今年物理諾獎成果的發現，離不開這些“一無是處”的錯誤

1個錯誤觀點的價值，可能遠超1000個平庸的錯誤甚或狹隘的正確觀點。這些錯誤觸及世界的本質，因而能推動科學進步，帶來重大突破。上個世紀在生物學和物理學領域的兩個科學錯誤，就為今天蓬勃發展的生物技術和量子資訊科學奠定了基礎。

與其他任何行業相比，科學可能都是最看重正確性的。當然，就像絕大多數普通人一樣，多數科學家也都會犯下相當多的錯誤。但並非所有錯誤都可以相提並論。歷史學家發現，在很多情況下，1個錯誤觀點的價值，可能遠超1 000個平庸的錯誤甚或狹隘的正確觀點。這些錯誤觸及世界的本質，因而能推動更深入的研究，帶來重大突破。它們雖然是錯誤，但如果沒有了它們，科學的進展也許更加步履維艱。

比如，尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）曾經構建了一個幾乎一無是處的原子模型，但就是這個模型推動了量子力學革命的到來。阿爾弗雷德·魏格納（Alfred Wegener）在大量的懷疑聲中堅稱，離心力導致大陸板塊沿地球表面移動（或者說“漂移”）。他確實觀察到了這種現象，卻給出了錯誤的解釋。還有，恩裡克·費米（Enrico Fermi）認為，他製造出了比鈾核更重的原子核，而正如我們所知，他實際是無意中發現了核裂變。

另外兩個非常重要的錯誤分別來自20世紀70年代的物理學領域，以及20世紀40年代的生物學領域，它們也頗有戲劇性地證明了錯誤對於科學的價值。現在看來，犯下這樣的錯誤，並不是愚蠢的倒黴蛋偶爾走運而已。事實上，這些科學家提出了少有人想過的問題，綜合考慮了一些很多人未曾考慮過的觀點。在這個過程中，他們為今天蓬勃發展的生物技術和量子資訊科學打下了重要的基礎。他們固然犯了錯，但時至今日，我們的世界依然要向他們的錯誤致謝。

光子克隆的幻影

第一個錯誤的根源可以回溯到量子力學創立初期就開始的一場著名爭論：在量子理論的本質和根本意義這一問題上，愛因斯坦和玻爾進行了一系列精彩辯論。針對量子力學許多奇異的特性，愛因斯坦丟擲了一些聞名於世的反駁意見。例如，根據量子力學的公式，物理學家只能預測各種事件的機率，而不是確定的結果。愛因斯坦則反駁說：“無論如何，我都堅信，上帝是不會擲骰子的。”這場爭論持續了30年之久，愛因斯坦和玻爾都無法說服對方。

幾十年後，一位來自北愛爾蘭的年輕物理學家約翰·貝爾（John Bell），重新思考了愛因斯坦和玻爾曾經爭論過的問題。他回顧了愛因斯坦在1935年發表的一個思想實驗：在這個實驗中，愛因斯坦假定有一個粒子源能夠發出成對的量子粒子——例如電子或光子，每對粒子向相反方向運動。當這兩個粒子相互遠離後，物理學家可以分別測量每個粒子的一些特性。貝爾想知道的是，如果進行了測量，那麼兩個測量結果會有怎樣的關係。

1964年，貝爾發表了一篇非常簡短、清晰的論文，他在文章中指出，根據量子力學，當人們進行測量時，在其中一個粒子上的測量結果——比如向右運動的粒子的自旋，必定取決於人們在測量向左運動的那個粒子的何種屬性。因此，貝爾推斷，如果一個理論對實驗結果所作的預測與量子力學相同，它一定包含一個訊號，或者“一種機制，使得無論兩臺測量裝置相距多遠，其中一臺測量裝置的設定都能影響到另一臺測量裝置的讀數”。他進一步得出結論：“這個訊號必須能即時傳輸。”這樣的長距離關聯就是現在我們熟知的“量子糾纏”（quantum entanglement）。

