譯者：科斯科斯
譯者自我簡介：hi大家好，我是某島國一名電子工程大二學生，興趣是數學，大腦，日系動漫和科幻。從幾本科普雜誌上知道了姬十三，因此自松鼠會誕生之初就在默默關注它。幾年前第一次看到小紅豬時我還對英文十分頭痛，不敢嘗試，沒想到現在能在這裡露面。感謝校對和編輯，我還會繼續嘗試～。
校對：魏桐
校對自我簡介：生科之與我，就像雞肋之於曹公，食之無肉，棄之有味，無奈我好之。
小紅花等級：5朵
原文：Rewriting the textbooks: When science gets it wrong
當然，這也表示我們必須隨時準備做出改變。當諸如自然選擇進化、量子物理等革命性思想出現時，科學的沙盤便開始以難以捉摸的方式不斷移動。下面列舉了九個最近發生的事例，有的只稍稍修改了既有科學定義，有的則削弱甚至打破了曾經被人深信不疑的鐵律。通過它們，我們一起來看看科學的沙盤是如何變換自己的面目的。
元素週期轉盤
我們總認為元素週期表是固定不變的。其實並非如此。原子的重量並不總是相同的。——西萊斯特‧必威
原子的重量並非保持不變
我們總認為元素週期表是固定不變的，其實並非如此。它的底部一度被那些由物理學家用較小原子打造的『新元素』所填充。現在，就連它最普通的、排佈著我們熟悉的元素的地方，也在發生著根本的變化。元素們那精確定義的原子量也變得不再精確了。
原子量（相對原子質量）是某元素原子的平均質量與其它元素相比較得到的相對質量。它和原子序數不一樣，原子序數是某種元素原子的原子核中質子的個數。同一元素的原子中的質子數是固定不變的，而原子量還與中子有關。這就是麻煩的來源：同一元素有不同 的同位素形式，它們的中子數也各不相同。
為了表明這一點，元素週期表的監護人，國際理論與應用化學聯合會（國際化聯）根據各個元素天然同位素的相對含量計算出元素的平均原子量。例如，大多數氫原子的原子核僅由一個質子組成，沒有中子，但仍有一些包含一個或兩個中子。因此，迄今為止，氫的官方原子量為1.00794。
美國弗吉尼亞州地質調查局雷斯頓穩定同位素實驗室的泰勒‧科普倫說，這種方法的不足之處在於它帶來揮之不去的誤解。他說，老師告訴學生原子量是自然界的常數，但它們並不是固定的。某個樣品中，一個元素的不同同位素的比值取決於所組成物質的形成、轉移和聚集過程。
例如，當水蒸汽在大氣中從赤道向兩級流動時，那些含有較重的氫元素同位素的水蒸汽會更早的落回大海。所以，熱帶海域的氫元素平均原子質量比極地海域要高一些。再比如說，在一種由海底滲漏到阿拉斯加海岸的名為crocetane的碳水化合物中，碳元素的平均原子質量因為某些原因比元素週期表上給出的數值大0.01%。
持續不斷的新的同位素測量意味著原子量會不斷發生變化。「這讓我們抓狂，」科普倫說。這一情況需要改變。2010年十二月，IUPAC修訂了原子量最不準確的10個元素，包括氫、鋰、硼、碳、硫以及氮。現在它們的重量由上下限表示，這個範圍考慮了地球上所有已知物體中不同同位素的比例大小。例如，氫元素的原子量被標註為H [1.00784; 1.00811]（理論與應用化學，第83卷，第359頁）。
有些元素並沒有受到以上影響。氟、鋁、鈉、金和17種其他的元素只有一種穩定的同位素形式，所以它們的原子量在自然界中的確是不變的。而另一些高放射性元素由於存在時間太短，根本無法測出它們的原子量。
爬行綱並不存在？
古老的爬行綱，例如蜥蜴、鱷魚、蛇、龜以及一些已滅絕的物種，其實並不是真正的進化枝。——格雷厄姆‧勞頓
脊椎動物的分類原本很簡單。它由五大類組成：兩棲動物、鳥類、魚類、哺乳動物和爬行動物。那些有翅膀和羽毛的動物屬於鳥類，有鱗及冷血的則是爬行動物，等等。這五類包含了所有脊椎動物，每一個脊椎動物也只屬於一個類別。
