沒有牛頓、愛因斯坦，物理學將會怎樣？

如果沒有牛頓和愛因斯坦，物理學會怎樣？如果沒有達爾文，生物學又會是怎樣的呢？

撰文 Philip Ball

翻譯 王瀚宸

審校 張珂 撖靜宜

一種觀點認為，科學界並不會發生任何改變，他們發現和建立的理論遲早都會產生。這對於一直把這些大師奉為「科學巨人」的我們來說，或許是件奇怪的事。他們建立了學科的體系和標準，廣受尊敬，有很多機構、物理定律，甚至化學元素都以他們命名（如第99號元素鎄Einsteinium）。然而在科學前進的腳步中，他們說不定在某種程度上並非不可或缺。

但事實真的是這樣嗎？要找到這個問題的答案，我們必須問：如果不存在這些科學大咖，有沒有誰能做出同樣的發現？這種「反事實歷史」的觀點總是被一些歷史學家所嘲笑，但是對於科學家來說，這種思維遊戲或許很有意義：它能讓我們去重新審視，甚至去挑戰我們建立的關於「科學巨人」的神話，也能幫助我們思考科學運行的方式：一個新的觀點是如何從當時的歷史背景，和偶然的時間，以及科學家自身的奇思妙想中產生的。

首先，最可能取代天才的自然是另一位天才。這也許會讓我們意識到，把歷史進程的推動全都歸功於個人的「偉人史觀」在科學中可能並不適用。你可能會好奇這個過程中是否存在著一些選擇效應：有些因為不是某個定理的最終發現者而被我們忽視的人，也有成為發現者的可能。然而，事實可能不是「英雄造時勢」，而是「時勢造英雄」，偉跡總會出現，不在這個方向就在另一個方向。

我是有意用「偉人（Great man）」這個詞（這個詞含有man，暗示特指男性），因為在我們的科學偉人候選列表中，並不存在女性——直至20世紀初期，女性都幾乎被禁止踏入科學界。甚至當我們尋找居里夫人的替代者時，也普遍被認為他/她更可能是一位男性。但是諾貝爾科學獎的數據表明，即使是如今，這種排擠女性的現象並沒有得到太大的改善。輕視另一半人類（女性）的天賦和創造力，這種行為是愚蠢且可恥的。而在這裡，我也希望能給科學界忽視女性的現象引來更多重視。

沒有哥白尼，日心說會由誰來提出？

——約翰內斯·開普勒（Johannes Kepler）

一些偉大的發現是沒有辦法找到先例的，認為地球圍繞著太陽旋轉而不是太陽繞著地球旋轉的日心說就屬於這種類型。這是科學史中非常關鍵的一步，它取代了人類自認為是宇宙中心的思想。這一發現被波蘭天文學家尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus）詳細地記錄在他的著作《天體運行論》（De revolutionibus orbium coelestium）中，這本書在他臨終之際出版（1543年）。

古希臘數學家阿利斯塔克斯（Aristarchus of Samos）在公元前3世紀就提出了一種類似於日心說的理論；在15世紀中葉，德國的紅衣主教尼古拉斯（Nicholas of Cusa）也提出疑問：整個宇宙是否存在著一個確定的中心？但跟之前僅是猜測的理論不同，哥白尼學說是首個建立在對現有行星運動數據進行數學演算的基礎上的日心說。

哥白尼差一點就打算永遠掩埋自己的發現，多虧有一個叫做格奧爾格·雷蒂庫斯（Georg Rheticus）的奧地利教授在哥白尼辭世前，及時地說服他發表自己的著作。那麼我們不禁會想，如果沒有哥白尼，或是他去世得再早一些，那麼誰又能夠得到相同的結論呢？

16世紀的其他天文學家，比如德國的伊拉斯謨·賴因霍爾德（Erasmus Reinhold）和克里斯托弗·克拉維於斯（Christopher Clavius），他們也都擁有足夠的數學功底和敏銳的觀察力，但他們在思想體系上都仍然支持地心說。而在布拉格工作的丹麥人第谷·布拉赫（Tycho Brahe），則是在16世紀70年代提出了一種太陽圍繞著地球轉，同時其他星球圍繞著太陽轉的模型。

