今年物理诺奖成果的发现，离不开这些“一无是处”的错误

1 个错误观点的价值，可能远超 1000 个平庸的错误甚或狭隘的正确观点。这些错误触及世界的本质，因而能推动科学进步，带来重大突破。上个世纪在生物学和物理学领域的两个科学错误，就为今天蓬勃发展的生物技术和量子信息科学奠定了基础。

撰文 | 戴维 · 凯泽（David Kaiser）、安吉拉 · N · H · 克里杰（Angela N. H. Creager）

翻译 | 赵旭丹

与其他任何行业相比，科学可能都是最看重正确性的。当然，就像绝大多数普通人一样，多数科学家也都会犯下相当多的错误。但并非所有错误都可以相提并论。历史学家发现，在很多情况下，1 个错误观点的价值，可能远超 1 000 个平庸的错误甚或狭隘的正确观点。这些错误触及世界的本质，因而能推动更深入的研究，带来重大突破。它们虽然是错误，但如果没有了它们，科学的进展也许更加步履维艰。

比如，尼尔斯 · 玻尔（Niels Bohr）曾经构建了一个几乎一无是处的原子模型，但就是这个模型推动了量子力学革命的到来。阿尔弗雷德 · 魏格纳（Alfred Wegener）在大量的怀疑声中坚称，离心力导致大陆板块沿地球表面移动（或者说 " 漂移 "）。他确实观察到了这种现象，却给出了错误的解释。还有，恩里克 · 费米（Enrico Fermi）认为，他制造出了比铀核更重的原子核，而正如我们所知，他实际是无意中发现了核裂变。

另外两个非常重要的错误分别来自 20 世纪 70 年代的物理学领域，以及 20 世纪 40 年代的生物学领域，它们也颇有戏剧性地证明了错误对于科学的价值。现在看来，犯下这样的错误，并不是愚蠢的倒霉蛋偶尔走运而已。事实上，这些科学家提出了少有人想过的问题，综合考虑了一些很多人未曾考虑过的观点。在这个过程中，他们为今天蓬勃发展的生物技术和量子信息科学打下了重要的基础。他们固然犯了错，但时至今日，我们的世界依然要向他们的错误致谢。

光子克隆的幻影

第一个错误的根源可以回溯到量子力学创立初期就开始的一场著名争论：在量子理论的本质和根本意义这一问题上，爱因斯坦和玻尔进行了一系列精彩辩论。针对量子力学许多奇异的特性，爱因斯坦抛出了一些闻名于世的反驳意见。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，而不是确定的结果。爱因斯坦则反驳说：" 无论如何，我都坚信，上帝是不会掷骰子的。" 这场争论持续了 30 年之久，爱因斯坦和玻尔都无法说服对方。

几十年后，一位来自北爱尔兰的年轻物理学家约翰 · 贝尔（John Bell），重新思考了爱因斯坦和玻尔曾经争论过的问题。他回顾了爱因斯坦在 1935 年发表的一个思想实验：在这个实验中，爱因斯坦假定有一个粒子源能够发出成对的量子粒子——例如电子或光子，每对粒子向相反方向运动。当这两个粒子相互远离后，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，如果进行了测量，那么两个测量结果会有怎样的关系。

1964 年，贝尔发表了一篇非常简短、清晰的论文，他在文章中指出，根据量子力学，当人们进行测量时，在其中一个粒子上的测量结果——比如向右运动的粒子的自旋，必定取决于人们在测量向左运动的那个粒子的何种属性。因此，贝尔推断，如果一个理论对实验结果所作的预测与量子力学相同，它一定包含一个信号，或者 " 一种机制，使得无论两台测量设备相距多远，其中一台测量设备的设置都能影响到另一台测量设备的读数 "。他进一步得出结论："这个信号必须能即时传输。"这样的长距离关联就是现在我们熟知的 " 量子纠缠 "（quantum entanglement）。

图注 1：即时电报：1981 年，物理学家尼克 · 赫伯特利用量子力学的奇特特性，设计了一个通信系统，它能超光速传输信息。尽管根据爱因斯坦的相对论，这样的设备不可能存在，但在赫伯特最初提出这一方案时，却没有任何人能找到其中的任何错误。经过一段时间的深入研究，赫伯特的错误才浮出水面：基本粒子永远不可能按照赫伯特的方式被精确复制。物理学家依据这一现象，在量子信息科学领域取得了长足进展。

