五個偉大的科學失誤:愛因斯坦的宇宙常數

2020-11-23 IT之家

天才也會犯錯誤,而且有時候這些錯誤本身就是很天才的想法,有些錯誤不僅啟發了後來人探索未知謎題的進程,有時甚至影響了整個科學領域的思考方式。

在天體物理學家馬裡奧·利維奧(Mario Livio)不久前出版的《傑出的失誤》(Brilliant Blunders)一書中,作者向我們講述了科學史上五個偉大科學錯誤的故事。這些故事告訴我們,即使是最聰明的頭腦也會犯錯;而且,在通往偉大發現和偉大突破的道路上,巨大的風險是必不可少的,而這也往往帶來巨大的失敗。以下就是馬裡奧·利維奧所選出的五個最傑出的科學失誤。

  

在天體物理學家馬裡奧·利維奧(Mario Livio)不久前出版的《傑出的失誤》(Brilliant Blunders)一書中,作者向我們講述了科學史上五個偉大科學錯誤的故事。

  

這些故事告訴我們,即使是最聰明的頭腦也會犯錯;而且,在通往偉大發現和偉大突破的道路上,巨大的風險是必不可少的,而這也往往帶來巨大的失敗。

達爾文關於遺傳的理念

1859年,查爾斯·達爾文取得了一個偉大的成就:提出了自然選擇的理論。「達爾文是個令人難以置信的天才,」馬裡奧·利維奧說,「他有關自然選擇和生物演化的理論令人讚嘆:他是如何想出這樣包羅萬物的理論來呢?而且達爾文實際上對數學知之甚少,因此他的理論中沒有用到數學的方法。」

在達爾文的成就中更難能可貴的是,他提出了遺傳的概念。達爾文和當時其他一些科學家認為,「遺傳」使自然選擇成為可能。在那個時代,大多數人認為母親和父親的特徵會在後代中融合在一起,就像一罐黑色油漆和一罐白色油漆混合起來,得到灰色油漆一樣。

達爾文的失誤在於,他沒有意識到這種理念與他的新理論之間的衝突。「如果你將一隻黑貓引入到100萬隻白貓中,『混合遺傳』的理論認為,黑色會被完全『稀釋』掉。但是,事實上黑貓不會完全消失,」利維奧說,「達爾文沒有理解這一點,他並不了解其中的原理。」

直到20世紀初,孟德爾的遺傳理論被廣泛接受和理解的時候,自然選擇理論的拼圖才大體完整。孟德爾正確地指出,當親本的遺傳特徵相遇的時候,只有其中一個可以表達,而不是混合起來。利維奧說:「事實正是如此,孟德爾遺傳學很好地解釋了這個問題。孟德爾的理論就像是將兩副撲克牌混合起來,而每一張牌的信息都保留著——這與油漆混合完全不同。」

開爾文對地球年齡的估計

19世紀,威廉·湯姆遜爵士,即開爾文勳爵,是第一個運用物理學對地球和太陽年齡進行計算的人。雖然他的計算結果比我們現在了解的小了約50倍,但這種計算本身就是很偉大的突破。

開爾文勳爵的計算基於這樣的理念:地球剛開始是一個高溫的熔融球體,然後緩慢地冷卻。他嘗試計算出地球冷卻到當前溫度所需要的時間。不過,當時的科學家還沒有發現放射性,因此他沒有將其考慮進去,從而導致採用的數據出現了偏離。

不過,馬裡奧·利維奧指出,這並不是開爾文的最大失誤——就算他考慮到了放射性,他對地球年齡的估計可能還是與原來相差無幾。開爾文更大的失誤在於,他忽略了地球內部存在某種運輸熱量的未知機制的可能性。

「他假設熱量是以完全相同的效率在整個地球中傳輸,」利維奧說,甚至在有人提出熱量有可能以更高效率在地球內部傳輸的意見之後,開爾文勳爵也選擇忽略這種可能性,「開爾文已經有太多次證明自己是正確的。有人向他指出了這一點,但他從沒有真正接受過。」

鮑林的三螺旋DNA

1953年,弗朗西斯·克裡克和詹姆斯·沃森因為發現了脫氧核糖核酸(DNA)的雙螺旋結構而聞名世界,但化學家萊納斯·鮑林(Linus Pauling)在同一年也提出了自己的DNA結構理念。

