或许科学比任何其他职业都更重视正确性。当然，大多数科学家——像大多数活着的人类一样——在前进的道路上会犯很多错误。然而，并非所有错误都是相同的。历史学家们发掘出许多案例，在这些案例中，一个不正确的想法被证明比成千上万个微不足道的错误或狭隘的正确想法更有效。这些是富有成效的错误：触及我们周围世界深刻、基本特征的错误，并促使进一步的研究，从而带来重大突破。它们当然是错误。但是，如果没有它们，科学将会糟糕得多。
例如，尼尔斯·玻尔创建了一个几乎在所有方面都错误的原子模型，但它启发了量子力学革命。面对巨大的怀疑，阿尔弗雷德·魏格纳认为，离心力使大陆沿着地球表面移动（或“漂移”）。他掌握了正确的现象，尽管机制是错误的。恩里科·费米认为他创造了比铀更重的原子核，而不是（正如我们现在所知）偶然发现了核裂变。
来自 1970 年代物理学和 1940 年代生物学的两个富有成效的错误案例戏剧性地说明了这一点。这些错误的作者不是碰巧在事后走运的倒霉笨蛋。相反，他们坚定地提出了他们的同事很少提出的问题，并将当时很少有人考虑的想法结合起来。在这个过程中，他们为当今蓬勃发展的生物技术和量子信息科学领域奠定了关键基础。他们错了，世界应该感谢他们的错误。
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幽灵光子克隆
我们的第一个错误有助于阐明量子力学早期开始的一场争论，当时阿尔伯特·爱因斯坦和玻尔就量子理论的本质和最终含义进行了一系列激烈的辩论。爱因斯坦曾公开反对几个奇怪的特征。例如，使用量子力学方程，物理学家只能预测各种事件的概率，而不是确定的结果。“无论如何，我确信他 [上帝] 没有在掷骰子，”爱因斯坦反驳道。这件事就这样搁置了 30 年。爱因斯坦和玻尔都没有说服对方。
几十年后，一位来自北爱尔兰的年轻物理学家约翰·贝尔重新审视了爱因斯坦和玻尔的交流。贝尔重新审视了爱因斯坦早在 1935 年发表的思想实验。爱因斯坦设想了一个源，该源喷射出成对的量子粒子，例如电子或光子，沿相反方向移动。物理学家可以测量每个粒子在彼此远离后的一些性质。贝尔想知道这些测量结果之间的相关性。
1964 年，他发表了一篇非常简短而优雅的文章，证明根据量子力学，其中一项测量的结果——例如，沿给定方向移动的右侧粒子的自旋——必须取决于测量左侧粒子哪个性质的选择。贝尔推断，实际上，任何重现与量子力学相同经验预测的理论都必须包含一种信号或“机制，通过该机制，一个测量装置的设置可以影响另一个仪器的读数，无论它有多么遥远。”此外，他总结道，“所涉及的信号必须瞬时传播。”这种长距离相关性被称为“量子纠缠”。
尽管贝尔的论文在今天的物理学家中享有盛誉，但在它发表时并没有引起太大的轰动，即使瞬时信号传输会违反爱因斯坦相对论中得到充分支持的定律，该定律认为没有信号或影响可以比光速更快地传播。注意到这一点的物理学家之一是尼克·赫伯特。这个主题开始占据赫伯特越来越多的注意力，挤占了他作为旧金山湾区工业物理学家日常工作的想法。当时，赫伯特是一个古怪的非正式讨论小组“基本物理学小组”的核心成员。参与者在伯克利会面，他们大多是在精英项目中获得博士学位的年轻物理学家——赫伯特在斯坦福大学完成了他的博士论文——只是沦为前所未有的就业危机的受害者。例如，在 1971 年，超过 1,000 名年轻物理学家在美国物理研究所的招聘服务处注册，竞争仅有的 53 个职位。
在失业和有空闲时间的情况下，赫伯特和他的伙伴们在 1970 年代中期每周聚会，集思广益地思考现代物理学的深刻难题，这些主题在他们的正规物理学培训中很少受到关注。他们被贝尔定理和量子纠缠所吸引。另一个小组成员约翰·克劳瑟进行了世界上第一个贝尔定理的实验测试，发现关于量子纠缠的奇怪预测是完全正确的。（2010 年，克劳瑟因其贡献而分享了著名的沃尔夫奖。）
与此同时，在他们周围，湾区正在见证对诸如超感官知觉和对未来的预知幻象等奇异现象的兴趣爆炸式增长。《旧金山纪事报》和其他主流报纸刊登了关于心灵感应实验的故事，而神秘学爱好者则庆祝新时代的到来。赫伯特和他的讨论伙伴开始怀疑贝尔定理——它似乎暗示了遥远物体之间神秘的、瞬时的、远距离的连接——是否可以解释最新的奇迹。