但我認為，如果沒有哥白尼，日心說的飛躍就得推遲到17世紀初才會發生。我們知道伽利略因為大力推崇哥白尼的理論從而得罪了羅馬的天主教會，他不僅勇於懷疑權威，也有精湛的數學技巧，應有足夠的能力自己推導出日心說。但我也覺得，第谷的門徒、伽利略的助手，德國人約翰內斯·開普勒可能會先得出這一理論。因為他能夠得到第谷優質的觀測數據，同時也擅長相關的數學技巧，最重要的是他也同哥白尼一樣，認為以太陽為中心的宇宙是更和諧的。敢於把太陽放在宇宙的中間，不僅需要理性思維，也要有相應的美學素養，而開普勒把這些都集於一身。

沒有牛頓，運動定律由誰來發現？

——克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）

人們或許很容易認為，科學巨人艾薩克·牛頓的思考已經遠遠超過了他所生活的時代——17世紀末。但其實，英國皇家學會當時最傑出的人物之一，著名的實驗科學家羅伯特·波義耳（Robert Boyle），也曾猶豫過是否要根據自己的觀察提出類似的假說。牛頓最著名的死對頭羅伯特·胡克（Robert Hooke）非常擅長儀器操作，但總是傾向於用過於細緻的解釋讓一個具有前景的觀點變得複雜和難以理解。而牛頓則相反，他擅長從簡單觀察中總結出根本法則。最有名，也最令人印象深刻的是，他將天文學從一門僅僅研究天體怎樣運動的科學轉換為研究為什麼會這樣運動的科學：你只需要一個萬有引力定律，就可以解釋行星、衛星運行軌道的形狀，以及彗星的軌跡。

這些原理都囊括在牛頓的《自然哲學的數學原理》一書中，這本書發表在1687年，彼時胡克曾宣稱自己能夠輕易解釋行星的橢圓狀運行軌道原理，牛頓正是聽到了這一宣稱才發表了自己的著作。在他解釋行星運動之前，牛頓必須建立基礎的運動定律。他在該書中描述的運動三大定律成了經典力學的基石。簡單概括如下：1.在無外力作用下，物體保持勻速直線運動或者靜止；2.力等於質量乘以加速度；3.對於任意一個力，總存在一個大小相同、方向相反的反作用力。

這些定律是簡明、完備、精鍊的，並且十分優雅。除了牛頓，能有其他人在那個時代完成這樣的壯舉嗎？

我認為在英國皇家學會是找不到另一個牛頓的，因為在皇家學會中雖然有波義耳和胡克這樣真正的科學家，也有像塞繆爾·佩皮斯（Samuel Pepys）這樣對科學一知半解的紳士。但在科學會中眾多來自歐洲大陸的通訊作者中，至少有一位天才可能完成這個成就。即使在那個年代豐富的判斷標準中，來自荷蘭的克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）都算得上是一位博學多才的人：他是一名數學家、天文學家（首次觀測了土星環）、發明家，並且擅長光學和概率論。他尤其擅長設計鐘錶，在這方面，他還因為一項科學發現的優先權跟脾氣不好的胡克鬧了矛盾。1673年，牛頓在《自然哲學的數學原理》中也採用了惠更斯關於擺鐘的力學理論作為模型。

牛頓第一定律嚴格來算並不是由他本人發現的，慣性定律，即運動的物體有保持其原有運動狀態的能力，本質上是由伽利略陳述的，而且惠更斯也認同這個定律。惠更斯也即將通過關於碰撞的研究揭示出第三定律，而且他基本上也獨立地寫出了第二定律的另一個版本。因此，惠更斯擁有提出當今被我們稱為「牛頓力學」基礎的條件。

