或許科學比任何其他職業都更重視正確性。當然，大多數科學家——像大多數活著的人類一樣——在前進的道路上會犯很多錯誤。然而，並非所有錯誤都是相同的。歷史學家們發掘出許多案例，在這些案例中，一個不正確的想法被證明比成千上萬個微不足道的錯誤或狹隘的正確想法更有效。這些是富有成效的錯誤：觸及我們周圍世界深刻、基本特徵的錯誤，並促使進一步的研究，從而帶來重大突破。它們當然是錯誤。但是，如果沒有它們，科學將會糟糕得多。
例如，尼爾斯·玻爾建立了一個幾乎在所有方面都錯誤的原子模型，但它啟發了量子力學革命。面對巨大的懷疑，阿爾弗雷德·魏格納認為，離心力使大陸沿著地球表面移動（或“漂移”）。他掌握了正確的現象，儘管機制是錯誤的。恩里科·費米認為他創造了比鈾更重的原子核，而不是（正如我們現在所知）偶然發現了核裂變。
來自 1970 年代物理學和 1940 年代生物學的兩個富有成效的錯誤案例戲劇性地說明了這一點。這些錯誤的作者不是碰巧在事後走運的倒黴笨蛋。相反，他們堅定地提出了他們的同事很少提出的問題，並將當時很少有人考慮的想法結合起來。在這個過程中，他們為當今蓬勃發展的生物技術和量子資訊科學領域奠定了關鍵基礎。他們錯了，世界應該感謝他們的錯誤。
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幽靈光子克隆
我們的第一個錯誤有助於闡明量子力學早期開始的一場爭論，當時阿爾伯特·愛因斯坦和玻爾就量子理論的本質和最終含義進行了一系列激烈的辯論。愛因斯坦曾公開反對幾個奇怪的特徵。例如，使用量子力學方程，物理學家只能預測各種事件的機率，而不是確定的結果。“無論如何，我確信他 [上帝] 沒有在擲骰子，”愛因斯坦反駁道。這件事就這樣擱置了 30 年。愛因斯坦和玻爾都沒有說服對方。
幾十年後，一位來自北愛爾蘭的年輕物理學家約翰·貝爾重新審視了愛因斯坦和玻爾的交流。貝爾重新審視了愛因斯坦早在 1935 年發表的思想實驗。愛因斯坦設想了一個源，該源噴射出成對的量子粒子，例如電子或光子，沿相反方向移動。物理學家可以測量每個粒子在彼此遠離後的一些性質。貝爾想知道這些測量結果之間的相關性。
1964 年，他發表了一篇非常簡短而優雅的文章，證明根據量子力學，其中一項測量的結果——例如，沿給定方向移動的右側粒子的自旋——必須取決於測量左側粒子哪個性質的選擇。貝爾推斷，實際上，任何重現與量子力學相同經驗預測的理論都必須包含一種訊號或“機制，透過該機制，一個測量裝置的設定可以影響另一個儀器的讀數，無論它有多麼遙遠。”此外，他總結道，“所涉及的訊號必須瞬時傳播。”這種長距離相關性被稱為“量子糾纏”。
儘管貝爾的論文在今天的物理學家中享有盛譽，但在它發表時並沒有引起太大的轟動，即使瞬時訊號傳輸會違反愛因斯坦相對論中得到充分支援的定律，該定律認為沒有訊號或影響可以比光速更快地傳播。注意到這一點的物理學家之一是尼克·赫伯特。這個主題開始佔據赫伯特越來越多的注意力，擠佔了他作為舊金山灣區工業物理學家日常工作的想法。當時，赫伯特是一個古怪的非正式討論小組“基本物理學小組”的核心成員。參與者在伯克利會面，他們大多是在精英專案中獲得博士學位的年輕物理學家——赫伯特在斯坦福大學完成了他的博士論文——只是淪為前所未有的就業危機的受害者。例如，在 1971 年，超過 1,000 名年輕物理學家在美國物理研究所的招聘服務處註冊，競爭僅有的 53 個職位。
