要想理解我们身处的世界，简单地从A走到B，这条道路根本行不通。错误的开始、以失败而告终、中间有U形的波澜起伏都是这条道路的一部分。能够坦然自若地接受挫折和失败，也就是说，承认“我们做错了”；能够修正和摒弃以前广受追捧、根深蒂固的观念；能够找到更新颖的想法来解释不断涌现的事实——这是科学不断向前发展的不竭动力，我们也因此能够更好地认识身处的世界。

    这也意味着我们必须随时保持警惕。尽管自然选择进化理论、量子物理等具有颠覆性的想法百年一遇，但是，科学的尘沙也持续不断地以不那么剧烈的方式慢慢发生着变化。最近，英国《新科学家》在线版列出了9个经历过挫折和转变的科学例子，这些概念和理论要么完全颠覆了以往的结论，要么拥有重大的突破，不管如何，我们都可以从中看出科学家看待客观世界时发生的变化。

    调整元素周期表：元素的原子量并非恒定不变

    我们很可能认为元素周期表是永恒不变的，然而，情况并非如此。首先，不断有新元素填充进来，物理学家利用更小的原子创造出了这些新元素。现在，不断有科学发现冲击着元素周期表看似坚不可摧的堡垒，我们开始逐渐意识到：元素的原子量并非恒定不变。

    原子量有两种：原子原子量和元素原子量。原子原子量是原子以碳单位为质量单位量度的原子质量，是一种相对质量。而化学元素的原子量是指该元素在自然界存在的同位素混合物的平均原子量，跟混合物中各成分的占有率直接有关。它同原子序数不能混为一谈。特定元素原子核内中子的数量是恒定不变的。原子量等于原子序数加上中子的数量，因此，问题就出现了：元素可能以不同的形式而存在，比如很多元素都有同位素，其原子包含不同数量的中子。

    为了反映这一点，元素周期表的“监护人”——国际纯粹化学和应用化学联合会（IUPAC）基于一个元素天然同位数的相对丰度计算出了该元素的平均原子量。例如，大多数氢原子有一个只包含一个质子的原子核，但有些氢原子也包含一两个中子，因此，官方将氢的原子量定为1.00794，而不是1。

    美国弗吉尼亚州地质调查稳定同位素实验室的科学家泰勒·科普伦表示，采用这种方法带来的问题是，它会使一个错误的想法在人们的大脑中落地生根，老师们可能会告诉学生：“原子量是自然界的基本常量。”实则不然，某个特定元素不同同位素所占的比例并非总是不变的。

    大多数元素在自然界中都有一个占优势的稳定形式，比如地壳中含量最丰富的氧元素，其最稳定的形式是原子核内有8个质子（定义为氧元素的标志）和8个中子的氧16，占99%。但这个比例并非一成不变，在空气、地下水、果汁或骨骼中都是不同的。比如，随着水蒸气穿越地球的大气层从赤道循环到极地，包含越来越重的氢的同位素的水分子会更快地降落到海里，因此，热带水域里氢原子的平均原子量往往高于极地附近海洋中的氢原子的平均原子量。因为不同的原因，慢慢渗下阿拉斯加海岸附近海底的碳氢化合物中碳原子的平均原子量比元素周期表中提供的原子量要大0.01%。

    以前公布的原子量是这些同位素的平均值，随着同位素数量的不断增长（118种元素有2000多种同位素），这些数值急需修订。2010年12月，IUPAC规定，今后氧、氢、锂、硼、碳、氮、硅、硫、氯和铊这10种元素的原子量将以数值区间的方式进行标注，而不再只是一个失真的单一数值。比如氢的原子量是H[1.00784; 1.00811]。这一变化也表明，长期以来，科学界终于承认118种元素中大部分的原子量是变化的。