但這只是支序分類學出現以前的事。支序分類學是德國昆蟲學家威利‧漢寧根於20世紀60年代提出的一套更加合理的分類系統。它通過分析物種的共有特徵和遺傳關係，根據它們的進化過程進行分類。這聽起來很合理，但是它嚴謹的邏輯性讓我們熟悉的物種分類變得混亂不堪。
引人注目的成果之一是哺乳動物的分類：所有現存和已滅絕的哺乳動物都只源自一個祖先物種，這說明哺乳動物的祖先在某個歷史時期進化出來，在進化樹上形成一個清晰的進化枝。鳥類也是如此。
可是爬行動物就沒這麼幸運了。以前的爬行綱在新的分類系統中得不到承認，因為蜥蜴、鱷魚、蛇、龜以及很多滅絕爬行動物的共同祖先也有進化成鳥類和哺乳動物的。對支序分類學而言，這三個類群可以合併成一個大類群——羊膜動物。但是爬行動物無法作為一個進化枝分離出來(如圖)。
兩棲動物的處境則稍微好一點，但也僅限於現存的種類，諸如青蛙、蟾蜍、水蜥、蠑螈和類似蠕蟲的蚓螈等。如果考慮到已滅絕的種類，你會面臨著爬行動物的問題的加強版；相關進化枝包括所有四足動物和四肢脊椎動物，而且它們跟魚類的關係也夾纏不清。
如果你認為支序分類法做的太過了，那麼你說對了。在日常工作中，大多數生物學家還是願意參照傳統的分類法，因為傳統分類法依據的是那些顯而易見的特徵。畢竟當你可以稱他們為「爬行動物」時，你絕不會想叫他們「非鳥類、非哺乳類的羊膜動物」。但是「爬行動物」這種名稱確實是那個不夠博識的時代的遺留物。
眾說紛紜的核裂變
我們製造了核彈。我們建立了核反應堆。但整個核裂變的事業都建立在某個誤解之上。
我們製造了核彈。我們製造了核反應堆以提供大量低碳電力。如果說這一切看起來已經不同尋常，那麼下面你將會覺得更加驚奇：整個核裂變事業是建立在一個誤解上的。
我們自認為已經知道，當一個不穩定元素發生核裂變時，它會分裂成大致相等的兩個元素，或者質子和中子會按照幻數分佈。這些被稱為幻數的數字來自於一套用於理解原子核的模型。該模型把原子核看作一滴具有強烈粘性的液體，它具有不同的「殼層」，不同的殼層分佈著一定數量的質子和中子。這一模型同原子最外層的電子殼層概念類似。這個精緻的模型雖然可以解釋原子核的結構，但也有不足之處。
正如同電子殼層結構中電子數目充滿最外層殼層的原子是不起化學反應的惰性氣體一樣，當原子核最外層殼層的質子數和中子數達到適當數值時，原子核會特別穩定。這樣的數值就是幻數。所以，如果一個原子不裂變成兩個相同的原子，它就很可能會裂變形成一個或兩個幻數原子核。
去年，這些想法在上線同位素質量分離器上得到了測試。上線同位素質量分離器位於瑞士日內瓦西部的歐洲核子研究組織，是用來研究稀有放射性同位素的設備，專家用它來檢驗汞-180裂變後的結果。如果把汞-180對稱分配會得到兩個鋯-90原子核，而鋯的質子數剛好是幻數，中子數則幾乎是幻數。英國吉爾福德郡薩裡大學的菲爾‧沃克表示，鑑於以上理由，汞-180會分裂成兩個相同的原子核是毋庸置疑的。
不幸的是汞-180並沒有遵守遊戲規則。它不對稱的分為顯然不屬於幻數的釕-100和氪-80（物理評論快報，105卷，252502頁）。
沃克說：「像核裂變這樣基本的物理過程，所得到的結果居然不符合預期，實在是令人驚訝。」上線同位素分離器團隊認為原因或許來自於一個被遺忘的參數：時間。由於原子核分裂時被拉長，兩個裂片中間會出現頸狀部位。或許一些原子核在頸狀部位裂開以前只是無法達到對稱的平衡狀態。但是，至於究竟是原子核的什麼因素決定了這一點，專家們的意見仍然存在分歧。
處於困境的氫鍵
化學這件事比我們想像得還要含糊不清。
為什麼冰塊可以浮在水面上？答案就是氫鍵的作用，雖然氫鍵到底是什麼？沒人說的清。