沒有愛因斯坦，誰來提出狹義相對論呢？

——詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）

想像這些經典理論可能由其他的什麼人通過什麼方式提出，這一思想過程並不僅僅是為了尋求樂趣——它也能切實有效地幫助我們認清問題。愛因斯坦曾說，他是通過思考自己隨著光束一起運動才最終得出狹義相對論的，這確實能讓人感受到他驚人的創造力，但是人們還是很難去理解究竟是什麼啟發他提出這樣的想法。他提出狹義相對論並不是為了解釋為什麼19世紀80年代的邁克爾孫-莫雷（Michelson-Morley）實驗沒能夠探測到以太（註：以太是19世紀科學家們假象出作為光傳播介質的物質）：愛因斯坦對於這些實驗所起的作用前後態度並不一致，但顯而易見的是，他並不是很在乎這一實驗的結果。

但是，19世紀末的物理學界之所以需要狹義相對論，主要是因為19世紀60年代蘇格蘭科學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋提出了麥克斯韋方程組。麥克斯韋方程組統一了電和磁，並以此預言了光速。速度通常是受各種因素影響的，例如聲速就取決於它傳播的介質。但是如果麥克斯韋方程是一條物理法則的話，那麼不管參考系怎麼運動，光速始終是一個常量。愛因斯坦的狹義相對論把這當做是最基礎的假設，進而推演出了尺縮效應、鐘慢效應等等。

在愛因斯坦之前，已經有人在嘗試將電磁理論與運動統一，比如荷蘭物理學家亨德里克·洛倫茲（Hendrik Lorentz）。這個理論確實也包括了時空收縮，即使很勉強，而且還是建立在以太存在的基礎之上的。但洛倫茲很有可能最終也能跟愛因斯坦一樣得出以太不存在的結論，進而發現狹義相對論。但是我認為，如果歷史重寫，麥克斯韋本人更可能實現這一過程，儘管1905年的時候他已經去世了。麥克斯韋死於1879年，年僅48歲，但直到生命最後一刻他都活躍在物理學界。他對物理學有著十分深刻的見解，否則也不會將電與磁聯想在一起，並且得出了光速。

如果再給他二十年，隨著人們對於以太越來越懷疑，我覺得麥克斯韋也能夠建立狹義相對論。 愛因斯坦也說：「我不是站在牛頓的肩膀上，而是麥克斯韋的。」

廣義相對論

——赫爾曼·閔可夫斯基（Hermann Minkowski）

1916年，愛因斯坦提出了廣義相對論——這是一種關於引力的新觀點，接替了牛頓兩個多世紀前提出的引力理論。愛因斯坦認為這種被叫做引力的力起源於四維時空結構的彎曲，同時僅對有質量的物體起作用。這種彎曲引起了引力場中物體的加速運動，比如說一個很高的物體會勻加速地落下地面。這就是廣義相對論的主要思想，它仍然是目前關於引力最好的理論，同時還能夠解釋行星的軌道、恆星崩塌進入黑洞以及宇宙的膨脹。 這是愛因斯坦最引人注目、令人尊敬的工作。

請允許我這裡再一次違背這個預測遊戲的規則，如果另一個科學家當時還在世，那麼取得這些成績的可能就不是愛因斯坦了。這個人就是來自德國的數學家赫爾曼·閔可夫斯基, 他是愛因斯坦在蘇黎世上學時候的老師。閔可夫斯基的大部分工作都是在純數學領域，但他也從事一些物理方面的研究。

在1908年，閔可夫斯基用四維時空的觀點揭示了理解愛因斯坦狹義相對論的正確方式（狹義相對論只考慮慣性參考系，即所有的物體都以恆定的速度運動，沒有加速度）。愛因斯坦對此起初是懷疑的，但隨後他在此基礎上建立了廣義相對論。