    自从冥王星在2006年被剔除出太阳系大行星之列以来，最震撼科学界的大事当数化学元素原子量的全面改动了。作为主持修改元素原子量的负责人，科学家泰勒·科普伦表示，估计这一工作需要10年。他说，目前的工作已经有了良好的开端，余下元素的原子量将陆续调整。

    不过，在即将到来的改变来临时，有些元素也会毫发无伤，氟、铝、钠、金和另外17种元素只有一个稳定的同位素，因此，其原子量是自然常量。而有些放射性很强的元素因为其存在时间太短，很难确定其原子量。

    没有爬虫这样的动物

    很长时间以来，人们都认为脊椎动物很简单，包括两栖动物、鸟类、鱼类、哺乳动物和爬行动物这5种。鸟类拥有翅膀和羽毛；爬行动物有鳞片而且是冷血动物等等，各种动物各就各类，每种动物的形象都很清晰。

    不过，这些都是遗传分类学出现之前发生的故事了。遗传分类学是一种生物分类的哲学，上世纪60年代由德国昆虫学家威利·汉宁根提出。这种分类方法根据物种在进化树上的祖先，分析其共有的特征和同群物种之间的遗传关系。这似乎很有道理，但是，理性分析后，我们发现，它使我们熟悉的分类法陷入混乱之中。

    一个亮点是哺乳动物很好地证明了这一点：单个祖先物种哺育出所有活着的和已灭绝的哺乳动物，而且，没有其他后代，那使它们成为进化树上的一个逻辑“进化枝”，其分支远离进化树上的其他分支。鸟类也如此。

    但是，爬行动物就很可怜。传统的爬行动物——诸如蜥蜴、鳄鱼、蛇、乌龟以及很多其他已经灭绝的物种——并非一个真正的进化枝，因为所有这些动物共同的祖先，在不同的时间节点上，也制造出了哺乳动物和鸟类。遗传分支学认为，人们可以将这三种动物（爬行动物、哺乳动物、鸟类）混在一起，组成一个更大的超组——脊椎动物，但是，人们无法拥有一个单一的、持久的爬行动物分支。

    两栖动物的情况要好一点，但仅仅限于包括青蛙、蟾蜍、蝾螈、火蜥蜴、蚓螈等在内的活着的两栖类动物和已经灭绝的两栖类动物。而且，在更大规模上，两栖动物也会遭遇爬行动物的问题：相关的进化枝包括所有四足动物。

    因此，如果你认为遗传分类学有点矫枉过正，也有道理。出于各种原因，大多数生物学家很愿意使用传统的、人们都理解的分类法，基于动物的明显特征来对动物进行分类。你不会听到他们用“不会飞行的、不是哺乳动物的脊椎动物”来指代爬行动物。但是，这个术语真的是信息不太发达时代留下的残羹冷炙。

    有关核裂变的困惑

    我们已经制造出了原子弹；制造出了能给我们提供清洁能源的核反应堆，如果你觉得这不可思议，那么，当你认识到核裂变竟然基于一个误解（此前科学家们认为，原子会发生对称裂变，得到大小基本相等的碎片，而其实原子经常发生不对称裂变），人们可能会跌破眼镜。

    我们认为情况是这样的：当一个易受影响的元素裂变时，它一般会发生对称分裂，也就是裂变碎片大小基本相等。科学家也知道有不对称核裂变的例子，但迄今为止，尚没有完整的理论模型来解释对称、不对称裂变等各种现象。根据原子的壳层结构理论，质子和中子与核外电子一样分别填充在内核层和外核层上，当原子核中质子和中子的数目达到某一合适数量时，原子核会特别稳定。如果一个原子并没有裂变为完全相等的部分，它会优先裂开制造出一两个“幻数”原子核。

    去年，欧洲核子研究中心（CERN）的科学家使用上线同位素质量分离器（ISOLDE），在汞的一种不稳定同位素汞-180中，观察到了一种不对称裂变。ISOLDE是一个用来制造罕见的反射性同位素的装置。科学家们原本以为，正在发生裂变的汞-180会对称分裂为两个完全相等且拥有的中子数和原子数正巧为“幻数”的锆-90原子核。英国萨里大学的科学家菲尔·沃克表示，假定所有这一切发生的话，准确地预测结果“是明显的事情”。

