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听科学家做研究报告，有点像到剧院里看戏。假如你真要了解演员，不能光看前台，最好到后台，甚至到排练场去看看；同样，想要了解科学家的工作，要知道他们的成功之路，就要到实验室看他们失败的记录。尤其是涉及源头创新的重大科学问题，最初的各种想法多数都是错的，只有其中一个后来得到证实，才是对的。所以深入了解科学家，就要从他们的错误讲起。
你读过凡尔纳的《地心游记》吗？或者你看过前些年的3D电影《地心历险记》吗？在凡尔纳笔下，地心是空的，从火山爬进去，里面有海洋、有野兽，地心就像一个大山洞。可你别以为这就是法国科幻作家的空想，“地球空心说”的来头不小，真的是科学家提出来的，还不是一般的科学家，是位大科学家：他就是“哈雷彗星”那个哈雷，英国著名的天文学家，不但准确预测了彗星周期，而且对月球运动加速等做出了大量发现。哈雷主张“空心地球”，而其根据来自牛顿。1692年哈雷发表论文，提出地球是空心的，因为5年前牛顿发表的《自然哲学的数学原理》中，根据潮汐计算推出月球和地球的质量比是1∶27，经过体积折算，两者的密度比应该是9∶5，地球的密度几乎只有月球的一半，当然只能是空心的了。现在知道这些计算都不对，月球的质量只有地球的1/80，密度也只相当于地球的0.6。但是哈雷的说法在当时很有说服力。18世纪瑞士的大数学家欧拉也是位主张空心说的热心人，他认为从数学上讲，地球也只能是空心的。
“空心地球”里面是什么？那讨论就热闹了。意见并不一致：哈雷认为“空心地球”分成好几层，各层之间有大气圈隔开；欧拉认为不分层，地球的中心有个太阳。这就是说，不但地球表层有我们居住，地球里面也可以生活！
在20世纪之前，还没有人到过极地，因此1818年美国船长西姆斯认为南北两极都是个大窟窿，那里就是进入空心地球的通道，他提议筹款，要组织探险队去寻找这北极的空洞。恰好1846年在西伯利亚冰下发现一头完好无损的猛犸象，这立刻成了“空心地球”的证据：你看，它不就是刚从北极空洞里跑出来，活活冻死的吗？
今天看来十分可笑，地球内部的物质密度随着深度增大，“地球空心说”只能是种美丽的错误，可是直到20世纪初这些说法还在发酵。既然空心地球里有山有水有生物世界，两极又有大窟窿开口，那就不知道有多少似是而非的故事可以编制。比如说两极上空的极光，那就是从空心地球发射出来的光；再比如说地球的形状南北偏扁，就是因为两极都是窟窿；至于极地探索之所以不成功，也是因为南北极都是空洞，所以“探极”永远不可能实现。虽然后来探险家很快就到达了两极，使这类说法不攻自破，可是汇集这种种说法的《极地幻影》一书于1906年出版后经久不衰，成了“地球空心说”的经典著作。
与此同时，“地球空心说”也还有版本翻新。最为惊人的是一位美国教主提出的“翻转型”：他认为地球像一个空腔，当中有个太阳，人类并不是在地球的表面，而是生活在空心地球的内面。伪科学并不需证据，各种稀奇古怪的说法都会有人提出。比如有人想象地球内部有先进的人类社会，我们看到的飞碟就是从地球里面飞出来的，用不着追溯到外星球去。更有甚者，1947年有人相信希特勒并没有死，而是通过阿根廷从南极躲进了地球内部。凡是科学上稀奇古怪的想法，最容易从人类知识缺乏的弱点处产生，地球内部就是一例。
埃及金字塔永远是世界上最吸引游客的奇迹，神奇的是4000多年前的建筑技术。最大的胡夫金字塔，相当于40层的高楼，用230万块、每块2.5吨的巨石堆成，居然牢固地屹立了四五千年。你一定要问，那是些什么样的石头啊？
那都是石灰岩。如果你注意金字塔下地面的碎屑，就会找到一些石头风化剥蚀掉下来的小圆片，像硬币大小，那些石灰岩就是它们组成的。但那是什么？现在知道了，那是一种化石，叫作货币虫，拉丁文学名 Nummulites 。Nummus是货币，lithos是石头，名词本身并没有“化石”或者“虫”的意思。据说这是公元前5世纪古希腊的希罗多德来非洲看到这些小圆片时取的名字，这是位历史学家，不关心化石。确实，这些小圆片大小很像硬币，但是模样更像小扁豆（一种地中海地区至今常用的食品）。后来到了公元前25年，古罗马的历史学家斯特拉波来到金字塔，看到地上这些小圆片，认为就是石化了的小扁豆，说这就是当年建造金字塔的工人吃剩掉在地上的食物。