閔可夫斯基也早已意識到了構建廣義相對論的重要性。他認為勻速運動的物體在時空中的軌跡是一條直線，而加速物體的軌跡是曲線的。在三維空間中，月亮受引力作用圍繞著地球做運動的軌跡大致是環形的。而在四維空間中，這個軌跡更像是一個螺旋，它在空間中不斷地旋轉，在不同的時間回到空間的同一個位置。

當然廣義相對論不僅僅包含這些，還包含質量。愛因斯坦認為，是質量使得時空變成了這種彎曲的、非歐幾何的形狀。但是關於非歐幾何時空的觀點是閔可夫斯基提出的，因此，由閔可夫斯基本人，或者他與哥廷根大學的數學家大衛·希爾伯特（David Hilbert）合作，將這個觀點完善成成熟的引力理論也完全是可能的。

從1907年閔可夫斯基在哥廷根大學做的講座來看，那時他已經開始用相對論和時空的觀點來思考引力。但是他距離得出最終的理論還有多久，人們不得而知：他在1909年驟然離世，年僅44歲。

那量子力學呢？

——約瑟夫·湯姆孫（J. J. Thomson）

量子力學最初的發現，應該算得上是所有偉大發現中最偶然的甚至是最勉強的。1900年德國物理學家馬克斯·普朗克（Max Planck）發現量子完全是個意外，他把這一發現叫做「幸運的猜測」，因為他只是用了一個數學技巧使方程與實驗現象吻合：在理解熱的物體（比如亮著的燈泡或是星星）是如何發射輻射的過程中，他提出組成物體粒子的振動能量可以分為一個個能量正比于振動頻率的「量子」，最終得出的方程也實驗一致符合。但是，普朗克只認為這是個數學技巧，並不同意真實的能量就是量子化的。他建議物理學家謹慎對待將量子假說引入物理學中的想法。

獲得了諾貝爾物理獎的威廉·維恩（Wilhelm Wien）是這類「黑體輻射」的問題的專家。維恩差一點就有重大發現，1900年他提出E = 3/4mc^2（同愛因斯坦的E = mc^2隻差了另1/4），而且1898年他還首次觀察到了質子，但他當時並沒有意識到自己發現了什麼。所以我認為維恩太過於保守，以至於不能夠像普朗克一樣發現量子。

可是，我認為，如果沒有維恩在黑體輻射上的貢獻，就沒有人為普朗克之後的工作提供鋪墊了，那麼能量量子化理論則可能經歷另一種途徑。「量子化」要求原子吸收和放出的光只能在特定的頻率，因為只有特定能量的光量子才能激發電子從一個能級躍遷到另一個能級。原子中的電子只能呆在這些分裂的能級上，從而保證原子結構的穩定性。只有這樣，電子並不會像理論物理預言地那樣，在圍繞原子運動的過程中逐漸喪失能量，並最終墜落到原子核上。因此，隨著20世紀早期的原子內部結構理論不斷發展，量子化這一概念遲早會被引入。

那麼，量子化又可能會被誰提出呢？歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）是原子結構方面的專家，但是他太偏向實驗主義，而且不願意接受大膽的猜測。丹麥物理學大師尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）是從量子觀點解釋原子的第一人，但他提出的理論也依賴於普朗克和愛因斯坦此前在能量量子上的建樹。我忍不住想，發現了電子的英國物理學家約瑟夫·湯姆孫（J. J. Thomson）與盧瑟福和玻爾共事了那麼長時間，他怎麼沒有想過原子的量子化呢？他在原子理論方面是專家，同時也是使用X射線觀察原子中的量子躍遷的查爾斯·格洛弗·巴克拉（Charles Glover Barkla）的導師。更重要的是，他活到了1940年，他可能能夠以一種更堅定的態度提出量子學說。