在当今物理学界，贝尔的论文几乎众人皆知，但在当时，这篇论文却并没有引起太多人的兴趣。即时信号传输与爱因斯坦的相对论相抵触，因为相对论认为，任何信号的传播速度都不会超过光速。尼克 · 赫伯特（Nick Herbert）是当时少数注意到贝尔论文的物理学家之一，他越来越关注这一问题，甚至逐渐压缩了他的日常工作。

当时，赫伯特是美国旧金山湾区的一名工业物理学家，同时也是一个古怪的非正式讨论小组的核心成员之一。这个小组叫做 " 基础务理小组 "（Fundamental Fysiks Group），成员们定期在伯克利聚会讨论，绝大多数是出身名校的年轻物理学家——赫伯特本人的博士学位是在美国斯坦福大学拿到的。但因为空前严重的就业危机，他们无法找到用武之地。以 1971 年为例，1 000 多名年轻的物理学家在美国物理学会的就业服务处进行了登记，竞争少得可怜的 53 个职位。

在 20 世纪 70 年代中期，赫伯特和朋友们没有工作，有大把的时间。于是，他们每周聚会一次，讨论隐藏在现代物理学深处的谜题，以及在他们正规的物理学科研训练中很少注意到的话题。很快，他们就被 " 贝尔定理 " 和量子纠缠迷住了。小组的另一个成员约翰 · 克劳泽（John Clauser，2010 年获沃尔夫物理学奖）设计了全世界第一个针对贝尔定理的实验，结果发现关于量子纠缠的诡异预测竟然是准确无误的。

与此同时，就在他们身边，整个旧金山湾区正充斥着对奇异现象的狂热兴趣，超感官知觉和预见未来之类的东西大行其道。《旧金山纪事报》（The San Francisco Chronicle）和其他主流报纸刊载了大量心灵感应实验的报道，而超自然现象的狂热分子已经开始庆祝一个新时代的到来了。赫伯特和他的伙伴们开始思考，贝尔定理似乎暗示着遥远物体之间神秘的跨时空关联，这是否能解释这段时间以来的诸多奇事。

赫伯特主要在思考贝尔所描述的量子粒子间的那种即时信号，他想知道用这样的信号传输信息是否可以超越光速。随即他开始为所谓的 " 超光速电报 " 制订方案：这一奇妙的装置将利用量子理论的基本属性，冲破相对论乃至物理学规则的藩篱。经过几次失败之后，赫伯特终于在 1981 年 1 月完成了他的 "FLASH" 方案。FLASH 这个缩写的全称是 " 第一个激光放大超光速联播系统 "（first laser-amplified superluminal hookup）。这个精心设计的激光系统被认为能超光速传输信号。

赫伯特的方案看上去无懈可击，他把这一设想写成文章，投给了一家学术期刊。该期刊的多个审稿人都被他的论述说服了。" 在赫伯特的实验方案中，我们找不到任何根本性缺陷，来说明这个方案与现行物理理论相悖，" 有两位审稿人说。而另一位审稿人亚瑟 · 佩雷斯（Asher Peres）则作出了更惊人的举动：他在简报中声明，赫伯特的论文一定是错误的——所以一定要发表。佩雷斯坚信，虽然自己无法找到漏洞所在，但这个错误一定相当耐人寻味，可能会启发未来的新发现。

佩雷斯不同寻常（甚至是勇气十足）的态度很快就得到了回报。三组物理学家仔细审查了赫伯特的论文，包括意大利的詹卡罗 · 吉拉尔迪（GianCarlo Ghirardi）和图里奥 · 韦伯（Tullio Weber）、美国的沃依切赫 · 祖里克（Wojciech Zurek）和比尔 · 乌特尔斯（Bill Wootters）以及荷兰的丹尼斯 · 迪克斯（Dennis Dieks）。他们都发现，赫伯特在计算接收信号的人所测量出的结果时，犯了一个小小的错误。赫伯特假定：在他的装置中，激光放大器能发出大量与初始光子状态相同的光子。但科学家意识到，事实上，激光放大器无法制造出这样的单光子拷贝，只能制造出一系列状态随机而杂乱的光子，就像复印机把两张不同的图片混在一起，得到满纸乱糟糟的内容。

在研究赫伯特方案的过程中，这三组物理学家发现，量子力学有一个人们尚未认识到的、很有趣的基本特性。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而言，无法在不干扰它的情况下复制或克隆它。这一定理使得后来的发明家们再也无法利用量子理论制造超光速电报，从而使量子纠缠与爱因斯坦的相对论和平共处。换句话说，一对量子粒子确实有着跨越时空的关联，但这样的关联永远不能用来超光速传输信息。

