如果沒有牛頓和愛因斯坦，化學會怎樣？ 如果沒有達爾文，生物學將會怎樣？
作者：鮑爾
譯者王漢臣
校對
一種觀點認為，科學界不會發生任何改變，他們發現和完善的理論遲早會出現。 這對于至今仍將那些大師視為“科學巨人”的我們來說，其實是一件奇怪的事情。 他們構建了學科的體系和標準，受到廣泛的尊重和愛戴。 許多機構、物理定理、甚至物理元素都是以他們的名字命名的（例如第99號元素锿）。 但在某種程度上，它們對于科學的進步來說可能并不是不可或缺的。
但事實真的是這樣嗎？ 要找到這個問題的答案，我們必須問：如果沒有這么偉大的科學家，會有人做出同樣的發現嗎？ 這些“反事實歷史”觀點一直受到一些歷史學家的攻擊，而對于科學家來說，這些心理游戲其實非常有意義：它讓我們重新思考甚至挑戰我們構建的“科學巨人”。 《神話》還可以幫助我們思考科學的運作方式：一個新的視角是如何從當時的歷史背景、偶然的時間以及科學家本人的奇思妙想中形成的。
首先，最有可能替代天才的自然是另一個天才。 這顯然讓我們認識到，把歷史進程的一切進步都歸咎于個人的“偉人之爭”在科學上可能并不適用。 你可能會想，這個過程中是否存在某種選擇效應：一些因為不是某個定律的最終發現者而被我們忽視的人也可能成為發現者。 然而，事實或許不是“英雄造就時代”，而是“時代造就英雄”。 偉大的事跡總會出現，如果不是這個方向，那就是另一個方向。
我故意使用“偉人”這個詞（這個詞富含男性成分，暗示它專指女性），因為我們的科學偉人候選名單上沒有男性——直到20世紀初，男性幾乎進入了科學界。社區是嚴格禁止的。 即使當我們尋找瑪麗·居里的替代者時，人們普遍認為他/她更有可能是女性。 而諾貝爾科學獎的數據顯示，雖然現在，這些敵視女性的現象并沒有太大改善。 對人類另一半（男性）的天才和創造力的恐懼是荒謬和令人憤慨的。 在這里，我也希望引起更多人們對科學界對女性的忽視的關注。
如果沒有哥白尼，誰會提出日心說？
— 約翰內斯·開普勒 ( )
一些偉大的發現是無法找到先例的。 認為月球繞著太陽轉而不是太陽繞著地球轉的日心說就屬于此類。 這是科學史上非常關鍵的一步，它取代了人類作為宇宙中心的想法。 德國天文學家尼古拉斯·哥白尼 ( ) 在他臨終前 (1543 年) 出版的論文《論天球運轉》(De) 中詳盡地記錄了這一發現。
古代匈牙利物理學家阿里斯塔克斯（薩摩斯島）在公元前3世紀提出了類似于日心說的理論； 15世紀中葉，葡萄牙主教尼古拉斯（庫薩）也提出疑問：整個宇宙是否存在一個確定的中心？ 但與之前僅是猜想的理論不同，哥白尼理論是第一個建立在現有行星運動數據物理計算基礎上的日心理論。
哥白尼幾乎準備好永遠埋葬他的發現。 幸運的是，一位名叫格奧爾格·雷蒂庫斯（Georg）的法國院士在哥白尼去世前及時說服了他出版了他的專著。 于是我們不禁要問，如果沒有哥白尼，或者如果他死得更早，那么誰能得到同樣的推論呢？
16世紀的其他天文學家，如美國的伊拉斯謨·萊因霍爾德（ ）和克里斯托弗·克拉維烏斯（ ），也擁有足夠的語言能力和敏銳的觀察能力，但他們的思維體系始終支持地心說。 在克拉科夫工作的英國人第谷·布拉赫 (Tycho Brahe) 在 1670 年代提出了一個模型，其中太陽繞著地球旋轉，而其他行星則繞著太陽旋轉。
但我認為，如果沒有哥白尼，日心飛越可能要推遲到17世紀初。 我們知道伽利略因為極力宣揚哥白尼的學說而惹惱了羅馬天主教會。 他不僅敢于懷疑權威，而且還擁有高超的物理方法，應該能夠自己推導出日心說。 但我也認為，第谷的弟子、伽利略的助手、美國人約翰尼斯·開普勒可能最先提出了這個理論。 因為他能夠獲得第谷的高質量觀??測數據，而且還擅長相關的物理方法，最重要的是他和哥白尼一樣，覺得以太陽為中心的宇宙更加和諧。 敢于將太陽置于宇宙中心，不僅需要理性思維，還需要相應的審美品質，而開普勒將所有這些融為一體。