沒有沃森、克里克，誰來提出DNA結構？

——羅莎琳德·富蘭克林（Rosalind Franklin）

如果詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）不是先在1953年發現了DNA的雙螺旋結構的話，我認為提供了關於DNA結構關鍵數據的英國晶體學家羅莎琳德·富蘭克林可能也會完成這一發現。沃森是看到了由富蘭克林和學生雷蒙德·戈斯林（Raymond Gosling）做出的DNA的X射線衍射晶體圖時，才最終確信了DNA的雙螺旋結構。沃森是從莫里斯·威爾金斯（Maurice Wilkins）那裡得到的這些數據，當時富蘭克林為威爾金斯工作。但威爾金斯和富蘭克林在倫敦國王學院相處得很不愉快，而且威爾金斯這麼做並沒有得到富蘭克林的允許。無論如何，確實是這些數據激發沃森和克里克推導出DNA是雙螺旋結構，並且兩條鏈是由編碼基因的鹼基互補配對通過微弱的化學鍵（氫鍵）連接起來的。

在沃森1968年發表的科學研究自傳《雙螺旋：發現DNA結構的故事》（The Double Helix）中，我們或許可以看出沃森對富蘭克林太不公平，而沃森如今也因他的「直男癌」所廣被詬病。不過，與聰明、有直覺力的克里克和率性年輕的沃森相比，富蘭克林可能會因為太過保守以至於不能夠僅憑藉微弱的證據去發現已成為今日科學基石的DNA雙螺旋結構，因為她知道當時的科學界是經不起女科學家去犯錯誤的。

所以我很高興聽到，對DNA歷史有著深入研究的、來自曼徹斯特大學的動物學家馬修·科布（Matthew Cobb）在他2015年出版的《生命的最大秘密》（Life』s Greatest Secret）一書中自信地告訴我們，這個擔憂是不存在的，富蘭克林可以獨立發現DNA雙螺旋結構。「她（指富蘭克林）在被孤立、沒有與他人討論的前提下，憑藉自己工作取得了獨立性進展，這無與倫比。」科布在《衛報》（The Guardian）中寫道。因DNA方面工作獲得諾獎的英國生物化學學家阿龍·克盧格（Aaron Klug）發現，1953年3月，就在沃森和克里克邀請富蘭克林和威爾金斯去看他們的DNA模型的幾周前，富蘭克林的筆記本顯示她已經意識到，DNA是雙螺旋結構而且兩條鏈在化學結構上是互補的，這種互補的性質使得DNA能夠根據其中一條來複制另外一條。而這正是沃森和克里克在同年四月份的發表在《自然》（Nature）上的文章中最引人矚目的一點。

「克里克和我討論過這種可能好幾次了，」克盧格在《分子生物學》（Molecular Biology）中寫道，「我們認為她能夠解出這個結構，但是她的結果可能只會逐漸地被發現，而不會像發表在《自然》上的論文一樣一鳴驚人。」無論如何，她對於這項發現的貢獻都是不可否定的。「很顯然，如果富蘭克林當時還活著，諾貝爾獎委員會應該也會頒發給她一枚獎章。」科布寫道。

另一位可能會爭奪這一發現的人是來自劍橋大學的美國化學家萊納斯·鮑林（Linus Pauling）。鮑林在1953年初就率先提出了一種主鏈在內、鹼基在外的三螺旋的DNA結構。但這在化學上顯然說不通，所以沃森和克里克本來還很擔心他搶先，但看到他提出的結構反而鬆了口氣。如果沒有這次過失，鮑林或許也可以最終發現DNA結構，但他並沒有富蘭克林的X射線數據。「鮑林擁有很深刻的洞察力，但他並不是不靠數據就能得出正確結論的魔術師。」克盧格寫道。

美國化學家萊納斯·鮑林

那達爾文的自然選擇理論呢？

有時候重大發現或突破性進展會同時由不同的人完成。比如說萊布尼茨（Leibniz）和牛頓之於微積分，席勒（Scheele）、普利斯特里（Priestley）和拉瓦錫（Lavoisier）之於化學元素氧，當然其中最著名的，還是當屬查爾斯·達爾文（Charles Darwin）和阿爾弗雷德·拉塞爾·華萊士（Alfred Russel Wallace）在1858年發表的關於自然選擇的進化論。