「鮑林可以稱得上是至今最偉大的化學家,」馬裡奧·利維奧說,「他兩次獲得了諾貝爾獎,而且都是他自己獲得的。」但像他這樣傑出的科學家,卻很匆忙地將自己的DNA結構理論發表了出來,並最終發現其存在著致命的缺陷。與我們現在熟知的雙鏈螺旋DNA結構不同,鮑林的DNA模型中有3股交織在一起的鏈。

利維奧說,在某種程度上,鮑林由於之前成功推論出蛋白質的結構模型,而對自己太過自信了。「他的模型實際上是將正確的雙鏈DNA結構翻轉過來,而且含有3條鏈,」利維奧說,「這不是雙螺旋,而是三螺旋。他是因為自己的成功而犯下更大的錯誤。」

霍伊爾的「大爆炸」

英國天文物理學家弗雷德·霍伊爾(Fred Hoyle)是20世紀最偉大的科學家之一,他也是流行一時的「穩恆態宇宙模型」的提出者之一。該模型認為宇宙從古至今,而且到未來都是一樣的,即宇宙時刻處於穩態。當時,天文學觀測已經表明宇宙處於不斷的膨脹中,因此該理論就要求宇宙中源源不斷地產生新的物質,從而保持宇宙密度不變。

當霍伊爾了解到有另一個理論認為宇宙起源於一次單一的、劇烈的事件的時候,他將其戲稱為「大爆炸理論」(the Big Bang),之後他便忽略了這一理論,繼續堅持穩恆態宇宙模型。

「這是個優美的模型,在大約15年的時間裡,人們很難決定該模型與大爆炸理論哪個更加正確,」利維奧說,「因此他的失誤並不在於提出這一模型。他的失誤在於,即使對這一模型不利的證據越來越多,甚至是壓倒性的時候,他依然不接受別的理論,而是繼續嘗試發明新的方法來維護穩恆態宇宙模型。」霍伊爾的態度一直都很執著,儘管物理學界最終都倒向了大爆炸理論。

愛因斯坦的宇宙常數

阿爾伯特·愛因斯坦毫無疑問是人類歷史上最偉大的科學家之一,但他也逃不脫犯錯誤的命運。1916年,他發表了幾個描述引力如何在廣義相對論中起作用的方程式。這是一個偉大的功績,但也確實存在著重大的失誤。

在方程式中愛因斯坦提出了宇宙學常數,而這其實是出於他對靜態宇宙的哲學信念。宇宙學常數抵消了宇宙中引力收縮的趨勢,從而得到靜態宇宙的解。不久之後,天文學家發現了宇宙確實在膨脹的證據,愛因斯坦也因此放棄了宇宙學常數,將其從方程中去掉。

有傳言稱,愛因斯坦將宇宙學常數認為是他「一生中最大的錯誤」(利維奧認為他從未說過這句話)。然而,利維奧認為,愛因斯坦的真正錯誤是將這一常數從方程式中拿掉。1998年,在愛因斯坦去世之後,天文學家發現宇宙不僅在膨脹,而且膨脹隨著時間推移逐漸加速。為了解釋這一現象,科學家又將宇宙學常數重新引入了廣義相對論方程。