在失業和有空閒時間的情況下，赫伯特和他的夥伴們在 1970 年代中期每週聚會，集思廣益地思考現代物理學的深刻難題，這些主題在他們的正規物理學培訓中很少受到關注。他們被貝爾定理和量子糾纏所吸引。另一個小組成員約翰·克勞瑟進行了世界上第一個貝爾定理的實驗測試，發現關於量子糾纏的奇怪預測是完全正確的。（2010 年，克勞瑟因其貢獻而分享了著名的沃爾夫獎。）
與此同時，在他們周圍，灣區正在見證對諸如超感官知覺和對未來的預知幻象等奇異現象的興趣爆炸式增長。《舊金山紀事報》和其他主流報紙刊登了關於心靈感應實驗的故事，而神秘學愛好者則慶祝新時代的到來。赫伯特和他的討論夥伴開始懷疑貝爾定理——它似乎暗示了遙遠物體之間神秘的、瞬時的、遠距離的連線——是否可以解釋最新的奇蹟。
赫伯特專注于貝爾描述為量子粒子之間瞬時訊號的東西，想知道是否可以利用它們來發送超光速訊息。他開始制定他稱之為“超光速電報”的計劃：一種可以利用量子理論的基本屬性來違反相對論，從而違反物理定律的裝置。經過幾次錯誤的嘗試，赫伯特在 1981 年 1 月提出了他的“FLASH”方案。該首字母縮寫詞代表“首個雷射放大超光速連線”。它使用精細的基於雷射的系統來傳輸超光速訊號。
赫伯特的方案看起來天衣無縫。他將他的想法提交給期刊的幾位審稿人被他的論點說服。“我們無法識別所提出的實驗中存在的任何基本缺陷，這些缺陷揭示了悖論的起源，”兩位審稿人報告說。另一位審稿人阿舍·佩雷斯採取了更大膽的步驟。他在他的簡短報告中宣佈，赫伯特的論文一定是錯誤的——因此它需要發表。因為佩雷斯自己找不到任何缺陷，他認為錯誤一定是實質性的，那種會促使進一步進步的錯誤。
佩雷斯的不尋常（甚至勇敢的）立場很快得到了證實。三組物理學家對赫伯特的論文進行了仔細審查。義大利的吉安卡洛·吉拉爾迪和圖利奧·韋伯、美國的沃伊切赫·祖雷克和比爾·伍特斯以及荷蘭的丹尼斯·迪克斯都認識到，赫伯特在計算接收訊號的物理學家應該看到什麼時犯了一個微妙的錯誤。赫伯特假設他的裝置中的雷射放大器能夠發出大量與原始光狀態相同的光。實際上，科學家們意識到，雷射無法複製單個光子，只能產生隨機雜湊，就像一臺影印機將兩張不同的影像混合在一起以產生一團糟的模糊影像。
在拆解赫伯特的提議的過程中，這三個小組發現了一個迷人的、量子力學的基本特徵，這是以前沒有人認識到的。FLASH 系統失敗的原因是“不可克隆定理”，該定理禁止在不擾亂狀態的情況下複製或克隆未知的量子態。該定理阻止了潛在的發明家使用量子理論來構建超光速電報，從而使量子糾纏能夠與愛因斯坦的相對論和平共處。事件接事件，雙粒子確實根據遠距離瞬時相關性自行排列，但這些連線永遠不能用於傳送超光速訊息。