圖注1：即時電報：1981年，物理學家尼克·赫伯特利用量子力學的奇特特性，設計了一個通訊系統，它能超光速傳輸資訊。儘管根據愛因斯坦的相對論，這樣的裝置不可能存在，但在赫伯特最初提出這一方案時，卻沒有任何人能找到其中的任何錯誤。經過一段時間的深入研究，赫伯特的錯誤才浮出水面：基本粒子永遠不可能按照赫伯特的方式被精確複製。物理學家依據這一現象，在量子資訊科學領域取得了長足進展。

在當今物理學界，貝爾的論文幾乎眾人皆知，但在當時，這篇論文卻並沒有引起太多人的興趣。即時訊號傳輸與愛因斯坦的相對論相牴觸，因為相對論認為，任何訊號的傳播速度都不會超過光速。尼克·赫伯特（Nick Herbert）是當時少數注意到貝爾論文的物理學家之一，他越來越關注這一問題，甚至逐漸壓縮了他的日常工作。

當時，赫伯特是美國舊金山灣區的一名工業物理學家，同時也是一個古怪的非正式討論小組的核心成員之一。這個小組叫做“基礎務理小組”（Fundamental Fysiks Group），成員們定期在伯克利聚會討論，絕大多數是出身名校的年輕物理學家——赫伯特本人的博士學位是在美國斯坦福大學拿到的。但因為空前嚴重的就業危機，他們無法找到用武之地。以1971年為例，1 000多名年輕的物理學家在美國物理學會的就業服務處進行了登記，競爭少得可憐的53個職位。

在20世紀70年代中期，赫伯特和朋友們沒有工作，有大把的時間。於是，他們每週聚會一次，討論隱藏在現代物理學深處的謎題，以及在他們正規的物理學科研訓練中很少注意到的話題。很快，他們就被“貝爾定理”和量子糾纏迷住了。小組的另一個成員約翰·克勞澤（John Clauser，2010年獲沃爾夫物理學獎）設計了全世界第一個針對貝爾定理的實驗，結果發現關於量子糾纏的詭異預測竟然是準確無誤的。

與此同時，就在他們身邊，整個舊金山灣區正充斥著對奇異現象的狂熱興趣，超感官知覺和預見未來之類的東西大行其道。《舊金山紀事報》（The San Francisco Chronicle）和其他主流報紙刊載了大量心靈感應實驗的報道，而超自然現象的狂熱分子已經開始慶祝一個新時代的到來了。赫伯特和他的夥伴們開始思考，貝爾定理似乎暗示著遙遠物體之間神秘的跨時空關聯，這是否能解釋這段時間以來的諸多奇事。

赫伯特主要在思考貝爾所描述的量子粒子間的那種即時訊號，他想知道用這樣的訊號傳輸資訊是否可以超越光速。隨即他開始為所謂的“超光速電報”制訂方案：這一奇妙的裝置將利用量子理論的基本屬性，衝破相對論乃至物理學規則的藩籬。經過幾次失敗之後，赫伯特終於在1981年1月完成了他的“FLASH”方案。FLASH這個縮寫的全稱是“第一個鐳射放大超光速聯播系統”（first laser-amplified superluminal hookup）。這個精心設計的鐳射系統被認為能超光速傳輸訊號。

赫伯特的方案看上去無懈可擊，他把這一設想寫成文章，投給了一家學術期刊。該期刊的多個審稿人都被他的論述說服了。“在赫伯特的實驗方案中，我們找不到任何根本性缺陷，來說明這個方案與現行物理理論相悖，”有兩位審稿人說。而另一位審稿人亞瑟·佩雷斯（Asher Peres）則作出了更驚人的舉動：他在簡報中宣告，赫伯特的論文一定是錯誤的——所以一定要發表。佩雷斯堅信，雖然自己無法找到漏洞所在，但這個錯誤一定相當耐人尋味，可能會啟發未來的新發現。