    但是，令人遗憾的是，汞-180并没有遵循这个规则，而是不对称地裂变为完全不相同的钌-100和氪-80。沃克表示：“这让我们大吃一惊。显然，像裂变这样基本的一个过程都没有按照大家所希望的那样进行。”

    “对称分裂应该是占优势的，但却没有发生。”ISOLDE成员、西苏格兰大学的安德雷·安德烈耶夫说。参与ISOLDE项目的科学家们表示，他们没有考虑到的因素可能是时间。当一个原子核分裂时，它会变长，而且两个裂片之间会出现一个瓶颈。或许，在瓶颈裂开之前，有些原子核无法达到一种对称的均衡状态。但至于是什么因素决定了这一点，专家们也各抒己见。

    美国田纳西州立大学的原子核理论学家维托德·纳沙瑞维克认为，尽管工程师们掌握的核裂变知识足以建造出原子弹或核反应堆，科学家对核裂变的理解也已深入到质子和中子之间的相互反应，但现有模型并不能预测核裂变会产生何种不稳定的同位素。ISOLDE试验有助于科学家深入基本理论，设计下一代反应堆。

    氢键处于困境

    为什么冰会漂浮在水面上呢？科学家们将原因归结于氢键。

    曾两次荣获诺贝尔奖的量子化学大师莱纳斯·鲍林认为，他知道其中的奥秘。实际上，致力于研究这些问题的国际纯粹化学和应用化学联合会（IUPAC）仍然将氢键的官方定义建立在鲍林于1939年发表的著名著作《化学键的本质》中出现过的定义上。

    当一个已经被稳定地束缚进入一个分子中的氢原子发现自己能吸引一个能带负电的原子——比如氧原子、氮原子或氟原子时——这些原子喜欢吸收电子并且变成带负电的离子，就形成了一个氢键。

    以古老的H2O为例，一个水分子中的两个氢原子会通过共享的电子紧紧依附到中心的氧原子上，形成共价键；但是，当第二个水分子靠近时，围绕其中一个氢原子旋转的电子可能被吸引到第二个水分子渴求电子的氧气上。

    冰的密度比液体水的密度小，因为，当水分子变冷且静止时，它们之间微弱的氢键会使它们始终如一地保持距离。然而，在自由流动的水中，氢键不断裂开又再次形成，使分子紧紧地依附在一起。

    传统的定义也指出了氢键的长度具有一定的范围，然而，在过往的40年中，大量与不带负电的、更微弱的氢键（包括氢和碳元素等元素之间组成的氢键）有关的证据开始显山露水。

    6年前，IUPAC设置了一个委员会来厘清这种困惑，他们得出的结论已经于去年发表，该结论认为，氢键是比我们以为的要更加模糊的实体。IUPAC的成员之一、印度科技大学的高塔姆·丹瑟拉朱表示：“它同明显的边界之间没有相互关系。”

    丹瑟拉朱表示，这不仅仅与语义学有关。一个新的定义将对抗化学家们普遍接受的一种有关氢键什么时候、在什么地方出现的误解，并且鼓励他们思考氢键在新的环境——比如考虑到形成有机分子并采用一种以前认为不可能的反应方式下的影响。探索这条道路可能有助于我们研发出更加便宜的、更加环保的有机物，远离目前对有毒的、昂贵且包含了珍贵金属元素的催化剂的依赖。

    当基因不再是基因

    19世纪，当奥地利遗传学家格雷戈·门德尔在修道院中不竭余力地种植豌豆、研究豌豆时，活体生物的很多特性要么全有，要么全无。种子要么是绿色，要么是黄色；要么圆溜溜，要么皱巴巴，诸如此类。这使门德尔提出了一个观念：有机物的特性被不同的“粒子”——基因所决定，有机体会将这些“粒子”传递给后代。

