一个错误观点的价值可能远远超过一千个平庸的错误甚至狭隘的正确观点。这些错误观点触及世界的本质，能够推动科学进步，带来重大突破。上世纪生物学和物理学领域的两次科学错误，为今天蓬勃发展的生物技术和量子信息科学奠定了基础。
作者：David 和 NH (NH)
翻译 | 赵绪丹
科学也许比其他任何职业都更看重正确性。当然，和大多数普通人一样，大多数科学家也会犯很多错误。但并非所有错误都是平等的。历史学家发现，在很多情况下，一个错误观点的价值可能远远超过1000个平庸的错误甚至狭隘的正确观点。这些错误触及世界的本质，因而可以推动更深入的研究物理学家 贝尔，带来重大突破。虽然它们是错误，但没有它们贝语网校，科学的进步可能会更加艰难。
例如，尼尔斯·玻尔构建了一个几乎毫无用处的原子模型，但正是这个模型引发了量子力学革命。阿尔弗雷德·维格纳在普遍的怀疑中坚持认为，离心力导致大陆板块沿地球表面移动（或“漂移”）。他确实观察到了这种现象，但给出了错误的解释。恩里科·费米认为他创造了一个比铀更重的原子核，但他实际上是偶然发现了我们所知道的核裂变。
另外两个非常重要的错误，一个是 20 世纪 70 年代的物理学错误，另一个是 20 世纪 40 年代的生物学错误，也戏剧性地展示了错误对科学的价值。回想起来，这些错误并不是少数倒霉蛋走运的结果。事实上，这些科学家提出了很少有人想到的问题，考虑了许多人没有考虑过的想法。在此过程中，他们为当今蓬勃发展的生物技术和量子信息科学奠定了重要基础。他们犯过错误，但直到今天，我们的世界仍然要感谢他们的错误。
光子克隆的幻影
第一个错误可以追溯到量子力学早期的一场著名辩论：爱因斯坦和玻尔就量子理论的性质和基本意义进行了一系列精彩的辩论。爱因斯坦对量子力学的许多奇怪性质提出了著名的反对意见。例如，根据量子力学的公式，物理学家只能预测各种事件的概率，而不能预测确定的结果。爱因斯坦反驳道：“无论如何，我坚信上帝不掷骰子。”这场辩论持续了30年，爱因斯坦和玻尔都无法说服对方。
几十年后，一位名叫约翰·贝尔的北爱尔兰年轻物理学家重新思考了爱因斯坦和玻尔争论的问题。他回忆起爱因斯坦在 1935 年发表的一项思想实验：在这个实验中，爱因斯坦假设有一个粒子源可以发射成对的量子粒子（如电子或光子），每对粒子都朝相反的方向移动。当两个粒子彼此远离时，物理学家可以分别测量每个粒子的一些特性。贝尔想知道的是，如果进行测量，这两个测量结果将如何相关。
1964 年，贝尔发表了一篇非常简短而清晰的论文，他在论文中指出，根据量子力学，当测量一个粒子时（例如，向右移动的粒子的自旋），必须取决于测量向左移动的粒子的性质。因此，贝尔推断，如果一个理论对实验结果的预测与量子力学相同，那么它必须包含一个信号，或者“一种机制，通过这种机制，一个测量设备的设置会影响另一个测量设备的读数，无论两个测量设备相距多远。”他进一步得出结论：“这个信号必须能够瞬间传输。”这种长距离关联现在被称为“量子纠缠”。（ ）
图 1：瞬时电报：1981 年，物理学家尼克·赫伯特利用量子力学的奇异性质，设计出一种能以超光速传输信息的通信系统。虽然根据爱因斯坦的相对论，这样的装置不可能存在，但当赫伯特首次提出这一计划时，没有人能在其中找出任何错误。经过一段时间的深入研究，赫伯特的错误浮出水面：基本粒子永远不可能按照赫伯特的方式被精确复制。物理学家们基于这一现象，在量子信息科学领域取得了巨大进展。
贝尔的论文如今在物理学界广为人知，但当时并没有引起太大的兴趣。瞬时信号传输与爱因斯坦的相对论相矛盾，后者认为任何信号都不可能比光速传播得更快。尼克·赫伯特是少数注意到贝尔论文的物理学家之一，他对这个问题越来越关注，甚至为此耽误了日常工作。