赫伯特专注于贝尔描述为量子粒子之间瞬时信号的东西，想知道是否可以利用它们来发送超光速消息。他开始制定他称之为“超光速电报”的计划：一种可以利用量子理论的基本属性来违反相对论，从而违反物理定律的装置。经过几次错误的尝试，赫伯特在 1981 年 1 月提出了他的“FLASH”方案。该首字母缩写词代表“首个激光放大超光速连接”。它使用精细的基于激光的系统来传输超光速信号。
赫伯特的方案看起来天衣无缝。他将他的想法提交给期刊的几位审稿人被他的论点说服。“我们无法识别所提出的实验中存在的任何基本缺陷，这些缺陷揭示了悖论的起源，”两位审稿人报告说。另一位审稿人阿舍·佩雷斯采取了更大胆的步骤。他在他的简短报告中宣布，赫伯特的论文一定是错误的——因此它需要发表。因为佩雷斯自己找不到任何缺陷，他认为错误一定是实质性的，那种会促使进一步进步的错误。
佩雷斯的不寻常（甚至勇敢的）立场很快得到了证实。三组物理学家对赫伯特的论文进行了仔细审查。意大利的吉安卡洛·吉拉尔迪和图利奥·韦伯、美国的沃伊切赫·祖雷克和比尔·伍特斯以及荷兰的丹尼斯·迪克斯都认识到，赫伯特在计算接收信号的物理学家应该看到什么时犯了一个微妙的错误。赫伯特假设他的装置中的激光放大器能够发出大量与原始光状态相同的光。实际上，科学家们意识到，激光无法复制单个光子，只能产生随机散列，就像一台复印机将两张不同的图像混合在一起以产生一团糟的模糊图像。
在拆解赫伯特的提议的过程中，这三个小组发现了一个迷人的、量子力学的基本特征，这是以前没有人认识到的。FLASH 系统失败的原因是“不可克隆定理”，该定理禁止在不扰乱状态的情况下复制或克隆未知的量子态。该定理阻止了潜在的发明家使用量子理论来构建超光速电报，从而使量子纠缠能够与爱因斯坦的相对论和平共处。事件接事件，双粒子确实根据远距离瞬时相关性自行排列，但这些连接永远不能用于发送超光速消息。
很快，其他一些物理学家意识到，不可克隆定理提供的不仅仅是对赫伯特的奇怪论文的回应，也不仅仅是纠缠和相对论之间不安休战的基础。1984 年，查尔斯·贝内特和吉勒斯·布拉萨德直接基于不可克隆定理设计了第一个“量子加密”协议：一种保护数字信号免受潜在窃听者侵害的全新方法。正如贝内特和布拉萨德意识到的那样，量子力学禁止任何人复制未知量子态的事实意味着合作伙伴可以将秘密消息编码到纠缠光子中并来回传递。如果有人试图拦截传输中的光子并进行复制，他们会立即破坏所需信号，并同时宣布他们的存在。
近年来，量子加密已成为全球量子信息科学努力的前沿。维也纳的安东·蔡林格和日内瓦的尼古拉斯·吉辛等物理学家已经进行了量子加密银行转账和电子投票的真实世界演示。对于赫伯特引人入胜但有缺陷的 FLASH 方案来说，这不算是一个糟糕的遗产。
遗传悖论
我们关于犯错科学家的第二个例子以范德比尔特大学教授，后来的加州理工学院教授马克斯·德尔布吕克的工作为特色。德尔布吕克是玻尔的学生，他从玻尔 1932 年的著名讲座“光与生命”中汲取了理解生物过程会产生新的悖论，而解决这些悖论可能会导致发现新的物理定律的想法。德尔布吕克招募了其他科学家参与这项工作，帮助在二战后的几年里创建了分子生物学领域。
1940 年代提出的关键问题之一是“什么是基因”？在 19 世纪中期，僧侣格雷戈尔·孟德尔提出了遗传因子（后来称为基因）的存在，该因子具有两个独特的特性。第一个是自我复制的能力。第二个是产生变异或突变的能力，这些变异或突变与原始基因一样忠实地被复制。
然而，在 1940 年代，没有人知道基因是由什么构成的，也不知道它们是如何繁殖的。正如量子物理学先驱埃尔温·薛定谔在他 1944 年出版的著作《生命是什么？》中指出的那样，没有普通的物理系统可以自我复制。基因似乎具有自我复制的能力，这似乎违背了热力学第二定律。
德尔布吕克正在寻找原子基因——负责遗传奥秘的不可分割的物理系统。作为一名优秀的物理学家，德尔布吕克认为，最有效的方法是研究生命最小和最简单的单位：病毒。具体来说，他选择研究噬菌体（简称“噬菌体”）——感染细菌的病毒。这些是当时最容易分离和生长最快的病毒之一。尽管像所有病毒一样，噬菌体仅在宿主细胞内繁殖，但德尔布吕克试图避免他认为是不必要的复杂性。他和他的同事埃默里·埃利斯开发了一种生长方法，使他们能够专注于噬菌体的繁殖，同时忽略受感染细菌的细胞复杂性。