    但是，基因是什么呢？上世纪50年代被科学家发现的DNA（脱氧核糖核酸）似乎解决了这个问题。生物学家们都认为，基因是一个DNA序列，为制造一个蛋白质编写指令，蛋白质是活体动物体内承担所有任务的分子。

    然而，半个世纪过去了，这样的一致意见也消失殆尽。现在，我们知道，单个基因能包含数十个不同的DNA片段，这些片段能聚集在一起，制造出成千上万个不同的蛋白质：DNA序列重叠在一起可以为截然不同的蛋白质编码，而且，很多蛋白质都由不同的基因集合片段编码。

    更令人困惑的是，我们发现，更多的DNA序列并不适合用来制造蛋白质，相反，可以用其来给能够直接执行不同功能的RNA（核糖核酸）分子编码。

    起初，我们将基因简单定义为一个影响子孙“性格”的DNA片段，现在，不管我们对这个定义进行何种修改，都没有太大的作用。那是因为，这将意味着我们不仅要将蛋白质或给RNA编码的DNA片段考虑进来，也要将无数打开或关闭这些片段活性的调控DNA序列考虑进来。

    那么，现在，基因是什么？这个问题的答案取决于你的询问对象是谁。美国耶鲁大学的医学生物信息学教授马克·嘉修坦建议可以将其简单定义为一个或多个“功能性产品”编码的片段的集合，但是，他也很愿意承认，这是一种简单、敷衍塞责的定义。他问：“什么是功能呢？它意味着什么呢？”例如，对一个物种的存活来说不可或缺的某个基因在另一个相关物种体内可能有点过量。那么，这会使它在一个物种中是基因而在另一个物种中不是吗？

    显微镜开始失去界限

    显微镜尽管很有用，但也并非那么完美无缺。当你试图使用显微镜来查看比用于成像的光波波长的一半还小的事物（对于可见光来说，指的是几百纳米以下的物体）时，它只能给你提供一个非常模糊的视线。很多时候，我们需要非常深入地查看到事物的蛛丝马迹，诸如生物体维持生命的过程的细节远远小于几百纳米。

    过去，我们常常将“衍射极限”看作基本的物理障碍，当光波遇到诸如一个显微镜的棱镜这样的障碍物时，光波会发生弯曲，这样会导致衍射极限。

    电子显微镜最先突破了衍射极限，电子显微镜利用电子的细微波长来给宽度仅为几纳米的物体成像。然而，不幸的是，被电子轰击后，活体细胞无法存活，因此，为了展现生命细微的秘密，我们需要使用光本身来突破光线的衍射极限。

    1984年发明的近场光学显微镜（NSOM）随之应运而生。它标志着传统光学显微镜分辨串的衍射极限已被突破，使人类未来可以用光学方法在小于亚微米的尺度上观察和研究物体的外观形貌和内在性质。

    当物体被光照射时，沿着物体的表面会形成寿命短暂的短波，这些“短命”的光波并没有机会发生衍射，而且，在其消失之前，将其捕获，可以将被观看的物体的大小减少到50纳米，近场光学显微镜就是利用了这些寿命短暂的光波突破了衍射极限。然而，其不利的一面在于，为了做到这一点，显微镜的孔径（光圈）必须要和其观测的样本进行非常亲密的“接触”，因此，在任何某个时间点上，我们只能看到一部分物体。

    一个令人更加高兴的解决方案是科学家们发明的受激发射损耗荧光（STED）显微镜。朝一个样本发射一束激光，会产生不同模式的荧光，其可以清晰看见宽度为5纳米（是一个DNA分子宽度的2倍）物体。无论样本是死的物品还是活的有机体，都是这样。普渡大学化学系教授格斯·辛普森表示：“这项技术的美妙之处是，你能使用受激发射损耗荧光显微镜来给任何物体‘拍照’。”