当时，赫伯特是旧金山湾区的一名工业物理学家，也是一个古怪的非正式讨论小组的核心成员之一。这个小组名叫“基础管理小组”，成员们定期在伯克利开会讨论。他们大多是名牌大学的年轻物理学家——赫伯特本人就是在斯坦福大学获得博士学位的。但由于前所未有的就业危机，他们找不到施展才华的地方。例如，1971 年，美国物理学会就业服务处登记的青年物理学家多达 1000 人，竞争的岗位只有可怜的 53 个。
20 世纪 70 年代中期，赫伯特和他的朋友们失业了，时间充裕。于是他们每周聚会一次，讨论现代物理学中隐藏的深奥秘密以及他们在正规物理研究训练中很少注意到的话题。很快，他们就对“贝尔定理”和量子纠缠着迷。该小组的另一名成员约翰·克劳泽（2010 年获得沃尔夫物理学奖）设计了世界上第一个关于贝尔定理的实验，并发现关于量子纠缠的奇怪预测实际上是准确的。
与此同时，在他们周围，旧金山湾区对超自然现象的兴趣十分浓厚，超感知觉和预测未来风靡一时。《旧金山纪事报》和其他主流报纸刊登了心灵感应实验的报道，超自然现象爱好者们正在庆祝一个新时代的到来。赫伯特和他的朋友们开始怀疑贝尔定理是否能解释那些奇怪的事情，该定理似乎暗示了跨越时间和空间的遥远物体之间存在神秘的联系。
赫伯特主要思考的是贝尔所描述的量子粒子之间的瞬时信号传递，他想知道这样的信号是否可以用来以比光速更快的速度传输信息。他随后开始制定所谓的“超光速电报”计划：这种神奇的设备将利用量子理论的基本特性突破相对论的障碍，甚至突破物理学规则。经过多次失败，赫伯特终于在1981年1月完成了他的“FLASH”计划。FLASH的全称是“第一个激光放大超光速同步广播系统”。人们认为，这种精心设计的激光系统能够以比光速更快的速度传输信号。
赫伯特的方案似乎无懈可击，于是他为此撰写了一篇文章，并提交给一家学术期刊。该期刊的几位审稿人对他的论证深信不疑。两位审稿人表示：“我们找不到赫伯特实验计划中任何根本性的缺陷，以表明该计划与目前的物理理论不一致。”另一位审稿人阿舍·佩雷斯则做出了更令人惊讶的举动：他在简报中表示，赫伯特的论文一定是错的——因此必须发表。佩雷斯坚信，尽管他找不到漏洞，但这个错误一定非常有趣，可能会激发未来的新发现。
佩雷斯不同寻常（甚至可以说是勇敢）的态度很快就得到了回报。三组物理学家仔细研究了赫伯特的论文：意大利的詹卡洛·吉拉迪 ( ) 和图利奥·韦伯 ( Weber)、美国的沃伊切赫·楚雷克 ( Zurek) 和比尔·乌特斯 (Bill ) 以及荷兰的丹尼斯·迪克斯 ( Dieks)。他们都发现赫伯特在计算信号接收器测量的结果时犯了一个小错误。赫伯特曾假设他的装置中的激光放大器会发射大量与原始光子状态相同的光子。但科学家们意识到，事实上，激光放大器无法制作出这样的单光子副本，而只能制作出一系列处于随机和混乱状态的光子，就像复印机将两幅不同的图片混合在一起，在一张纸上得到一团乱麻一样。
在研究赫伯特计划的过程中，三组物理学家发现量子力学有一个有趣的基本性质，人们至今还未意识到。FLASH系统的失败源于“量子不可克隆定理”，即对于一个未知的量子态，在不干扰它的情况下，不可能对其进行复制或克隆。这一定理使得后来的发明家无法利用量子理论制造超光速电报，从而让量子纠缠与爱因斯坦的相对论和平共处。换言之，一对量子粒子之间确实存在着跨越时空的联系，但这种联系永远无法用来以超光速传递信息。