對於這個發現而言，我們可以說當時社會的時機已經成熟，進化論總會由某個人提出來，或早或晚。如果真的是這樣，那麼舉出其他可能做出這個發現的候選人應該不是很困難。如果我們把達爾文和華萊士排除在外，誰還能夠完成這項工作呢？

查爾斯·達爾文

達爾文在出版《物種起源》（the Origin of Species）後擁有了一批支持者，但是我認為他們中沒有人能夠自己推導出這個結論。華萊士的進化理論與達爾文相比並不是完全一樣，儘管達爾文的自傳作家阿德里安·德斯蒙德（Adrian Desmond）和詹姆斯·穆爾（James Moore）說，在某種程度上來說，達爾文從華萊士的文章中簡直像是「讀到了自己的思想」。當然，達爾文自己也承認。

我諮詢了匹茲堡大學的歷史學家和哲學家詹姆斯·倫諾克斯（James Lennox），他是達爾文理論歷史方面的專家，我問他，有誰可能取代達爾文和華萊士提出自然選擇學說。他的回答令人眼前一亮：那麼整個你所熟知的故事可能都會被改寫了。

「如果你從頭到尾讀完達爾文關於物種的筆記，你就可以感受到他的掙扎。你可以再去看達爾文在1842年的初版和1844年修訂後的版本，這可謂是他想要清楚得表達自己理論所做的前兩次嘗試，你把這兩篇著作里的理論與《物種起源》做一下對比。我認為，我們很有可能會在今天見到同樣也是由達爾文提出的，但卻完全不一樣的另一套進化理論。」萊諾斯這樣說道。總之，在19世紀末和20世紀初，人們仍然在激烈地討論關於達爾文理論的替代理論，而在當時，萊諾斯認為，「各種各樣的非達爾文理論至少與達爾文理論一樣流行。」當時，諸如荷蘭人胡戈·瑪麗·德弗里斯（Hugo de Vries）等一批傑出的遺傳學家，都支持「跳躍式演化」，而不是達爾文所說的漸進式演化。只要關於「宏觀演化（marcoevolution）」的研究還在進行，那麼「跳躍式演化」的觀點就會存在。現代生物學家史蒂芬·傑伊·古爾德（Stephen Jay Gould）和尼爾斯·埃爾德雷奇（Niles Eldredge）提出的理論「間斷平衡（Punctuated equilibrium）」與之類似。（註：「間斷平衡」理論認為行有性生殖的物種可在某一段時間中，經歷相對傳統觀念而言較為快速的物種形成過程，之後又經歷一段長時間無太大變化的時期。）

雖然達爾文的自然選擇學說是「正確」的理論，但是如果沒有它的話，我們還能走到今天這一步嗎？答案是肯定的。儘管人們仍在爭論「物競天擇，適者生存」是不是理解物種進化的最好方式，但目前的觀點還是達爾文觀點的調整和延伸，比如考慮了遺傳漂變的影響，並誕生了一門名叫「演化發育生物學（Evolutionary developmental biology，簡稱evo-devo）」的新學科，它是演化生物學與發育生物學的結合。那麼，如果我們沒有類似物種起源的理論作為基礎，我們真的也能達到今天這一步嗎？「我認為是完全有可能的。」倫諾克斯說道。

對達爾文進化理論的研究，也讓我們對整個反史實的探索帶來了更多啟示。科學給我們帶來了客觀、實用的理論，有了科學，我們才能夠解釋和預測我們在這個世界的所見所聞。不過，特定的理論都有特定的風格，不論在它的內容、強調的重點還是它使用的隱喻方面。比如說，達爾文就不一定非得要用「自私的基因」來舉例子。在其他領域也一樣：就算沒有理查德·費曼（Richard Feynman）提出的形象化的費曼圖，量子電動力學也一樣能夠誕生。不過，我們對這個世界的理解有著太多開拓者留下的印記。從這個意義上講，科學家們並沒有我們想像的那麼容易被取代。

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