「他的真正失誤是將宇宙學常數拿掉,而非將其保留,」利維奧說,「理論允許他保留著。從這裡我們也認識到,理論允許的一切似乎都是必須要保留的。」

相關焦點

  • 愛因斯坦在物理上犯的四個著名的失誤是什麼?後來被誰證實的?
    愛因斯坦對科學的探究讓他取得了常人無法企及的成就,被認為是繼伽利略、牛頓以來最偉大的科學家,直至現在,關於愛因斯坦大腦的研究還甚囂塵上,可見他對後世的影響多麼深遠。然而流傳世間的大多是他偉大的成就,縱觀他的一生,失誤之處也不在少數。
  • 困擾物理學家近百年的宇宙學常數——愛因斯坦最大失誤或被更正?
    本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。宇宙學常數困擾著物理學家一個多世紀。物理學中有一個基本問題。一個稱為宇宙常數的數字將量子力學的微觀世界和愛因斯坦的廣義相對論的宏觀世界聯繫起來。 但是,兩種理論都無法就其價值達成共識。
  • 愛因斯坦引力方程中的宇宙常數與暗能量的區別是什麼?
    ——愛因斯坦1915年末在愛因斯坦首次提出廣義相對論的時候,這個理論對宇宙時空的革命性構想就遭到了眾多同行的強烈懷疑。而在往後的科學發展中相對論是被人們檢驗和審查最嚴格的理論之一。廣義相對論改變了我們的宇宙圖景
  • 宇宙常數,在這一點上,愛因斯坦真的錯了
    第二個愛因斯坦對廣義相對論的修正,是在空間邊的曲率上加上一個宇宙學常數,作為這個謎題的特別修正。引力總是一種吸引力,它是一種力,它越強,分隔任何兩個物體的時空間隔越小。然而,他的方程允許加法增加宇宙常數。常數的行為就好像它是一個具有均勻、正能量密度的場,但也是改變了宇宙的行為負面因素。
  • 愛因斯坦的最大「失誤」可能要被修正了
    愛因斯坦的最大失誤是如何變成暗能量的宇宙常數的故事始於一個多世紀前,當時愛因斯坦提出了一套方程,現在稱為愛因斯坦場方程(Einstein field equations),這些方程成為他廣義相對論的框架。方程解釋了物質和能量如何扭曲空間和時間結構,從而產生重力。當時,愛因斯坦和天文學家都同意宇宙的大小是固定的,星系之間的整體空間沒有改變。
  • 偉大的愛因斯坦也會犯錯|展卷
    撰文 | 蘇道愛因斯坦是人類歷史上最偉大的科學家之一,他在20世紀初期的研究徹底改變了我們認識宇宙的方式。他的「奇蹟年」、廣義相對論以及其他對於物理學的洞見,一個世紀以來不斷被後人稱頌。全書的重點就是愛因斯坦犯下的兩個科學上的重大錯誤:第一個是宇宙學常數的增加和刪除,第二個是他對待量子力學的態度。愛因斯坦在建立廣義相對論後,很得意能夠以簡潔的方式描述宇宙。但是,當時人們相信宇宙處於穩定的狀態中,而這與廣義相對論的推論相矛盾。
  • 暗能量:被愛因斯坦當作最大的失誤。它是如何左右宇宙命運的?
    當愛因斯坦首次提出廣義相對論時,它增加了一個固定數字,成為宇宙常數來穩定宇宙。後來他說這是他有史以來最大的失誤,但最近物理學家又想到了這個常數,意識到宇宙常數很可能代表其他的東西——暗能量。但是這種神秘的能量是否必須保持不變?
  • 愛因斯坦一生中最大的錯誤是哪個?宇宙常數還是量子力學?
    本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。愛因斯坦犯過兩個最大的錯誤,一個是他承認的宇宙常數問題,另一個是他一起開創,但卻愛恨交加反對了一輩子的量子力學。著名的愛因斯坦研究專家亞伯拉罕·帕斯在《愛因斯坦曾住在這裡》一書中說就算1925年後,愛因斯坦改行釣魚以度過餘生,這對科學來說也沒什麼損失。
  • 偉大的愛因斯坦也會犯錯|展卷
    全書的重點就是愛因斯坦犯下的兩個科學上的重大錯誤:第一個是宇宙學常數的增加和刪除,第二個是他對待量子力學的態度。愛因斯坦在建立廣義相對論後,很得意能夠以簡潔的方式描述宇宙。但是,當時人們相信宇宙處於穩定的狀態中,而這與廣義相對論的推論相矛盾。
  • 科學:愛因斯坦至少錯了5次
    【科學:愛因斯坦至少錯了5次】在過去的幾周裡,有幾個故事講述了愛因斯坦的理論,或者支撐這些理論的觀點,是如何在新的程度上得到證實的。1)宇宙常數當愛因斯坦在構建他的引力理論廣義相對論時,他需要一點矇混過關的因素。
  • 宇宙膨脹背後的故事(之一):愛因斯坦無中生有的宇宙常數
    下面則是廣義相對論場方程,其中的第三項便是愛因斯坦無中生有引進的宇宙常數項(「Λ」便是宇宙常數)。後來,美國的物理學家惠勒言簡意賅地總結出廣義相對論場方程的真諦:「時空告訴物體如何運動,物體告訴時空如何彎曲。」二者相輔相成,渾然一體。