很快，其他物理学家意识到量子不可克隆定理不仅是对赫伯特那篇奇怪论文的回应，而且为解决量子纠缠与相对论之间的冲突奠定了难得的基础。1984年，基于量子不可克隆定理，查尔斯·贝内特（ ）和吉尔斯·布拉萨德（ ）设计了第一个“量子加密”协议，这是一种防止潜在窃听者获取数字信号的全新方法。贝内特和布拉萨德意识到量子力学保证没有人可以复制未知的量子态，因此人们可以利用纠缠光子对秘密信息进行编码以进行信号传输。任何想截取传输中的光子并进行复制的人都会立即销毁他试图获取的信号，同时暴露自己。
近年来，量子加密已成为全球量子信息科学研究的前沿课题。奥地利物理学家安东·泽林格和瑞士物理学家尼古拉斯·吉辛等先后演示了可用于现实世界的量子加密银行转账和电子投票系统。赫伯特的FLASH计划虽然最终失败了，但也带来了不错的效果。
遗传悖论
第二个故事中，犯下错误的科学家是马克斯·德尔布吕克，他是美国范德堡大学教授，后来成为加州理工学院教授。他的老师玻尔在1932年的演讲《光与生命》中提出，对生命过程的理解会带来新的悖论，解决这些悖论将有可能让人们发现新的物理定律。德尔布吕克接受了这个观点。二战后，德尔布吕克与其他科学家一起，为分子生物学的创立做出了贡献。
20世纪40年代，生物学的一个关键问题是“什么是基因？”18世纪中叶，奥地利修道士孟德尔提出了遗传因子（后来称为基因）的概念，遗传因子有两大特性：一是能自我复制；二是能产生变异，即突变，并且能像原始基因一样忠实地复制。
然而，在 20 世纪 40 年代，没有人知道基因是由什么构成的，也不知道它们是如何复制的。正如量子物理学先驱埃尔温·薛定谔 (Erwin Schrö) 在其 1944 年的著名著作《生命是什么？》中所言，普通物理系统不会自我复制。基因的自我复制特性似乎违反了热力学第二定律。
德尔布吕克一直在寻找“原子基因”——创造遗传奇迹的不可分割的物理单位。作为一名杰出的物理学家，德尔布吕克意识到最有效的方法是研究最小、最简单的生命结构：病毒。他特意选择了噬菌体作为研究对象，噬菌体可以感染细菌，是最容易分离和培养的病毒之一。与其他病毒一样，噬菌体只能在宿主细胞内复制，但德尔布吕克试图避免这一步骤，因为他认为这是一个不必要的复杂过程。他与同事埃默里·埃利斯一起开发了一种培养方法，可以只关注噬菌体的繁殖，而不必担心被感染细菌细胞的复杂性。
德尔布吕克坚信基因是由蛋白质构成的，他认为只要搞清楚病毒蛋白质的复制方式，就能搞清楚基因，按照他的设想，研究病毒复制的最好方式就是直接观察病毒的复制过程。
但如何捕获正在复制的病毒以了解其过程呢？不同的噬菌体具有不同的复制时间。德尔布吕克和他的同事萨尔瓦多·卢里亚认为，如果他们用两种噬菌体感染同一种细菌，其中一种复制速度比另一种快，那么当细菌细胞壁破裂时，他们就可以捕获复制速度较慢的噬菌体的复制中间体。
双重感染实验并没有像预期的那样成功——卢里亚和德尔布吕克发现，一种病毒的感染会阻止另一种病毒的感染。几乎与此同时，美国宾夕法尼亚大学的托马斯·安德森（ ）在电子显微镜下检查了德尔布吕克和卢里亚使用的噬菌体样本。他发现病毒比人们以前想象的要复杂得多——它们显然包含远不止一个“原子基因”。噬菌体外形像蝌蚪，能附着在细菌外层引起感染，内部既有蛋白质，也有核酸。德尔布吕克以前想象的病毒与基因的一一对应关系逐渐被颠覆。
但德尔布吕克从未放弃。为了更好地了解某些细菌抵抗噬菌体感染的机制，他和卢里亚设计了所谓的突变反应实验。这项实验并没有揭示病毒的复制过程，但却通过一种巧妙的方法证明了细菌进化遵循达尔文定律：突变随机发生，偶尔会带来生存优势。这是细菌遗传学研究的一个里程碑，开辟了一个全新的研究领域。凭借这一成就，德尔布吕克和卢里亚获得了1969年的诺贝尔生理学或医学奖（与阿尔弗雷德·赫希共同获得）。