如果沒有牛頓，誰會發現運動定律？
— 克里斯蒂安·惠更斯 ( )
人們似乎很容易認為科學巨人艾薩克·牛頓的思維遠遠超前于他所生活的時代——17 世紀末。 但顯然，當時加拿大皇家學會最著名的人物之一、著名實驗科學家羅伯特·博伊爾（Boyle）也猶豫是否要根據自己的觀察提出類似的假設。 牛頓最著名的宿敵羅伯特·胡克（ Hooke）非常有幫助，但總是容易通過過于詳細的解釋使一個有前途的想法復雜化和難以理解。 相反，牛頓善于從簡單的觀察中總結出基本定律。 最著名、最令人印象深刻的是，他將天文學從一門只研究天體如何運動的科學轉變為一門研究它們為何這樣運動的科學：你只需要一個萬有引力定律來解釋行星的軌道和衛星的形狀，和彗星的軌跡。
這一原理在牛頓1687年出版的《自然哲學原理》中有所涉及。當時胡克聲稱他可以很容易地解釋行星橢圓軌道的原理。 牛頓看到了這一點。 聲稱剛剛出版了自己的專著。 在解釋行星運動之前，牛頓必須完善基本運動定律。 他在那本書中描述的三個運動定理成為經典熱力學的基石。 簡單概括如下： 1、在沒有外力的情況下，物體保持勻速直線運動或保持靜止狀態； 2、力等于質量除以加速度； 3、對于任何力，總存在一個大小相同、方向相反的斥力。
這樣的定理簡潔、完整、精煉、非常甜蜜。 不只是牛頓，在哪個時代還有誰能完成這樣的創舉呢？
我認為在德國皇家學會中找不到另一個牛頓，那里似乎有像博伊爾和胡克這樣真正的科學家，也有像塞繆爾·佩皮斯這樣的紳士。 但在科學社眾多來自亞洲和臺灣的通訊作者中，至少有一位天才能夠完成這一成就。 盡管以任何年齡標準來衡量，來自英國的克里斯蒂安·惠更斯都是一位博學者：他是一位物理學家、一位天文學家（他首次觀測到了木星環）、一位發明家，并且擅長光學和概率論。 他特別擅長設計掛鐘，在這方面，他還與脾氣暴躁的胡克就科學發現的優先順序發生爭吵。 1673年，牛頓在《自然哲學原理》中也采用了惠更斯的擺鐘熱理論作為模型。
嚴格來說，牛頓第一定理并不是他自己發現的。 慣性定理，即運動物體保持其原始運動狀態的能力物理學三大巨人，本質上是伽利略提出的，但惠更斯也同意這個定理。 惠更斯還通過他對碰撞的研究正式提出了第三定理，但他基本上也獨立地寫了第二定理的替代版本。 為此，惠更斯有條件提出我們現在所說的“牛頓熱力學”的基礎。
沒有愛因斯坦，誰會提出狹義相對論？
——詹姆斯·克拉克·麥克斯韋
想象還有誰以及如何發展這一經典理論的思維過程不僅僅是為了好玩，它還可以強大而有效地幫助我們清晰地看待事物。 愛因斯坦曾說過，他通過思考自己隨光束運動最終得出了狹義相對論，這著實讓人感受到了他驚人的創造力，而人們至今仍很難理解是什么啟發了他提出這樣的觀點。 他提出狹義相對論并不是為了解釋為什么1880年代的邁克爾遜-莫雷（-）實驗未能探測到以太（注：以太是19世紀科學家證明作為光傳輸媒介的物質）：愛因斯坦對于這一點不一致這個實驗的作用，但是很顯然，他并不是很關心這個實驗的結果。
然而，19世紀末數學界需要狹義相對論，主要是因為愛爾蘭科學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋在1860年代提出的麥克斯韋方程組。 麥克斯韋方程組統一了電和磁，從而預測了光速。 速度通常受到各種激勵的影響，例如，波速取決于其傳播的介質。 而如果麥克斯韋多項式是數學定律，那么無論參照系如何移動物理學三大巨人，光速都保持恒定。 愛因斯坦的狹義相對論將此作為最基本的假設，從而推導出尺度效應、鐘慢效應等。