很快，其他一些物理学家意识到，量子不可克隆定理不仅是对赫伯特那篇奇特论文的回应，也为化解量子纠缠和相对论之间的对立奠定了难得的基础。1984 年，在量子不可克隆定理的基础上，查尔斯 · 贝内特（Charles Bennett）和吉尔斯 · 布拉萨德（Gilles Brassard）设计了第一个 " 量子加密 " 协议，这是一种全新的阻止潜在窃听者获取数字信号的方法。贝内特和布拉萨德意识到，量子力学保证了任何人都不可能复制未知的量子态，所以人们可以用纠缠光子来编码秘密信息，用于传输信号。任何人如果想截取传输途中的光子并加以复制，都会立即破坏他试图获取的信号，同时也会暴露自己。

近年来，量子加密已成为全世界量子信息科学研究的前沿课题。奥地利物理学家安东 · 蔡林格（Anton Zeilinger）和瑞士物理学家尼古拉斯 · 基辛（Nicholas Gisin）等已经做出了量子加密的银行转账和电子投票系统的演示版，可以在现实世界中使用。赫伯特的 FLASH 计划虽然最终未能成功，但也带来了不错的结果。

遗传学悖论

第二个故事中，犯错误的科学家是马克斯 · 德尔布吕克（Max Delbrück），他曾是美国范德比尔特大学的教授，后来又在加州理工学院担任教授。他的老师玻尔在 1932 年的演讲《光和生命》（Light and Life）中曾提出，对生命过程的了解会带来新的悖论，而解开这些悖论很可能会让人们发现新的物理学规律，德尔布吕克接受了这一观点。第二次世界大战之后，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 " 基因是什么 "。18 世纪中期，奥地利修道士格雷戈尔 · 孟德尔（Gregor Mendel）提出了遗传因子（后来被称为基因）的概念，它具有两大特性：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，没有人知道基因究竟是由什么构成，也不知道它们究竟如何复制。正如 1944 年量子物理学先驱埃尔文 · 薛定谔（Erwin Schrödinger）在他那本著名的《生命是什么》（What Is Life？）一书中所述，普通的物理系统是不会自我复制的。基因的自我复制特性似乎违背了热力学第二定律。

德尔布吕克所寻找的是 " 原子基因 "（atomic gene）——负责完成遗传这一奇迹的不可分割的物理单元。作为一个出色的物理学家，德尔布吕克意识到，最有效的方法莫过于研究最小、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，这种能感染细菌的病毒是最容易分离和培养的病毒之一。与其他病毒类似，噬菌体只能在宿主细胞内复制，而德尔布吕克则试图避开这个环节，因为在他看来，这属于不必要的麻烦。他与同事埃默里 · 艾里斯（Emory Ellis）一起发明了一种培养方法，可以把重点只放在噬菌体繁殖上，而不必考虑被感染细菌细胞内的复杂性。

德尔布吕克坚信，基因是由蛋白质构成的。他认为，只要理解了病毒的蛋白质如何复制，就可以理解基因。而根据他的构想，研究病毒复制的最佳方法莫过于直接观察它们的复制过程。

但如何捕获正在复制的病毒，从而理解这一过程呢？不同噬菌体的复制时间是不一样的，德尔布吕克和同事萨尔瓦多 · 卢里亚（Salvador Luria）认为，如果他们用两种噬菌体去感染同一细菌，其中一种噬菌体的复制速度比另一种快，那么，当细菌的细胞壁破裂时，他们就可以捕获到复制较慢的那种噬菌体的复制中间体。

双感染实验未能如预期般奏效——卢里亚和德尔布吕克发现，一种病毒的感染会阻止另一种的感染。几乎同时，美国宾夕法尼亚大学的托马斯 · 安德森（Thomas Anderson）在电子显微镜下，检查了德尔布吕克和卢里亚所用噬菌体的一份样本。他发现，病毒比人们此前想象的复杂得多——其中包含的 " 原子基因 " 显然远不止一个。噬菌体外形类似蝌蚪，能够附着到细菌外表面并引发感染，它们内部既有蛋白质又有核酸。德尔布吕克之前所设想的病毒与基因一一对应的关系逐渐被推翻。