佩雷斯不同尋常（甚至是勇氣十足）的態度很快就得到了回報。三組物理學家仔細審查了赫伯特的論文，包括義大利的詹卡羅·吉拉爾迪（GianCarlo Ghirardi）和圖裡奧·韋伯（Tullio Weber）、美國的沃依切赫·祖裡克（Wojciech Zurek）和比爾·烏特爾斯（Bill Wootters）以及荷蘭的丹尼斯·迪克斯（Dennis Dieks）。他們都發現，赫伯特在計算接收訊號的人所測量出的結果時，犯了一個小小的錯誤。赫伯特假定：在他的裝置中，鐳射放大器能發出大量與初始光子狀態相同的光子。但科學家意識到，事實上，鐳射放大器無法制造出這樣的單光子複製，只能製造出一系列狀態隨機而雜亂的光子，就像影印機把兩張不同的圖片混在一起，得到滿紙亂糟糟的內容。

在研究赫伯特方案的過程中，這三組物理學家發現，量子力學有一個人們尚未認識到的、很有趣的基本特性。FLASH系統的失敗，源於“量子不可克隆定理”，即對於一個未知的量子態而言，無法在不干擾它的情況下複製或克隆它。這一定理使得後來的發明家們再也無法利用量子理論製造超光速電報，從而使量子糾纏與愛因斯坦的相對論和平共處。換句話說，一對量子粒子確實有著跨越時空的關聯，但這樣的關聯永遠不能用來超光速傳輸資訊。

很快，其他一些物理學家意識到，量子不可克隆定理不僅是對赫伯特那篇奇特論文的迴應，也為化解量子糾纏和相對論之間的對立奠定了難得的基礎。1984年，在量子不可克隆定理的基礎上，查爾斯·貝內特（Charles Bennett）和吉爾斯·布拉薩德（Gilles Brassard）設計了第一個“量子加密”協議，這是一種全新的阻止潛在竊聽者獲取數字訊號的方法。貝內特和布拉薩德意識到，量子力學保證了任何人都不可能複製未知的量子態，所以人們可以用糾纏光子來編碼秘密資訊，用於傳輸訊號。任何人如果想擷取傳輸途中的光子並加以複製，都會立即破壞他試圖獲取的訊號，同時也會暴露自己。

近年來，量子加密已成為全世界量子資訊科學研究的前沿課題。奧地利物理學家安東·蔡林格（Anton Zeilinger）和瑞士物理學家尼古拉斯·基辛（Nicholas Gisin）等已經做出了量子加密的銀行轉賬和電子投票系統的演示版，可以在現實世界中使用。赫伯特的FLASH計劃雖然最終未能成功，但也帶來了不錯的結果。

遺傳學悖論

第二個故事中，犯錯誤的科學家是馬克斯·德爾布呂克（Max Delbrück），他曾是美國範德比爾特大學的教授，後來又在加州理工學院擔任教授。他的老師玻爾在1932年的演講《光和生命》（Light and Life）中曾提出，對生命過程的瞭解會帶來新的悖論，而解開這些悖論很可能會讓人們發現新的物理學規律，德爾布呂克接受了這一觀點。第二次世界大戰之後，德爾布呂克與其他科學家一起，為分子生物學的創立做出了貢獻。

20世紀40年代，生物學的一個關鍵問題是“基因是什麼”。18世紀中期，奧地利修道士格雷戈爾·孟德爾（Gregor Mendel）提出了遺傳因子（後來被稱為基因）的概念，它具有兩大特性：一是能自我複製；二是能產生變異，即突變，並且能像原始基因一樣忠實地複製。

然而，在20世紀40年代，沒有人知道基因究竟是由什麼構成，也不知道它們究竟如何複製。正如1944年量子物理學先驅埃爾文·薛定諤（Erwin Schrdinger）在他那本著名的《生命是什麼》（What Is Life？）一書中所述，普通的物理系統是不會自我複製的。基因的自我複製特性似乎違背了熱力學第二定律。