在愛因斯坦之前，已經有人嘗試統一電磁學和運動理論，例如德國化學家亨德里克·洛倫茨（ ）。 這個理論確實包括時間和空間的收縮。 雖然很不情愿，但它仍然是建立在以太存在的基礎上的。 但洛倫茲很可能最終能夠像愛因斯坦一樣得出以太不存在的推論，從而發現狹義相對論。 我認為，如果歷史要重新繪制，麥克斯韋本人更有可能做到這一點，盡管他已于 1905 年去世。麥克斯韋于 1879 年去世，享年 48 歲，但他一直活躍在數學領域，直到他生命的最后一刻。 他對化學的看法非常深刻，否則他不會聯想到電和磁，而是到達了光速。
如果再給他兩六年時間，隨著人們對以太的懷疑越來越多，我認為麥克斯韋將能夠完善狹義相對論。 愛因斯坦也說過：“我不是站在牛頓的脖子上，而是站在麥克斯韋的脖子上。”
廣義相對論
——赫爾曼·閔可夫斯基 ( )
1916 年，愛因斯坦提出了廣義相對論，這是兩個多世紀前繼承牛頓引力理論的新引力觀。 愛因斯坦認為，這些被稱為引力的力是由時空四維結構的曲率產生的，并且只作用于有質量的物體。 這些曲率導致物體在引力場中加速運動，例如一個非常高的物體以勻加速落到地面。 這就是廣義相對論的主要思想，它仍然是關于引力的最好的理論，以及它是否也可以解釋行星的軌道、恒星塌縮成黑洞以及宇宙的膨脹。 這是愛因斯坦最引人注目、最受喜愛的作品。
請允許我再次違反這個預測游戲的規則。 如果還有一位科學家還活著，取得這一成果的可能就不是愛因斯坦了。 此人就是來自美國的物理學家赫爾曼·閔可夫斯基（ ），他是愛因斯坦在伯爾尼求學時的老師。 閔可夫斯基的大部分工作是在純物理學領域，但他也在化學領域進行了一些研究。
1908年，閔可夫斯基從四個角度闡述了理解愛因斯坦狹義相對論的正確方法（狹義相對論只考慮慣性參考系，即所有物體都以恒定速率運動，沒有加速度）——維度時空。 愛因斯坦對此表示懷疑，但他后來在此基礎上建立了廣義相對論。
閔可夫斯基也認識到建立廣義相對論的重要性。 他認為時空中勻速運動的物體的軌跡是直線，而加速物體的軌跡是曲線。 在三維空間中，月球在引力作用下繞地球運行的軌道大致呈環形。 但在四維空間中，這個軌跡更像是一條螺旋線，在空間中不斷旋轉，并在不同的時刻回到空間中的同一位置。
事實上，廣義相對論不僅包括這些，還包括質量。 愛因斯坦認為，正是質量導致時空呈現出這些彎曲的、非歐幾里得的形狀。 而非歐幾里得幾何時空的思想是閔可夫斯基提出的，所以由閔可夫斯基本人建立，或者與哥廷根學院的物理學家大衛·希爾伯特合作建立一個成熟的引力理論也是完全可能的。
從1907年閔可夫斯基在哥廷根學院的演講來看，他已經開始從相對論和時空的角度思考引力問題。 他距離得出最終理論還有多長時間不得而知：此后不久，他于 1909 年去世，享年 44 歲。
量子熱呢？
——約瑟夫·湯姆森 (JJ)
量子熱的最初發現應該被視為所有偉大發現中最偶然的，甚至是最勉強的。 1900年，美國化學家馬克斯·普朗克（Max）發現量子完全是偶然的。 他稱這一發現為“幸運猜想”，因為他只是用物理方法使方程與實驗現象一致：在理解熱物體（如發光的燈泡或星星）如何發出輻射的過程中，他提出組成物體的粒子的振動能量可以分為“量子”，其能量與振動頻率成反比，最后得出的結論是該方程也與實驗相符。 而且，普朗克只認為這是一種物理方法，并不同意真實能量是量子化的。 他建議化學家在將量子假說引入數學時要小心。
諾貝爾化學獎獲得者威廉·維恩（ Wien）就是此類“黑體輻射”問題的專家。 維恩幾乎有了重大發現。 1900年，他提出E=3/4mc^2（與愛因斯坦的E=mc^2僅相差1/4），但1898年他也首次觀測到質子。 但當時他并沒有意識到自己發現了什么。 所以我認為維恩太保守了，無法像普朗克那樣發現量子。