然而，德尔布吕克绝不会就此放弃。为了更好地理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变异反应实验。这一实验未能揭示病毒的复制过程，但是通过精巧的方法证明，细菌的进化遵从达尔文定律：突变随机产生，偶尔会带来生存优势。这在细菌遗传学的研究中具有里程碑式的意义，开启了一个全新的研究领域。由于这项成果，德尔布吕克和卢里亚在 1969 年获得了诺贝尔生理学或医学奖 [ 与阿尔弗雷德 · 赫希（Alfred Hershey）分享 ] 。

图注 2：正确的实验，错误的理论：马克斯 · 德尔布吕克和同事想要揭开生命的奥秘——即基因由什么构成，它们如何工作。他们需要一种简单的生物体作为研究对象，因此选择了噬菌体——一种能感染细菌的病毒。1943 年，他们通过 " 变异反应实验 " 研究了病毒的繁殖。这项实验借鉴了量子力学的技术，来研究细菌如何产生对病毒感染的抵抗力。这一实验本来是研究病毒的，但后来成为了细菌研究中的一座里程碑。德尔布吕克当时并没有意识到这些，后来他还抱怨道，其他科学家根本没有抓住重点。

然而，变异反应实验本身并没能推动对病毒繁殖的了解，这让德尔布吕克感到十分失望，他甚至在 1946 年的一次公开演讲中抱怨，他在噬菌体上的研究，让大家看到了细菌研究的 " 爆炸性 " 前景，而现在，大家都跑去研究细菌，快没人理睬噬菌体了。而且，人们渐渐发现，噬菌体会利用宿主大肠杆菌（Escherichia coli）细胞内的资源来繁殖——这与德尔布吕克最初的设想恰恰相反，宿主细菌在这一过程中是完全不能被忽略的。

不过，德尔布吕克专注于简单系统的敏锐直觉还是带来了丰硕的成果——即使后来发现噬菌体比他所想象的复杂得多。噬菌体成为一代生物学家的模式生物，甚至启发詹姆斯 · 沃森（James Watson）发现了 DNA 的结构。德尔布吕克很好地选择了实验对象，并设计了开创性的研究方法。

20 世纪 50 年代，德尔布吕克全面放弃了对噬菌体的研究，专注于研究感官知觉的生物物理学原理，这一次他使用的是一种叫做须霉（Phycomyces）的真菌。他招募了一批年轻的物理学家，来研究这一新的模式生物，却再也没有取得像噬菌体研究那样的累累硕果。但他依然热衷于对其他噬菌体实验加以评判，他误判重大发现的倾向甚至成了一个传奇。曾经有一位年轻的研究人员因为德尔布吕克对其实验方案的批评而倍感沮丧，加州理工学院的分子生物学家珍 · 韦格勒（Jean Weigle）鼓励他说，如果德尔布吕克喜欢一个想法，那么这个想法一定毫无前途。对于那些沿着正确方向前进的人而言，来自德尔布吕克的最高赞赏莫过于 " 我一个字也不信！"

公正的评价

在物理学和生物学的例子中，聪明的科学家都提出了错误的观点。这些非同凡响的错误推动着各个基础学科大步向前。这些科学发现使数十亿美元的经费涌向大量的研究计划，诸多新产业如雨后春笋一般冒出来，重塑着我们所生活的世界。

然而，不可忽视的是，赫伯特和德尔布吕克的错误对他们本人的影响是完全不同的。德尔布吕克的科学事业无疑非常成功，他看重非常规方法，即使最好的科研工作，他也会给予最严苛的审视；他也有足够高的地位来提出惊世骇俗的学说。而赫伯特却相反，他几乎入不敷出，甚至需要花时间去申请公共救助——他的工作帮助人们更深入地理解了量子理论，引发了一场技术革命，这样一位思想者显然不该承受这般冷遇。

他们在职业轨迹上的巨大差异提示我们，是不是应该采用一种新的核算方法，来评价科学工作的价值。评估科学家的贡献永远不可能像统计体育比赛那么一清二楚——后者只须不断计算三振出局或者助攻的次数即可。评估科学家的贡献之所以很困难，部分原因是，随着时间的推移，科学家会不断从错误中寻找启示，从而重新定义某个错误对于科学的价值。然而，我们确实应该思考一下，如何更好地报偿和鼓励那些功亏一篑的创造性工作，它们虽然失败了，却依然推动了科学的发展。

说到底，每个人都会犯错。当今的科学文献数量极其庞大，这预示着我们中的多数人多数时候都是错误的。不过，有些错误会在研究中扮演创造性的角色，它会让科学家以出其不意的方式开辟出新的天地。在绞尽脑汁希望得到正确结论的同时，让我们稍作歇息，欣赏并赞美一下推动科学进步的重要错误吧！