  • 再說一次,愛因斯坦!新研究支持「宇宙常數」
    科學家說,一項對宇宙基本常數之一的新研究使人們對一種流行的暗能量理論產生了懷疑。暗能量是任何賦予宇宙膨脹加速作用的名稱。一種理論預測,最初由阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)提出的,遍布宇宙的不變實體是暗能量的背後。
  • 宇宙膨脹背後的故事之愛因斯坦無中生有的宇宙常數
    下面則是廣義相對論場方程,其中的第三項便是愛因斯坦無中生有引進的宇宙常數項(「Λ」便是宇宙常數)。後來,美國的物理學家惠勒(John Wheeler)言簡意賅地總結出廣義相對論場方程的真諦:「時空告訴物體如何運動,物體告訴時空如何彎曲。」
  • 愛因斯坦為什麼偉大?看他給出的三個語言,每一個都很「超前」
    可以說科學使人進步,曾經在工業革命之後,人類開始意識到科學技術對未來的影響,從那個時候起,很多醉心於發明發現的科學家出現了,愛因斯坦就是其中一個。愛因斯坦他是一個天才,沒有人知道他的腦容量裡究竟有多少東西。而他這一生也為人類發明了很多東西,而相對論的提出,更是人類文明史上一個偉大的發現。當然,世界上的科學家很多,但是為啥就愛因斯坦格外的偉大?
  • 愛因斯坦引入宇宙常數到底是不是錯誤的
    在談到愛因斯坦犯下的錯誤時,人們立即想起愛因斯坦(在與喬治·伽莫夫的談話中)所說的他一生中犯下的最大錯誤:宇宙常數的引入。在愛因斯坦完成了他廣義相對論的空間、時間和引力理論的表述之後,他在1917開始考慮整個宇宙的時空結構。然後他遇到了一個問題。
  • 史上最偉大的科學成果中,有哪些是因為意外事故才發現的?
    後來它發明的狂犬病疫苗也是依法炮製,當然原理上如此,箇中的處理方式就複雜了!所以準確的說,真正的疫苗是巴斯德失誤後才發現的。愛因斯坦和他的宇宙常數說完了疫苗和偉哥,我們在天文上再來轉轉,愛因斯坦在1915年搞定了廣義相對論,在1916年德國一次會議上正式公布了廣相的引力場公式,同年大神史瓦西就從這個方程中找出了一個特殊解,也就是我們現在成為史瓦西度規的黑洞天體坍縮標註,1917年愛因斯坦將其應用到了整個宇宙,誕生了相對論宇宙學!
  • 愛因斯坦的巨大失誤,廣義相對論是錯誤的嗎?
    有的人說,愛因斯坦的最大成就就是廣義相對論,這真的是科學界很有意思的事情,真的帶有強烈的戲劇化。 然而,對於我們晚輩的科學迷和科學家們,在評論偉大的前輩時,往往會落於人身攻擊,網上也有很多憤青和噴子在詆毀愛因斯坦,這稍微有點欠妥,我們只是站在科學主義的角度上來評價科學,而不是去評價人,我們為了學術交流而能互相進步,不是在做一些毫無意義的人格評判。
  • 神奇的宇宙學常數,被愛因斯坦丟進垃圾堆的東西最終又被撿了回來
    本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。我們前面討論過宇宙加速膨脹似乎是由暗能量導致的,但我們並沒有詳細討論暗能量的本質。這一問題的真相是我們實際上還不知道暗能量到底是什麼。但我們有一個最受歡迎的候選者:宇宙學常數(cosmological constant)。這一節我將詳細地講講宇宙學常數。 宇宙學常數最初是由阿爾伯特·愛因斯坦在1917年引入的。在那時人們還不知道宇宙正在膨脹,愛因斯坦引入了他的宇宙學常數是為了得到一個靜態(也就是既不膨脹也不收縮)的宇宙學模型。
  • 愛因斯坦的三大科學預言,每一個都能改變人類歷程
    而這群偉大科學家中有一個人非常具有代表性或者說具有非常高的名氣,他就是普通人提到「科學家」這個詞腦海中第一個出現的人——愛因斯坦。他一生中開創了物理學的四個領域:狹義相對論、廣義相對論、宇宙學和統一場論。他是量子理論的主要創建者之一,在分子運動論和量子統計理論等方面也做出了重大貢獻。愛因斯坦是20世紀最偉大的科學家、思想家。他的科學思想、哲學(科學哲學、社會哲學、人生哲學)思想都是頗有見地、不同凡響的。
  • 愛因斯坦的三大科學預言,每一個都能改變人類歷程
    而這群偉大科學家中有一個人非常具有代表性或者說具有非常高的名氣,他就是普通人提到「科學家」這個詞腦海中第一個出現的人——愛因斯坦。他一生中開創了物理學的四個領域:狹義相對論、廣義相對論、宇宙學和統一場論。他是量子理論的主要創建者之一,在分子運動論和量子統計理論等方面也做出了重大貢獻。愛因斯坦是20世紀最偉大的科學家、思想家。 他的科學思想、哲學(科學哲學、社會哲學、人生哲學)思想都是頗有見地、不同凡響的。