德爾布呂克所尋找的是“原子基因”（atomic gene）——負責完成遺傳這一奇蹟的不可分割的物理單元。作為一個出色的物理學家，德爾布呂剋意識到，最有效的方法莫過於研究最小、最簡單的生命結構：病毒。他特意選擇了噬菌體作為研究物件，這種能感染細菌的病毒是最容易分離和培養的病毒之一。與其他病毒類似，噬菌體只能在宿主細胞內複製，而德爾布呂克則試圖避開這個環節，因為在他看來，這屬於不必要的麻煩。他與同事埃默裡·艾里斯（Emory Ellis）一起發明了一種培養方法，可以把重點只放在噬菌體繁殖上，而不必考慮被感染細菌細胞內的複雜性。

德爾布呂克堅信，基因是由蛋白質構成的。他認為，只要理解了病毒的蛋白質如何複製，就可以理解基因。而根據他的構想，研究病毒複製的最佳方法莫過於直接觀察它們的複製過程。

但如何捕獲正在複製的病毒，從而理解這一過程呢？不同噬菌體的複製時間是不一樣的，德爾布呂克和同事薩爾瓦多·盧里亞（Salvador Luria）認為，如果他們用兩種噬菌體去感染同一細菌，其中一種噬菌體的複製速度比另一種快，那麼，當細菌的細胞壁破裂時，他們就可以捕獲到複製較慢的那種噬菌體的複製中間體。

雙感染實驗未能如預期般奏效——盧里亞和德爾布呂克發現，一種病毒的感染會阻止另一種的感染。幾乎同時，美國賓夕法尼亞大學的托馬斯·安德森（Thomas Anderson）在電子顯微鏡下，檢查了德爾布呂克和盧里亞所用噬菌體的一份樣本。他發現，病毒比人們此前想象的複雜得多——其中包含的“原子基因”顯然遠不止一個。噬菌體外形類似蝌蚪，能夠附著到細菌外表面並引發感染，它們內部既有蛋白質又有核酸。德爾布呂克之前所設想的病毒與基因一一對應的關係逐漸被推翻。

然而，德爾布呂克絕不會就此放棄。為了更好地理解某些細菌抵抗噬菌體感染的機制，他和盧里亞設計了所謂的變異反應實驗。這一實驗未能揭示病毒的複製過程，但是透過精巧的方法證明，細菌的進化遵從達爾文定律：突變隨機產生，偶爾會帶來生存優勢。這在細菌遺傳學的研究中具有里程碑式的意義，開啟了一個全新的研究領域。由於這項成果，德爾布呂克和盧里亞在1969年獲得了諾貝爾生理學或醫學獎［與阿爾弗雷德·赫希（Alfred Hershey）分享］。

圖注2：正確的實驗，錯誤的理論：馬克斯·德爾布呂克和同事想要揭開生命的奧秘——即基因由什麼構成，它們如何工作。他們需要一種簡單的生物體作為研究物件，因此選擇了噬菌體——一種能感染細菌的病毒。1943年，他們透過“變異反應實驗”研究了病毒的繁殖。這項實驗借鑑了量子力學的技術，來研究細菌如何產生對病毒感染的抵抗力。這一實驗本來是研究病毒的，但後來成為了細菌研究中的一座里程碑。德爾布呂克當時並沒有意識到這些，後來他還抱怨道，其他科學家根本沒有抓住重點。

然而，變異反應實驗本身並沒能推動對病毒繁殖的瞭解，這讓德爾布呂克感到十分失望，他甚至在1946年的一次公開演講中抱怨，他在噬菌體上的研究，讓大家看到了細菌研究的“爆炸性”前景，而現在，大家都跑去研究細菌，快沒人理睬噬菌體了。而且，人們漸漸發現，噬菌體會利用宿主大腸桿菌（Escherichia coli）細胞內的資源來繁殖——這與德爾布呂克最初的設想恰恰相反，宿主細菌在這一過程中是完全不能被忽略的。