諾貝爾獎得主萊納斯‧鮑林認為他知道答案。事實上，一直致力於規範此類事物的國際理論與應用化學聯合會（國際化聯）仍然以鮑林在1939年的經典著作《化學鍵的性質》作為氫鍵官方定義的依據。
如圖所示，氫鍵就是已經與原子穩定結合形成分子的氫，受到分子中或分子附近的諸如氧、氮、氟等電負性大的原子的吸引而在兩者間形成的相互作用。這些電負性大的原子會吸引氫原子中的電子而具有負電性。
最經典的例子就是水分子。在一個水分子中，兩個氫原子通過共用電子對與中央的氧原子形成共價鍵。但是一旦有第二個水分子靠近，圍繞原來的水分子中的一個氫原子旋轉的電子將會向第二個水分子中電負性的氧原子靠攏。
因此，冰比液態水的密度要小得到瞭解釋。同樣質量的水，當處於低溫且靜止的狀態時，水分子間形成較弱的氫鍵使它們始終保持一定距離。然而在流動時，氫鍵不斷的被打斷和重建，使得水分子相互擁擠變得更加緊密，體積也就較小。
這些解釋都很不錯。但是這種傳統的敘述也暗示氫鍵的強度存在一個嚴格的範圍。然而在過去的40年中，大量關於弱氫鍵存在的證據不斷的被披露出來。這包括氫和諸如碳那樣並不具電負性的原子之間形成的氫鍵。
6年前， 國際化聯成立了一個委員會試圖消除人們的這些疑問。他們於去年發佈了一份長達七頁的關於重新定義氫鍵的起草案，結論是氫鍵是一種比我們的想像還要複雜的相互作用。「它不是一種可以嚴格定義的相互作用。」來自班加羅爾的印度理學院的高塔姆‧迪薩拉傑說。他是國際化聯委員會的一名成員。
這不僅僅是語義學的問題，迪薩拉傑表示。一個新的定義會糾正化學家們對於氫鍵的普遍誤解，並鼓勵他們考慮在各種新情況下氫鍵的作用。例如，讓有機分子以看似不可能的方式相互結合和反應。探索這種途徑可以幫助我們擺脫現在所依賴的含貴金屬且有毒的昂貴催化劑，而使用更為便宜環保的有機替代物。
當基因不是基因時
怎樣定義組成生命的積木呢？不同的人會給你不同的答案。——麥克‧萊佩奇
當19世紀的格雷戈爾‧孟德爾還在展示他對豌豆進行的辛苦實驗時，許多生物的性狀介乎有或沒有。人們只知道種子不是綠色的就是黃色的，不是圓粒就是皺粒，等等。這導致了以下說法：一個生物體的性狀取決於從上一代那裡得到的不連續的因子：基因。
但是，什麼是基因呢？這個問題似乎在20世紀50年代脫氧核糖核酸（DNA)被發現時就已經得到瞭解答。生物學家一致認為基因是一段可以編碼蛋白質的DNA序列。而蛋白質與各種形式的生命活動都密切相關。
半個世紀之後，這種看似和諧的景象不復存在。現在我們知道，單個『基因』可以由許多個不同的DNA片段組成，它們的不同組合可以編碼幾千種不同的蛋白質；一些相同的DNA片段可以編碼出不同的蛋白質，有些蛋白質由多個基因片段組合編碼而成，而這些片段以前被認為是不同的基因。
更令人困惑的是，我們發現更多的DNA序列並不編碼蛋白質，而是編碼有各種功能的核糖核酸(RNA)。耶魯大學的生物信息學家馬克‧格斯坦說：「當你考慮RNA時，事情會變得更加複雜。」
即使對以前的概念做些修改，定義基因為一個會影響後代性狀的DNA片段也不能解決問題。這樣定義的基因不僅包括可以編碼蛋白質或RNA的DNA片段，也包括了大量可以控制那些片段開啟和關閉的調控DNA序列。
事到如今，基因究竟是什麼並沒有得到統一的答案。格斯坦建議可以簡單的定義它為可以編碼一個或多個『功能性產物』的序列的集合。他也欣然承認這種定義並不完善。功能是什麼，它又是怎樣定義的，這些問題還沒有的到明確的解答。比如，一個對某個物種生存十分重要的基因可能對它的近親來說就是冗餘的，即使它們的序列是完全一樣的。難道說它對一個物種而言是基因，但對另一個物種來說卻不是？
顯微鏡無極限
我們過去認為顯微鏡存在一個基礎物理極限。可能是有這樣一個極限，但不是我們原本認為的那個。——薩莉‧阿迪