    该领域现在最尖端的技术是由通过纳米工程技术修改过的“超材料”制成的纳米衍射爆破超棱镜，这种棱镜能够利用转瞬即逝的光波，同时能聚焦更大范围的地方。但是，即使我们不考虑衍射极限，一个更加难以克服的障碍却横亘在我们面前。

    随着人类开始大踏步迈入量子领域，“臭名昭著”的“测不准原理”在我们周围虎视眈眈，威胁会让我们的视线变得模糊。“测不准原理”是量子力学的一个基本原理，由德国物理学家海森堡于1927年提出。该原理表明：一个微观粒子的某些物理量（如位置和动量，或方位角与动量矩，还有时间和能量等），不可能同时具有确定的数值，其中一个量越确定，另一个量的不确定程度就越大。

    诺亚方舟正在不断萎缩

    在大约200年的时间内，人类一直在系统性地给物种命名，不算上不太容易进行分类和命名的细菌和病毒，迄今被我们记录在案的约有170万种生物。如果让分类学家来估算地球上共有多少种生物，他们给出的令人比较容易接受的数字是3000万。

    这个数字无疑过高。早在1982年，美国史密森学会的特里·欧文做过一个非常草率的实验。他来到巴拿马的热带森林里，用杀虫烟熏了几棵树，把树上掉下来的死虫子全都拾起来，结果光是甲虫就有1143种。欧文估计，世界上全部热带雨林里的全部节肢动物（包括昆虫、蜘蛛、蜈蚣等）占据了全球所有物种的三分之一，大概有3000万种，后来科学家们认为这个数字太夸张了，把它缩小为500万到1000万种。如果欧文的数字是正确的，那么，应该约有1亿种生物遍布在地球各地。

    欧文的工作基于一系列的推测和假设，诸如节肢动物中甲壳虫所占的比例、热带树种的总数量，以前当选择某种树木栖居时，甲壳虫的挑剔程度等，都是基于一些假设。2010年，澳大利亚墨尔本大学的安德鲁·汉密尔顿和同事采用了一种新的统计分析方法，将所有这些因素考虑在内，对位于南太平洋西部巴布亚新几内亚的56种树上的甲壳虫的种类进行了统计，他们认为，全球只有250万种节肢动物，远远低于此前的估计。

    数字乘以树木的种类，人们得到的结果是，全球只有不到800万种物种。汉密尔顿得到的结果甚至更低，大约为550万。

    更加坚定地认为地球上的生物应该保持多样性会让人们更容易为保护地球生物的多样性而付出殚精竭虑的努力，但是，现在，人们仅仅找到了400万种物种，而且，发现新物种的速度似乎很难超过物种消失的速度。

    磁单极子或可被制造出来

    多少年来，人们一直对电、磁在宏观和微观上的不对称深感困惑，特别是为什么正、负电荷能够单独存在，而单个磁极却不能单独存在更是盘旋在很多科学家头脑中的不解之谜。

    此前，教科书一直教导我们：“世界上不存在磁单极子。”然而，现在，世界发生了变化。

    磁单极子是理论物理学弦理论中指一些仅带有北极或南极单一磁极的磁性物质，它们的磁感线分布类似于点电荷的电场线分布。这种物质的存在性在科学界时有纷争，截至2008年尚未发现这种物体。磁单极子可以说是21世纪物理学界重要的研究主题之一。

    其实，早在1931年，英国物理学家保罗·狄拉克就利用数学公式预言了磁单极粒子的存在。当时，他认为既然带有基本电荷的电子在宇宙中存在，那么理应也有带有基本“磁荷”的粒子存在。