不過，德爾布呂克專注於簡單系統的敏銳直覺還是帶來了豐碩的成果——即使後來發現噬菌體比他所想象的複雜得多。噬菌體成為一代生物學家的模式生物，甚至啟發詹姆斯·沃森（James Watson）發現了DNA的結構。德爾布呂克很好地選擇了實驗物件，並設計了開創性的研究方法。

20世紀50年代，德爾布呂克全面放棄了對噬菌體的研究，專注於研究感官知覺的生物物理學原理，這一次他使用的是一種叫做須黴（Phycomyces）的真菌。他招募了一批年輕的物理學家，來研究這一新的模式生物，卻再也沒有取得像噬菌體研究那樣的累累碩果。但他依然熱衷於對其他噬菌體實驗加以評判，他誤判重大發現的傾向甚至成了一個傳奇。曾經有一位年輕的研究人員因為德爾布呂克對其實驗方案的批評而倍感沮喪，加州理工學院的分子生物學家珍·韋格勒（Jean Weigle）鼓勵他說，如果德爾布呂克喜歡一個想法，那麼這個想法一定毫無前途。對於那些沿著正確方向前進的人而言，來自德爾布呂克的最高讚賞莫過於“我一個字也不信！”

公正的評價

在物理學和生物學的例子中，聰明的科學家都提出了錯誤的觀點。這些非同凡響的錯誤推動著各個基礎學科大步向前。這些科學發現使數十億美元的經費湧向大量的研究計劃，諸多新產業如雨後春筍一般冒出來，重塑著我們所生活的世界。

然而，不可忽視的是，赫伯特和德爾布呂克的錯誤對他們本人的影響是完全不同的。德爾布呂克的科學事業無疑非常成功，他看重非常規方法，即使最好的科研工作，他也會給予最嚴苛的審視；他也有足夠高的地位來提出驚世駭俗的學說。而赫伯特卻相反，他幾乎入不敷出，甚至需要花時間去申請公共救助——他的工作幫助人們更深入地理解了量子理論，引發了一場技術革命，這樣一位思想者顯然不該承受這般冷遇。

他們在職業軌跡上的巨大差異提示我們，是不是應該採用一種新的核算方法，來評價科學工作的價值。評估科學家的貢獻永遠不可能像統計體育比賽那麼一清二楚——後者只須不斷計算三振出局或者助攻的次數即可。評估科學家的貢獻之所以很困難，部分原因是，隨著時間的推移，科學家會不斷從錯誤中尋找啟示，從而重新定義某個錯誤對於科學的價值。然而，我們確實應該思考一下，如何更好地報償和鼓勵那些功虧一簣的創造性工作，它們雖然失敗了，卻依然推動了科學的發展。

說到底，每個人都會犯錯。當今的科學文獻數量極其龐大，這預示著我們中的多數人多數時候都是錯誤的。不過，有些錯誤會在研究中扮演創造性的角色，它會讓科學家以出其不意的方式開闢出新的天地。在絞盡腦汁希望得到正確結論的同時，讓我們稍作歇息，欣賞並讚美一下推動科學進步的重要錯誤吧！

本文選自《環球科學》2012年7月刊。

撰文 | 戴維·凱澤（David Kaiser）、安吉拉·N·H·克里傑（Angela N。 H。 Creager）

翻譯 | 趙旭丹

作者介紹：

戴維·凱澤是美國麻省理工學院的科學史教授，也是物理學系的高階講師。他在哈佛大學取得物理學和科學史兩個博士學位。

安吉拉·N·H·克里傑是美國普林斯頓大學的歷史學教授，主要研究生物學史。她早年在加利福尼亞大學伯克利分校取得生物化學博士學位，隨後在哈佛大學和麻省理工學院進修科學史。