19世纪古生物学的发展，查明了货币虫的化石身份，因为这小圆片外面光滑，里面可有复杂的生物结构。它既不是钱币也不是扁豆，而是属于一类单细胞动物，叫有孔虫。有孔虫是海洋里一种最重要的单细胞动物，有的浮游在海洋上层，有的生活在海底，货币虫就是生活在海底的种类，而且是有孔虫里最大的一类，直径最大可以到十几厘米，像个烧饼。货币虫的生态有点像珊瑚，生活在热带浅海，身体里还有藻类共生，所以很容易分泌碳酸钙形成骨骼。
货币虫现在已经灭绝，但是它们的亲戚仍生活在现在的热带海区，往往和珊瑚礁一起，被称为“大有孔虫”。如果去日本冲绳旅游，最便宜的纪念品是装在小瓶里的“星砂”，也是一种大有孔虫。四五千万年前，地球上气候炎热，正是货币虫的黄金时代，它们在古地中海一带格外繁盛，所以在北非堆积了大量的石灰岩。建造金字塔就地取材，就选用了货币虫灰岩。当时的大洋里货币虫“走红”，不光在古地中海，2017年南海大洋钻探，在海面下面3000米的地层里也找到过货币虫，可见当时货币虫的分布范围扩展到了太平洋。
金字塔的石材从扁豆变成有孔虫，这就是科学。历史学家只看外形，像是扁豆；科学家还要看内部，发现切面里有那么多的房室，是大有孔虫。
科学家的两类错误：一类是研究过程里的失误，包括被否定的假说，或者不成功的实验；另一类是学术造假，蓄意欺骗。前一类可以说是科学研究过程中难以避免的失败，对科学家个人来说应当尽量避免，但是不应当被责备。特别是人类极少了解的研究对象，无论地球内部，还是天体起源之类，起初只能猜想，而且知识越少，假说越多。关键在于对待错误的态度。赫胥黎对深海黏液的处理就是个绝佳的例子，正因为第一时间主动承认错误，他赢得了更高的声誉。“君子之过也，如日月之食焉。过也，人皆见之；更也，人皆仰之。”子贡的古训，用在这里十分贴切。然而后面一类却完全不同，那就是欺世盗名的罪恶行为。当然里面也有差别，就像偷盗，既有屡犯的惯偷，也有偶尔失足的，应当区别对待。“卿本佳人，奈何做贼”，对于那种一念之差而犯了错误的，还是应该治病救人。格外可恨的是那种以科学作敲门砖，拿论文当化妆品的无耻之徒，学术界混不下去换个行当再混，科学界本来就不该让这类人入门。
值得深思的问题是促成科学作假的客观因素，是不是教育和政策上的失误，也在催生这些学术的败类。国外的教训让我们引以为戒，其实我们国内学术腐败也到了惊心动魄的程度，而更加需要注意的是整个学术界风气的败坏。随着科技投入的高速增长和科技队伍的急剧扩大，金钱的作用在学术界不适当地高涨，各类专家评审系统中非科学因素暴增，带来了科技界的“环境污染”。如果说社会上的环境治理的关键在于防堵污染源，科学界的“污染源”很大程度上正是我们科学界同仁自身。
对于科学界的精神建设，多年来我们没有少加注意，各种道德委员会、自律条例应有尽有。尽管对论文抄袭、成果作假的现象不能容忍，但学术风气的败坏却被认为是“人之常情”，大家视而不见，说起来也只是摇头叹气而已。毕竟道德建设是科学界内部的事情，如果在学术界有影响力的科学家们，能够站出来发声，而不是选择默认，更不是随波逐流，黄金时期的中国科学界，也有望建成精神环境的模范村。
科学不是靠加法发展起来的，科学发展主要靠“范式转移”，或者我们现在说的“源头创新”。知识的日积月累固然有用，但是量变代替不了质变，一部科学史就是一次次学术突破的积累。这种突破需要否定前人的认识——通常还是主流观点，于是就不可避免地引发争论。新学说开头一定处于弱势，需要通过学术斗争，使“多数服从少数”才能赢。如果只是单纯的学术争论那还好，一旦“多数”的后面还有背景，那么非科学因素的作用，就可能超越科学争论的力量，阻挡科学的前进。回顾现代科学最初的诞生，发生的就是科学家和教会的抗争。
关于地球年龄的争论要晚得多，发生在19世纪进化论出现之后。按照宗教的神创论，地球的年龄只能是上帝创造世界的日子，可是《圣经·创世记》并没有给出具体年份。17世纪50年代，爱尔兰大主教乌雪经过“考证”，撰文提出上帝创世是在公元前4004年10月23日星期天；亚当、夏娃被赶出伊甸园的时间，是公元前4004年11月1日星期二。其实，乌雪并不是做这类“考证”的第一人，希伯来文专家、剑桥大学校长莱特富特早在1644年就发表过上帝创世的日期，而且更加精准：“算”出是在早晨9点钟。当然，说地球只有6000年历史，和发展中的地质科学必然发生矛盾，比如18世纪法国科学家布丰就提出，地球年龄至少要有75000年才行。但是这类异议出入还不算太大，乌雪大主教说的年龄作为《圣经》的解读，直到19世纪以前并未动摇。