很快，其他一些物理學家意識到，不可克隆定理提供的不僅僅是對赫伯特的奇怪論文的回應，也不僅僅是糾纏和相對論之間不安休戰的基礎。1984 年，查爾斯·貝內特和吉勒斯·布拉薩德直接基於不可克隆定理設計了第一個“量子加密”協議：一種保護數字訊號免受潛在竊聽者侵害的全新方法。正如貝內特和布拉薩德意識到的那樣，量子力學禁止任何人複製未知量子態的事實意味著合作伙伴可以將秘密訊息編碼到糾纏光子中並來回傳遞。如果有人試圖攔截傳輸中的光子並進行復制，他們會立即破壞所需訊號，並同時宣佈他們的存在。
近年來，量子加密已成為全球量子資訊科學努力的前沿。維也納的安東·蔡林格和日內瓦的尼古拉斯·吉辛等物理學家已經進行了量子加密銀行轉賬和電子投票的真實世界演示。對於赫伯特引人入勝但有缺陷的 FLASH 方案來說，這不算是一個糟糕的遺產。
遺傳悖論
我們關於犯錯科學家的第二個例子以範德比爾特大學教授，後來的加州理工學院教授馬克斯·德爾布呂克的工作為特色。德爾布呂克是玻爾的學生，他從玻爾 1932 年的著名講座“光與生命”中汲取了理解生物過程會產生新的悖論，而解決這些悖論可能會導致發現新的物理定律的想法。德爾布呂克招募了其他科學家參與這項工作，幫助在二戰後的幾年裡建立了分子生物學領域。
1940 年代提出的關鍵問題之一是“什麼是基因”？在 19 世紀中期，僧侶格雷戈爾·孟德爾提出了遺傳因子（後來稱為基因）的存在，該因子具有兩個獨特的特性。第一個是自我複製的能力。第二個是產生變異或突變的能力，這些變異或突變與原始基因一樣忠實地被複制。
然而，在 1940 年代，沒有人知道基因是由什麼構成的，也不知道它們是如何繁殖的。正如量子物理學先驅埃爾溫·薛定諤在他 1944 年出版的著作《生命是什麼？》中指出的那樣，沒有普通的物理系統可以自我複製。基因似乎具有自我複製的能力，這似乎違背了熱力學第二定律。
德爾布呂克正在尋找原子基因——負責遺傳奧秘的不可分割的物理系統。作為一名優秀的物理學家，德爾布呂克認為，最有效的方法是研究生命最小和最簡單的單位：病毒。具體來說，他選擇研究噬菌體（簡稱“噬菌體”）——感染細菌的病毒。這些是當時最容易分離和生長最快的病毒之一。儘管像所有病毒一樣，噬菌體僅在宿主細胞內繁殖，但德爾布呂克試圖避免他認為是不必要的複雜性。他和他的同事埃默裡·埃利斯開發了一種生長方法，使他們能夠專注於噬菌體的繁殖，同時忽略受感染細菌的細胞複雜性。
德爾布呂克確信基因是由蛋白質構成的。他認為，瞭解病毒的蛋白質部分如何繁殖，您就會了解基因。他推測，研究病毒繁殖的最佳方法是觀察它們的繁殖。
但是，如何才能真正捕捉到病毒的複製過程，從而瞭解這個過程呢？不同噬菌體的繁殖時間各不相同，德爾布呂克和他的合作者薩爾瓦多·盧里亞推斷，如果他們用兩種噬菌體菌株感染相同的細菌，一種繁殖速度比另一種快，那麼當細胞破裂時，他們應該能夠捕獲複製速度較慢的菌株的複製中間體。
雙重感染實驗沒有按計劃進行——盧里亞和德爾布呂克發現，一種病毒株的感染阻止了另一種病毒株的感染。大約在同一時間，賓夕法尼亞大學的托馬斯·安德森在電子顯微鏡下檢查了德爾布呂克和盧里亞的一種噬菌體菌株的樣本。他發現病毒遠比以前想象的要複雜得多——當然，它不僅僅由單個原子基因組成。它是一種蝌蚪狀顆粒，由蛋白質和核酸組成，它與細菌外部結合以引發感染。德爾布呂克設想的病毒和基因之間的一一對應關係開始瓦解。