顯微鏡很有用，卻沒有那麼完美。當通過它觀察的事物的尺寸小於成像光線的半波長時，圖像會變得非常模糊；對可見光而言，這個尺寸只有幾百納米。而諸如維持生命過程這種需要仔細觀察的現象是遠遠小於這個尺寸的。
當光線遇到顯微鏡透鏡這樣的障礙物時，會發生折射和散射，這種現象導致的『衍射極限』就是顯微鏡最根本的物理極限。電子顯微鏡出現以後，人們不再這麼認為了。電子顯微鏡利用波長非常小的電子束來放大隻有幾納米的物體。不幸的是，被電子擊中的生物細胞無法存活。因此，為了探索生命的秘密，我們需要用光本身來打破光的衍射極限。
發明於1984年的近場掃瞄光學顯微鏡做到了這一點。它利用了物體受光線照射後在材料表面短暫存在的隱失波。這種隱失波不會發生衍射，因此在它們消失以前到捕獲它們可以觀察物體的大小，這一技術將人們的觀察物體的尺寸下限下降到大約50納米。缺點是，要做到這一點，顯微鏡的光圈必須緊貼樣品，所以一個視野只能看到物體的一小部分。
一個更加理想的解決方法是受激發射損耗顯微鏡。用激光束射向樣品以產生可分辨的激發螢光，這種顯微鏡的分辨率可達到5納米，只有DNA分子寬度的兩倍。這種顯微鏡可以用來觀察活細胞，也可以觀察死細胞。「這個方法的妙處在於你可以用受激發射損耗顯微鏡看任何東西。」來自印第安納州西拉法葉城普渡大學的加思‧辛普森說。
如今，最前沿技術的是由納米工藝的『超常材料』製造出的超越衍射極限的超級透鏡。它可以在利用隱失波從不同焦點上觀測更大的區域。但是即使我們超越了衍射極限，擺在眼前的卻是更加強大的屏障。當我們進入量子領域，聲名狼藉的不確定原理限制了測量的精確度，威脅說要永遠模糊我們的視野。
不斷縮小的諾亞方舟
人類直到最近200年才開始系統的為不同物種命名。除了細菌和病毒這些不容易被歸類的生物，人們已經登記了約170萬個物種。如果讓一個分類學家來估算一下地球上所有物種的數目，他給出的答案多半是3000萬。
幾乎可以肯定這個答案遠遠高於實際數據。甲蟲是地球上種類最多的生物。華盛頓特區史密斯學會的特裡‧歐文從1982年開始研究位於巴拿馬的一種熱帶樹樹冠上的甲蟲，一共發現了1143個不同的種類。他由此推斷，全世界熱帶地區的節肢動物達到了3000萬種（鞘翅目昆蟲學家期刊，35卷，74頁）。人們普遍認為，包括昆蟲與蜘蛛在內的無脊椎動物門，約佔地球物種總量的三分之一。因此，如果歐文得出的答案正確，這將意味著地球上所有物種的種類達到了一億。
歐文的研究結果是建立在一系列估算與假設上的。例如節肢動物中甲蟲所佔的比例、所有熱帶樹物種的總量、以及甲蟲對它們所生活的樹木種類的挑剔程度等等。去年，澳大利亞墨爾本大學的安德魯‧漢密爾頓和他的同事們進行了類似的研究,將以上的影響因素都納入考量。他們在巴布亞新幾內亞研究了56個樹種上甲蟲的物種數目，進行了新的統計分析,最終得出的數字遠遠低於歐文的結果：所有的節肢動物總共只有250萬種左右（美國博物學家，DOI:10.1086/652998）。
按照之前的思路，把這個結果乘以3，可以得到地球上只有不到800萬個物種。漢密爾頓推測這個數目會更小，他認為人們對於脊椎動物和植物的分類比對熱帶節肢動物的分類更加完善，這使得無脊椎動物門實際所佔的比例應該超過三分之一。他表示，「這個神奇的數字是550」（新科學家，2010年6月，第4頁）。
人類對物種數目的統計日益準確，這讓保護生物的多樣性變得更加容易。但是，即使只剩400萬個物種還有待發現，我們尋找它們的速度也不太可能趕上毀滅它們的速度。
沒有南極的磁鐵
不論你的大學物理老師是怎麼教你的，磁鐵的磁極確實能夠單獨存在的。——理查德‧韋伯