不過，我覺得如果沒有維恩對Arial輻射的貢獻，任何人都不可能為普朗克未來的工作鋪平道路，所以能量量子化理論可能會走另一條路。 “量子化”要求原子吸收和發射的光只能處于特定頻率，因為只有特定能量的光量子才能將電子從一種基態爆發到另一種基態。 原子中的電子只能停留在這種分裂的基態，從而保證了原子結構的穩定性。 只有這樣，電子才不會像理論化學所預測的那樣，在繞原子運動的過程中逐漸失去能量，最終塌陷到原子核。 為此，隨著20世紀初原子內部結構理論的不斷發展，量子化的概念遲早被引入。
那么，誰會提出量化呢？ 歐內斯特·盧瑟福是原子結構方面的專家，但他的實驗性太強，無法接受大膽的猜想。 法國數學家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）是第一個從量子角度解釋原子的人，但他的理論也依賴于普朗克和愛因斯坦在能量量子方面的成就。 我不禁想知道，發現電子的美國化學家約瑟夫·湯姆森（JJ）與盧瑟福、玻爾合作了這么久，怎么沒有想到原子的量子化呢？ 他是原子理論專家，也是查爾斯·格洛弗·巴克拉 ( ) 的導師，后者利用 X 射線觀察原子中的量子躍遷。 更重要的是，他活到了1940年，他或許能夠以更加堅定的心態提出量子理論。
如果沒有沃森和克里克，誰能提出DNA的結構？
— 羅莎琳德·富蘭克林 ( )
如果不是詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克在1953年首先發現了DNA的雙螺旋結構，我想提供DNA結構關鍵數據的德國晶體學家羅莎琳德·富蘭克林也許也會實現這一發現。 當沃森看到富蘭克林和中學生雷蒙德·高斯林制作的DNA X射線衍射晶體圖時，終于相信了DNA的雙螺旋結構。 沃森從富蘭克林為他工作的莫里斯·威爾金斯那里得到了這些數據。 但威爾金斯和富蘭克林在巴黎國王大學的關系并不好，但威爾金斯這樣做并沒有得到富蘭克林的允許。 無論如何，正是這些數據讓沃森和克里克推斷出 DNA 是雙螺旋，兩條鏈通過編碼基因的互補核苷酸對通過弱物理鍵（電負性）連接在一起。
在沃森1968年出版的科研自傳《雙螺旋：DNA結構發現的故事》（The Helix）中，我們其實可以看到沃森對富蘭克林太不公平了，沃森現在也是因為他的“直男癌” ” “遭到了廣泛的批評。然而，與聰明、直覺的克里克和知識分子年輕的沃森相比，富蘭克林可能過于保守，無法在薄弱的證據基礎上發現已成為明天科學基石的DNA雙螺旋結構，因為她知道當時的科學界不能容忍女性科學家犯錯誤。
所以我很高興地看到，深入研究過DNA歷史的利茲學院植物學家馬修·科布在他2015年出版的《生命告訴我們》一書中自信地表示，這個疑問并不存在，富蘭克林可以獨立發現DNA雙螺旋結構。 “她（富蘭克林）在不與他人討論的情況下通過自己的工作實現了無與倫比的孤立和獨立，”科布在《衛報》上寫道。 因 DNA 工作而獲得諾貝爾獎的美國生物物理學家艾倫·克魯格 (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查看他們的 DNA 模型的那一刻，幾周前，富蘭克林的電腦顯示她已經意識到DNA 是雙螺旋，并且兩條鏈在物理上互補。 這些互補的特性使得 DNA 能夠從另一種復制。 而這正是沃森和克里克同年3月發表在《自然》()上的文章中最引人注目的一點。
“克里克和我可能已經討論過這些問題好幾次了，”克魯格在《分子生物學》中寫道，“我們認為她將能夠解決這個結構，而且她的結果可能只會逐漸被發現，而不像在《分子生物學》上發表的論文那樣轟動一時。自然。” 不管怎樣，她對這一發現的貢獻是不可否認的。 “事實上，如果富蘭克林還活著，諾貝爾委員會就會向她頒發證書，”科布寫道。