德尔布吕克确信基因是由蛋白质构成的。他认为，了解病毒的蛋白质部分如何繁殖，您就会了解基因。他推测，研究病毒繁殖的最佳方法是观察它们的繁殖。
但是，如何才能真正捕捉到病毒的复制过程，从而了解这个过程呢？不同噬菌体的繁殖时间各不相同，德尔布吕克和他的合作者萨尔瓦多·卢里亚推断，如果他们用两种噬菌体菌株感染相同的细菌，一种繁殖速度比另一种快，那么当细胞破裂时，他们应该能够捕获复制速度较慢的菌株的复制中间体。
双重感染实验没有按计划进行——卢里亚和德尔布吕克发现，一种病毒株的感染阻止了另一种病毒株的感染。大约在同一时间，宾夕法尼亚大学的托马斯·安德森在电子显微镜下检查了德尔布吕克和卢里亚的一种噬菌体菌株的样本。他发现病毒远比以前想象的要复杂得多——当然，它不仅仅由单个原子基因组成。它是一种蝌蚪状颗粒，由蛋白质和核酸组成，它与细菌外部结合以引发感染。德尔布吕克设想的病毒和基因之间的一一对应关系开始瓦解。
尽管如此，德尔布吕克还是没有被劝退。为了更好地了解一些细菌如何抵抗噬菌体感染，他和卢里亚设计了他们称之为波动测试的方法。该测试最终几乎没有揭示病毒复制的任何信息，但其巧妙的方法论表明，细菌根据达尔文原理进化，随机突变偶尔会赋予生存优势。这是细菌遗传学研究的一个里程碑，开辟了全新的研究领域。德尔布吕克和卢里亚（以及阿尔弗雷德·赫希）因此项工作而分享了 1969 年诺贝尔生理学或医学奖。
然而，波动测试并没有促进对病毒繁殖的理解，这显然让德尔布吕克感到沮丧。1946 年，他甚至在一次公开演讲中抱怨说，他创造的细菌研究的“爆炸性”可能性现在威胁要取代他对病毒的关注。此外，越来越清楚的是，噬菌体利用宿主大肠杆菌的细胞资源来繁殖自身。与德尔布吕克最初的假设相反，毕竟不能忽视宿主。
然而，他专注于简单系统的直觉被证明是非常富有成效的——即使噬菌体被证明比他预期的要复杂得多。噬菌体发展成为一代生物学家的模型生物，甚至激发了詹姆斯·沃森对 DNA 结构的探索。德尔布吕克很好地选择了他的实验对象，并设计了突破性的方法来研究它。
德尔布吕克在 1950 年代完全放弃了噬菌体研究，转而专注于感觉感知的生物物理学，使用一种叫做费氏菌的藻类。* 尽管他能够招募一些年轻的物理学家来研究这个新的模型系统，但事实证明，它的成果远不如噬菌体。然而，他仍然是对他人噬菌体实验的活跃批评者，他对关键发现的误判倾向变得传奇。加州理工学院的分子生物学家让·韦格勒过去常常讲一个故事，讲述他遇到一位年轻研究人员，他在德尔布吕克对他提出的实验的反应后感到沮丧。德尔布吕克喜欢这个想法，这是一个肯定的迹象，表明它是毫无希望的。对于那些走在正确道路上的人来说，人们可以从德尔布吕克那里期望得到的最高赞扬是“我一个字都不相信！”
公平的赞誉
在物理学和生物学的这些例子中，聪明的科学家提出了错误的观点。它们不是普通的错误，它们促进了基础科学不同领域的重大发展。在快速发展中，这些科学见解帮助催生了数十亿美元的研究计划，并为即使在今天仍在狂热地重塑我们生活世界的产业播下了种子。
然而，在重要的一点上，赫伯特和德尔布吕克的错误产生了截然不同的遗产。德尔布吕克（理所当然地）享有非常成功的科学职业生涯。他重视非常规方法，并对即使是最好的科学也进行批判性审查；他的地位足够高，可以承受异端。另一方面，赫伯特却难以维持生计，甚至花时间领取公共援助——这很难说是鼓励一位思想家的最有效方式，他的工作有助于阐明量子理论的深刻见解，并启动一场技术革命。
专业轨迹的巨大差异表明，我们需要一些新的核算方案，通过该方案，我们在科学领域分配赞誉。那些评估科学家贡献的人永远无法像体育统计学家那样获得清晰的认识——无休止地跟踪三振出局或助攻——部分原因是科学错误的意义将随着时间的推移而改变，因为研究人员会努力解决它们的影响。尽管如此，值得思考如何最好地承认和鼓励那些未能成功但推动了游戏向前发展的创造性飞跃。
毕竟，任何人都会犯错。事实上，当今科学出版物的庞大数量表明，我们大多数人可能在大多数时候都是错误的。然而，有些错误可以在研究中发挥生成作用。在努力做到正确的同时，让我们停下来欣赏富有成效的错误艺术。
本文以印刷版标题“通往错误的正确道路”发表。
*勘误（6/15/12）：费氏菌被错误地识别为藻类。它是一种真菌。