图2：正确的实验，错误的理论：马克斯·德尔布吕克和他的同事们想要揭开生命的秘密——基因是由什么组成的，它们是如何工作的。他们需要一种简单的生物来研究，于是他们选择了噬菌体——感染细菌的病毒。1943年，他们通过“突变反应实验”研究了病毒的繁殖。该实验借用了量子力学的技术，研究细菌如何对病毒感染产生抵抗力。该实验最初是为了研究病毒，但后来却成为细菌研究的一个里程碑。德尔布吕克当时并没有意识到这一点，后来他抱怨其他科学家根本没明白这一点。
然而突变反应实验本身并没有促进人们对病毒繁殖的认识，这让德尔布吕克十分失望。他甚至在 1946 年的一次公开演讲中抱怨道，自己对噬菌体的研究曾让所有人看到了细菌研究“爆炸性”的前景，但现在大家都在研究细菌，没人关注噬菌体了。而且人们逐渐发现，噬菌体会利用宿主大肠杆菌细胞内的资源进行繁殖——这与德尔布吕克最初的想法恰恰相反，宿主细菌在这个过程中是不可忽视的。
然而，德尔布吕克敏锐的直觉专注于简单的系统，仍然带来了丰硕的成果——尽管后来发现噬菌体比他想象的要复杂得多。噬菌体成为一代生物学家的模型生物，甚至启发詹姆斯·沃森发现DNA的结构。德尔布吕克精心选择了实验对象，并设计了开创性的研究方法。
20 世纪 50 年代，德尔布吕克完全放弃了噬菌体研究，转而专注于感知的生物物理学，这次他使用了一种名为 的真菌。他招募了一群年轻的物理学家来研究这种新的模式生物，但从未取得与噬菌体研究相同的成功。但他仍然批评其他噬菌体实验，他误判重大发现的倾向也因此而出名。当一位年轻的研究人员因德尔布吕克对他的实验计划的批评而感到沮丧时，加州理工学院的分子生物学家 Jean 鼓励他说，如果德尔布吕克喜欢一个想法，那么它一定没有未来。德尔布吕克对那些朝着正确方向前进的人所能给出的最高赞美是：“我一个字也不相信！”
公正评价
在物理学和生物学领域，聪明的科学家提出了错误的想法。这些非同寻常的错误推动了基础科学的发展。这些发现为研究项目带来了数十亿美元的资金，催生了新产业，并重塑了我们生活的世界。
但不容忽视的是，赫伯特和德尔布吕克的错误对他们的影响截然不同。德尔布吕克的科学生涯无疑是非常成功的，他重视非常规方法，对最优秀的科学研究也会进行最严格的审查，而且他的地位也足够高，可以提出开创性的理论。而赫伯特则相反，他的生活勉强维持，甚至不得不花时间申请公共援助——他的工作帮助人们更深入地理解量子理论，并引发了一场技术革命。这样的思想家显然不值得如此冷漠。
他们职业轨迹的巨大差异表明，我们应该采用一种新的核算方法来评估科学工作的价值。评估科学家的贡献永远不会像计算体育比赛那样清晰，你只需要计算三振出局数或助攻数。评估科学家的贡献之所以困难，部分原因是随着时间的推移，科学家会不断从自己的错误中寻找灵感，重新定义错误对科学的价值。然而，我们确实需要思考如何更好地奖励和鼓励那些虽有不足但仍能推动科学发展的创造性工作。
归根结底，每个人都会犯错。当今科学文献的数量表明，我们大多数人大多数时候都是错的。然而，一些错误可以在研究中发挥创造性的作用物理学家 贝尔，让科学家以意想不到的方式开辟新天地。当我们绞尽脑汁得出正确结论时，让我们休息一下，欣赏和庆祝推动科学进步的重要错误！
本文选自《环球科学》2012年7月号。
关于作者：
戴维·凯泽是麻省理工学院科学史教授、物理系高级讲师，拥有哈佛大学物理学和科学史博士学位。
安吉拉·NH·克里格是普林斯顿大学的历史学教授，研究方向为生物学史。她获得了加州大学伯克利分校的生物化学博士学位，随后在哈佛大学和麻省理工学院学习科学史。
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