儘管如此，德爾布呂克還是沒有被勸退。為了更好地瞭解一些細菌如何抵抗噬菌體感染，他和盧里亞設計了他們稱之為波動測試的方法。該測試最終幾乎沒有揭示病毒複製的任何資訊，但其巧妙的方法論表明，細菌根據達爾文原理進化，隨機突變偶爾會賦予生存優勢。這是細菌遺傳學研究的一個里程碑，開闢了全新的研究領域。德爾布呂克和盧里亞（以及阿爾弗雷德·赫希）因此項工作而分享了 1969 年諾貝爾生理學或醫學獎。
然而，波動測試並沒有促進對病毒繁殖的理解，這顯然讓德爾布呂克感到沮喪。1946 年，他甚至在一次公開演講中抱怨說，他創造的細菌研究的“爆炸性”可能性現在威脅要取代他對病毒的關注。此外，越來越清楚的是，噬菌體利用宿主大腸桿菌的細胞資源來繁殖自身。與德爾布呂克最初的假設相反，畢竟不能忽視宿主。
然而，他專注於簡單系統的直覺被證明是非常富有成效的——即使噬菌體被證明比他預期的要複雜得多。噬菌體發展成為一代生物學家的模型生物，甚至激發了詹姆斯·沃森對 DNA 結構的探索。德爾布呂克很好地選擇了他的實驗物件，並設計了突破性的方法來研究它。
德爾布呂克在 1950 年代完全放棄了噬菌體研究，轉而專注於感覺感知的生物物理學，使用一種叫做費氏菌的藻類。* 儘管他能夠招募一些年輕的物理學家來研究這個新的模型系統，但事實證明，它的成果遠不如噬菌體。然而，他仍然是對他人噬菌體實驗的活躍批評者，他對關鍵發現的誤判傾向變得傳奇。加州理工學院的分子生物學家讓·韋格勒過去常常講一個故事，講述他遇到一位年輕研究人員，他在德爾布呂克對他提出的實驗的反應後感到沮喪。德爾布呂克喜歡這個想法，這是一個肯定的跡象，表明它是毫無希望的。對於那些走在正確道路上的人來說，人們可以從德爾布呂克那裡期望得到的最高讚揚是“我一個字都不相信！”
公平的讚譽
在物理學和生物學的這些例子中，聰明的科學家提出了錯誤的觀點。它們不是普通的錯誤，它們促進了基礎科學不同領域的重大發展。在快速發展中，這些科學見解幫助催生了數十億美元的研究計劃，併為即使在今天仍在狂熱地重塑我們生活世界的產業播下了種子。
然而，在重要的一點上，赫伯特和德爾布呂克的錯誤產生了截然不同的遺產。德爾布呂克（理所當然地）享有非常成功的科學職業生涯。他重視非常規方法，並對即使是最好的科學也進行批判性審查；他的地位足夠高，可以承受異端。另一方面，赫伯特卻難以維持生計，甚至花時間領取公共援助——這很難說是鼓勵一位思想家的最有效方式，他的工作有助於闡明量子理論的深刻見解，並啟動一場技術革命。
專業軌跡的巨大差異表明，我們需要一些新的核算方案，透過該方案，我們在科學領域分配讚譽。那些評估科學家貢獻的人永遠無法像體育統計學家那樣獲得清晰的認識——無休止地跟蹤三振出局或助攻——部分原因是科學錯誤的意義將隨著時間的推移而改變，因為研究人員會努力解決它們的影響。儘管如此，值得思考如何最好地承認和鼓勵那些未能成功但推動了遊戲向前發展的創造性飛躍。
畢竟，任何人都會犯錯。事實上，當今科學出版物的龐大數量表明，我們大多數人可能在大多數時候都是錯誤的。然而，有些錯誤可以在研究中發揮生成作用。在努力做到正確的同時，讓我們停下來欣賞富有成效的錯誤藝術。
本文以印刷版標題“通往錯誤的正確道路”發表。
*勘誤（6/15/12）：費氏菌被錯誤地識別為藻類。它是一種真菌。