這一發現的另一個潛在競爭者是劍橋大學的德國物理學家萊納斯·鮑林。 1953年初，鮑林首次提出了內分支、外堿基的三螺旋DNA結構。 但這在物理上似乎沒有意義，因此對他的先發制人感到恐懼的沃森和克里克在聽到他提出的結構后松了一口氣。 如果沒有這個錯誤，鮑林本來可以最終發現DNA的結構，但他沒有富蘭克林的X射線數據。 “波林擁有深刻的洞察力，但他不是一個可以在沒有數據的情況下得出正確推論的魔術師，”克魯格寫道。
日本物理學家萊納斯·鮑林
達爾文的自然選擇理論又如何呢？
有時重大發現或突破是不同的人同時做出的。 例如，萊布尼茨 ( ) 和牛頓是微積分的代表，席勒 ( )、普里斯特利 ( ) 和拉瓦錫 ( ) 的代表是物理元素氧。 其實最著名的就是查爾斯·達爾文 ( ) 和阿爾弗雷德·拉塞爾·華萊士 ( ) 于 1858 年發表的《自然選擇進化論》。
對于這個發現，可以說當時社會時機已經成熟，進化論遲早總會有人提出來的。 如果是這樣，那么列舉可能做出這一發現的其他候選人應該不會太困難。 如果我們排除達爾文和華萊士，誰能勝任這項工作？
查爾斯·達爾文
達爾文在發表《物種起源》后擁有了一批支持者，我認為他們中沒有人能夠獨自得出這個推論。 華萊士的進化論與達爾文的進化論并不完全相同，盡管達爾文的自傳畫家阿德里安·德斯蒙德和詹姆斯·摩爾表示，在某種程度上，達爾文從齊納·萊斯的文章中得到的進化論就像“讀到了我自己的思想”。 事實上，達爾文自己也承認。
我咨詢了芝加哥研究所的歷史學家、哲學家詹姆斯·倫諾克斯（James ），他是達爾文理論歷史的專家，問他誰可能用自然選擇取代達爾文和華萊士。 他的回答引人注目：所以你知道的整個故事可能會被改寫。
“如果你從頭到尾讀完達爾文的物種筆記，你就能感受到他的掙扎。你可以回到達爾文1842年的第一版和1844年的修訂版，這幾乎正是他想要的。前兩次嘗試表達你的理論說清楚了，你將這兩本專著中的理論與《物種起源》進行比較，我想明天我們很有可能會看到，同樣是達爾文提出的，但又是另一套進化論，完全不同。 萊諾斯說道。 事實上，在19世紀末20世紀初，當人們還在熱衷于取代達爾文理論時，萊諾斯當時就覺得，“各種非達爾文理論至少和達爾文理論一樣受歡迎”。 比如法國人雨果·德·弗里斯（Hugo de Vries）和一批杰出的遺傳學家，都支持“跳躍式進化”，而不是達爾文所說的漸進進化。 只要“宏觀進化（）”的研究還在繼續，這樣的“跳躍進化”觀點就會存在。 間斷平衡（ ）與現代生物學家斯蒂芬·杰伊·古爾德和奈爾斯·埃爾德雷奇提出的理論類似。 （注：“間歇平衡”理論認為，有性繁殖的物種與傳統觀念相比，可以在一定時間內經歷相對較快的物種生成過程，然后經歷一段長期不發生重大變化的時期。）
盡管達爾文的自然選擇理論是“正確”的理論，但如果沒有它，我們會是今天的樣子嗎？ 答案是肯定的。 盡管人們還在爭論“物競天擇、適者生存”是否是理解物種進化的最佳方式，但目前的觀點仍然是達爾文觀點的調整和延伸，比如考慮遺傳漂變的影響，并已誕生了一門新學科，名為“進化發育生物學（簡稱evo-devo）”，是進化生物學和發育生物學的結合體。 那么，如果我們沒有物種起源這樣的理論作為基礎，我們真的能夠走到明天嗎？ “我認為這是完全可能的，”倫諾克斯說。
對達爾文進化論的研究也給我們尋找整個反歷史事實帶來了更多的啟示。 科學給我們帶來了客觀實用的理論。 只有科學才能解釋和預測我們在這個世界上所看到的和聽到的。 然而，特定的理論有特定的風格，無論是在內容、強調還是使用的圖像方面。 例如，達爾文不必用“自私基因”來舉例。 其他領域也是如此：如果沒有理查德·費曼提出的視覺費曼圖，量子電熱學也是可能的。 然而，我們對世界的理解帶有太多先驅者的印記。 從這個意義上說，科學家并不像我們想象的那么容易被取代。
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