「世界上沒有磁單極子」老師當年用大寫字母和刺眼的紅色粉筆寫在黑板上的這句話，深深銘刻在了我的腦海裡。對於一個物理專業的大學新生而言，這是一段難以磨滅的記憶。那發生在1997年。現在的世界變化真大。
或許變化並沒有那麼大，因為宇宙中的磁單極子仍然和以往一樣難以琢磨。很多宏偉的宇宙理論認為：磁單極子是攜帶單個量子磁荷的可自由移動粒子，就如同電子帶有一個單位的電荷一樣。但是，根據我們目前所知道的來看，自然界只存在成對出現的磁荷或磁極。例如學校的科學課上喜歡用來做例子的條形磁鐵，老師會用切割條形磁鐵的方式來向學生闡述磁鐵的南極和北極無法分離。至於為什麼兩極只能成對出現，我們並不知道原因。
但事實證明，我們可以自己製造磁單極子（新科學家，2009年5月9日，第29頁）。量子力學中有一個名詞叫自旋。通過自旋，單個原子可以像一個小型條形磁鐵一樣具有南極和北極。如果讓材料中所有原子的極軸對齊，這個材料本身就成了一塊磁鐵。
現在，有意思的事情發生了。在極低的溫度下，一種被稱作自旋冰的特殊物質可以以一個『受挫的』磁狀態存在。它們的原子傾向於把磁極對齊，但是由於原子們身處於緊密的晶體結構內，這讓它們無法這樣做。除非你把你的溫度稍微升高一點點，這將允許一個原子翻轉它的磁極從而把磁極對齊。而這個原子造成的骨牌效應使得這種翻轉在晶體結構間傳播（翻牆觀看YouTube視頻 atbit.ly/j7hcYs）。「以實際經驗來說，這無異於一個自由傳播的磁荷。」倫敦大學學院的史蒂夫‧布拉姆韋爾說。
今年三月，布拉姆韋爾和他的同事們宣佈他們已經成功的把長壽命單極電流儲存在了一個磁力相等的電容上。這也是通往完全成熟的『磁控管』電路的第一步（自然物理，第7卷，第252頁）。目前，這樣的設備還只是用來滿足人們的好奇心和求知慾。但這並不代表它們在未來沒有任何實際用途。畢竟，「曾經在很長一段時間裡，電力也沒有明顯的用途。」布拉姆韋爾說表示。
愛因斯坦的宇宙參數
阿爾伯特‧愛因斯坦那自認犯下的最大的錯誤只會把他至高無上的聲譽抬得更高。它甚至可能根本就不是一個錯誤。——理查德‧韋伯
阿爾伯特‧愛因斯坦那自認犯下的最大的錯誤只會把他至高無上的聲譽抬得更高。它甚至可能根本就不是一個錯誤。
現在，宇宙的命運危如累卵。1915年，愛因斯坦推導出了廣義相對論方程。這個方程是用來描述以重力為主導的宇宙的運作。由於方程所給出的解答是一個膨脹中的宇宙，而當時的流行觀點是宇宙既不膨脹也
收縮，小愛便增加了一個被稱作宇宙常數的誤差係數以保證這一點。然而就在不久之後，愛德溫‧哈勃發現遠處的星系離我們的距離正在越來越遠，這表明宇宙並非靜態。據說，愛因斯坦便因此否定了他之前的想法。
如果小愛還活著，他現在或許想要否定他的否定。1998年，一項研究表明距我們非常遙遠的超新星似乎不僅離我們越來越遠，而且這一過程還在加速。這暗示有某種神秘的『暗能量』抵消了重力帶來的引力（天文期刊，第116卷，第1009頁）。結果發現，為瞭解釋這種現象，最好的辦法是把那個誤差係數重新加到愛因斯坦的宇宙方程中。
這種做法並不能讓所有人滿意，原因主要在於沒有人知道暗能量究竟是什麼。一些宇宙學家偏愛其他的解決辦法。例如，假設地球處於一個巨大宇宙空洞的中心部位，這樣也會產生遙遠的宇宙離我們越來越遠這種假象。但是這會違反一個人們知曉幾個世紀的理論，即哥白尼原理：地球在宇宙中的位置一點也不特別（新科學家，2008年11月15日，第32頁）。
研究清楚事實的真相還需要一些時間。但是如果上述這些收集到的證據是可以相信的，那麼科學就會擯棄原先視為鐵律的理論，承認錯誤，修復自己的沙盤。
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