    随后，科学家们穷尽脑汁试图寻找磁单极粒子的“芳踪”，甚至包括使用粒子加速器来人工制造磁单极子，但均无收获。

    1975年，美国科学家利用高空气球来探测地球大气层外的宇宙辐射时偶然发现了一条轨迹，当时科学家们分析认为这条轨迹便是磁单极粒子所留下的轨迹。1982年2月14日，在美国斯坦福大学物理系做研究的布拉斯·卡布雷拉宣称，他利用超导线圈发现了磁单极粒子，然而，事后他在重复他这一实验时却未得到先前探测到的磁单极粒子，最终未能证实磁单极粒子的存在。

    两位美国物理学家内森·塞伯格和爱德华·威滕于1994年首次证明出磁单极粒子存在理论上的可能性。很多科学家仍旧在寻找磁单极子的科学长路上跋涉。

    现在，有科学家证明，我们能够制造出磁单极子。如果受到名为自旋的量子力学属性的影响，单个原子会像细小的拥有南北极的条形磁铁一样活动。将物质包含的原子的磁极对准，物质本身就会变成磁铁。

    科学家们随后发现，在极低温度下，一类名为自旋冰的特殊材料会以一种“受挫”的磁状态而存在。在磁场中，这种特殊材料的原子非常好对齐，但是，它们会被集合成一个紧致的晶体结构，而这种晶体结构会阻止它们对齐，除非人们将温度略微升高一点。升高温度会使单个原子能轻轻抖动其磁极，让其右对齐，从而引发一个多米诺骨牌效应，导致所有原子的磁极右对齐。伦敦大学学院的斯蒂芬·布拉威尔表示：“从实践角度而言，就这相当于一个自由增殖的磁荷。”

    今年3月，布拉威尔和同事宣布，他们已经设法在一个等效磁电容内存储了长寿的磁单极子流，朝完全成熟的“磁”电路迈开了脚步。布拉威尔表示，尽管此时此刻，“磁”电路这样的设备还是新鲜事物，但这并不意味着其在未来没有用途，毕竟，“在人们没有为其找到显著用途时，电也坐了很长时间的冷板凳。”

    爱因斯坦的“宇宙骗局”

    任何一位科学家都有可能犯错，即便最伟大的科学家阿尔伯特·爱因斯坦也不例外，宇宙膨胀问题就搞晕过爱因斯坦，成为其科学研究历程上“最大的错误”。

    危若累卵的是宇宙的命运。1917年，在发表广义相对论前，爱因斯坦向许多天文学家请教过宇宙是否膨胀这个问题。爱因斯坦之所以要知道这一点，是因为他的方程式描述了一个要么膨胀要么缩小的宇宙。天文学家们告诉爱因斯坦，宇宙其实很稳定，于是他对方程式做了改动，加了个“宇宙常数”以解释宇宙为何能稳定地存在。十年后，美国著名天文学家爱德温·哈勃证明，遥远的星系正在远离我们，宇宙的确在膨胀，爱因斯坦所做的修改根本是“无中生有”。

    爱因斯坦也曾表示，加入“宇宙常数”是他一生中犯下的“最大错误”，但是，后来的科研结果证明，此话有点言之过早。1998年，科学家们发现，遥远的超新星正在加速远离我们。这表明，一种神秘的“暗能量”的出现能抵销引力产生的拉力，结果表明，我们确实需要将爱因斯坦的宇宙常量加入等式中，以便让我们的理论与观测结果相匹配。

    显然，众口难调，并非每个人都愿意这么做，因为，没有人真正知道“暗能量”是什么。有些天文学家提出，如果地球位于巨大的宇宙空白处的心脏，也会产生遥远的宇宙正在远离我们的“幻想”。但是，这就需要我们摒弃一个根深蒂固的想法——哥白尼原则，该原则认为，地球所处的位置既不是宇宙中心，也没有任何特殊之处。

    上述错误或许只是冰山一角，科学真相浮出水面也需要漫长的时间和科学家们兢兢业业的努力。科学家们也从来没有放弃过向貌似坚不可摧的理论发动猛攻的野心。