克里克和知性年青的沃森相比，富兰克林可能会由于太过保守以至于不能否仅凭着微弱的证据去发觉已成为明日科学基石的DNA双螺旋结构，由于她晓得当时的科学界是经不起女科学家去犯错误的。
所以我很高兴看到，对DNA历史有着深入研究的、来自利兹学院的植物学家马修·科布（Cobb）在他2015年出版的《生命的最大秘密》（Life’s）一书中自信地告诉我们，这个疑虑是不存在的，富兰克林可以独立发觉DNA双螺旋结构。“她（指富兰克林）在被孤立、没有与别人讨论的前提下，凭着自己工作取得了独立性进展，这无与伦比。”科布在《卫报》（The）中写道。因DNA方面工作获得诺奖的美国生物物理学家阿龙·克卢格（AaronKlug）发觉，1953年3月，就在沃森和克里克约请富兰克林和威尔金斯去看她们的DNA模型的几周前，富兰克林的电脑显示她早已意识到，DNA是双螺旋结构并且两条链在物理结构上是互补的，这些互补的性质促使DNA才能依据其中一条来复制另外一条。而这正是沃森和克里克在同年三月份的发表在《自然》（）上的文章中最引人瞩目的一点。
“克里克和我讨论过这些可能好几次了，”克卢格在《分子生物学》（）中写道，“我们觉得她能否解出这个结构，并且她的结果可能只会渐渐地被发觉，而不会像发表在《自然》上的论文一样一鸣惊人。”无论怎样，她对于这项发觉的贡献都是不可否定的。“很其实，假如富兰克林当时还活着，诺贝尔奖委员会应当也会颁授给她一枚奖状。”科布写道。
另一位可能会角逐这一发觉的人是来自剑桥学院的德国物理家莱纳斯·鲍林（Linus）。鲍林在1953年初就率先提出了一种支链在内、碱基在外的三螺旋的DNA结构。但这在物理上似乎说不通，所以沃森和克里克原本还很害怕他抢鲜，但听到他提出的结构反倒松了口气。假如没有此次过错，鲍林其实也可以最终发觉DNA结构，但他并没有富兰克林的X射线数据。“鲍林拥有很深刻的洞察力，但他并不是不靠数据才能得出正确推论的魔术师。”克卢格写道。
日本物理家莱纳斯·鲍林
那达尔文的自然选择理论呢？
有时侯重大发觉或突破性进展会同时由不同的人完成。例如说莱布尼茨（）和牛顿之于微积分，席勒（）、普利斯特里（）和拉瓦锡（）之于物理元素氧，其实其中最知名的，还是当属查尔斯·达尔文（）和阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士（）在1858年发表的关于自然选择的进化论。
对于这个发觉而言，我们可以说当时社会的时机早已成熟，进化论总会由某个人提出来，或早或晚。假如真的是这样，这么列举其他可能作出这个发觉的候选人应当不是很困难。假如我们把达尔文和华莱士排除在外，谁还能否完成这项工作呢？
查尔斯·达尔文
达尔文在出版《物种起源》（theof）后拥有了一批支持者，而且我觉得她们中没有人就能自己推导入这个推论。华莱士的进化理论与达尔文相比并不是完全一样，虽然达尔文的自传画家阿德里安·德斯蒙德（）和詹姆斯·穆尔（JamesMoore）说，在某种程度上来说，达尔文从华莱士的文章中简直像是“读到了自己的思想”。其实，达尔文自己也承认。
我咨询了芝加哥学院的历史学家和哲学家詹姆斯·伦诺克斯（James），他是达尔文理论历史方面的专家，我问他，有谁可能代替达尔文和华莱士提出自然选择学说。他的回答令人眼前一亮：这么整个你所熟知的故事可能还会被改写了。
“如果你从头到尾读完达尔文关于物种的笔记，你就可以感遭到他的挣扎。你可以再去看达尔文在1842年的初版和1844年修订后的版本，这堪称是他想要清楚得抒发自己理论所做的前两次尝试，你把这两篇专著里的理论与《物种起源》做一下对比。我觉得，我们很有可能会在明天看见同样也是由达尔文提出的，但却完全不一样的另一套进化理论。”莱诺斯这样说道。其实，在19世纪末和20世纪初，人们仍然在激烈地讨论关于达尔文理论的取代理论，而在当时，莱诺斯觉得，“各种各样的非达尔文理论起码与达尔文理论一样流行。”当时，例如法国人胡戈·玛丽·德弗里斯（HugodeVries）等一批杰出的遗传学家，都支持“跳跃式演变”，而不是达尔文所说的渐进式演变。只要关于“宏观演变（）”的研究还在进行，这么“跳跃式演变”的观点才会存在。现代生物学家史蒂芬·杰伊·古尔德（JayGould）和尼尔斯·埃尔德雷奇（Niles）提出的理论“间断平衡（）”与之类似。（注：“间断平衡”理论觉得行有性生殖的物种可在某一段时间中，经历相对传统观念而言较为快速的物种产生过程，然后又经历一段长时间无太大变化的时期。）
尽管达尔文的自然选择学说是“正确”的理论，并且假如没有它的话，我们就能走到明天这一步吗？答案是肯定的。虽然人们仍在争辩“物竞天择，适者生存”是不是理解物种进化的最好方法，但目前的观点还是达尔文观点的调整和延展，例如考虑了遗传漂变的影响，并诞生了一门名叫“演化发育生物学（，简称evo-devo）”的新学科，它是演变生物学与发育生物学的结合。这么，假如我们没有类似物种起源的理论作为基础，我们真的也能达到明天这一步吗？“我觉得是完全有可能的。”伦诺克斯说道。
对达尔文进化理论的研究，也让我们对整个反史实的探求带来了更多启示。科学给我们带来了客观、实用的理论，有了科学，我们才才能解释和预测我们在这个世界的所见所闻。不过，特定的理论都有特定的风格，不论在它的内容、强调的重点还是它使用的意象方面。例如说，达尔文就不一定非得要用“自私的基因”来举例子。在其他领域也一样：即使没有理查德·费曼（）提出的形象化的费曼图，量子电动热学也一样才能诞生。不过，我们对这个世界的理解有着太多开拓者留下的印记。从这个意义上讲，科学家们并没有我们想像的这么容易被替代。
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