真正的争论是在19世纪：如果相信进化论，无论地球还是生物的演化都不可能是几千年的事，那又该有多久呢？受“进化论”“均变论”思想影响的地球科学界认为，地球总得有十亿年上下的历史。达尔文在《物种起源》里估计说，英国南部的地质过程要有三亿年左右才能完成。但是这种估计和物理学发生矛盾：根据康德-拉普拉斯的星云说，太阳系起源于高温、旋转的气体星云，地球是其冷却的产物。既然地球在形成之后只会越来越冷，最初的热量几千万年就该耗损完毕，因此地球的历史维持不了那么久。于是引发了一场地质学与物理学之间的争论。
引领物理学一方、从物理原理出发出来反对的不是别人，而是物理学泰斗开尔文勋爵（即威廉·汤姆孙）。此人的经历不同寻常：22岁当教授，42岁封爵士，66岁当英国皇家学会会长，我们用的绝对温度单位开尔文（K）就是纪念他的。根据冷却速率的计算，开尔文1862年提出地球年龄是9800万年，1897年又修改为2400万年。当时的物理学无法理解，会有“燃料”几千万年都烧不完的星球。现在知道地球的年龄有40多亿年，这么说，是不是物理学输给了地质学？不能那么说，因为当时还没有产生核物理学。
转折发生在世纪之交。1896年，即发现X射线之后的第二年，发现了铀的放射性，接着居里夫妇在1898年发现了新的放射性元素钋和镭，从而开拓了一门新的学科——放射化学。因为放射性元素的原子核衰变速率不同，有的要经过几十亿年方才衰变掉一半，因此放射性同位素就为测定遥远的地质年龄提供了依据。1904年英国的卢瑟福从铀矿物测得了5亿年的放射性年龄，从而证明地球历史十分久远，同时还说明元素衰变能够使地球内部加温，彻底否定了地球产生后会逐渐冷却的传统观念。17世纪的神学、19世纪的物理学和20世纪的地球化学，构成了地球年龄之争的三部曲。那么地球的年龄究竟是多少？这要看“地球形成”的定义怎么下。
地球上最老的岩石测得年龄是40亿年，但是矿物里的锆石年龄有43.7亿年，而最老的月岩有44亿年。总之，根据放射性元素的推断，地球的年龄应当有45亿—46亿年。
古话说“六十年风水轮流转”，如果这句话指的是气候，可能还真的有点道理。20世纪从60年代到80年代是个冷期，全世界气候偏冷，北冰洋的冰盖面积也最大，从1960年到现在的极端寒冷事件，80%都发生在这段时间里。今天的茶余饭后，人们谈论的是全球变暖；那时候可不同，谈论的都是全球变冷。除了天气冷之外，还有两个原因：一是“冷战”时期担心核战争会引来“核冬天”；二是地球每十万年发生一次冰期，按照计算，一次新的冰期即将降临。
先说“核冬天”。上了年岁的读者都还记得，在1991年苏联解体前，美苏之间可能发生的核战争是人类面临的最大威胁。核爆炸不仅会在当地造成大量的伤亡和破坏，爆炸产生的大量烟尘进入大气层，还会在全球造成异常寒冷的天气，这就是“核冬天”。当核武器在空中爆炸后，火球一触及地面，就会将地面上的岩石、土块汽化，它们将随着蘑菇云被带上天空，同时抽吸周围的空气，进一步将尘埃卷入烟云之中。腾升高空的浓重烟雾数月不散，将遮住阳光，使得白天暗若黄昏。这和火山爆发产生的效果相似，数以万吨计的火山灰升入高空，悬浮于空气之中经久不散，曾经使许多地方出现异常的“冬天”。
1983年，5位美国专家在《科学》杂志上发表研究报告，正式提出了“核冬天效应”的理论。他们用数学模型论证：假定美苏两国使用核武库40%的核武器（50亿吨当量）在北半球进行核战争，可以将9.6亿吨微尘和2.25亿吨黑烟掀入空中，黑色微粒还将被推向30千米高空，破坏臭氧层，使整个地球变成暗无天日的灰色世界，丧失宜居性。近年来的研究又进一步表明：即使是小型核战争也可能带来类似的全球性灾难。例如在南亚次大陆的城市工业区投放100枚核弹（不到全球总数的1%），就会产生足够的烟尘，导致全球农业瘫痪。当时的另一种担心是新冰期即将降临。回顾20世纪的气候变化，在20世纪70年代之前，已经经历了30年的缓慢降温。而20世纪70年代古气候学的重大进展，就是取得了冰期旋回的确证，科学家们认识到受地球运行轨道变化的推动，气候变化有着10万年的冰期旋回。冰期之后有一段变暖的时期，称为间冰期。间冰期一般延续一万年，而这次的间冰期已经过了一万年。因此按照冰期旋回学说，新的冰期可能正在降临。当时大家本来面对的就是“核冬天”的威胁，冰期降临的信息更是雪上加霜。1972年，在美国布朗大学举办了国际学术讨论会，题目就是“当前的间冰期：如何以及何时结束？”会后两位主席给尼克松总统写信，说“目前变冷的趋势如果继续下去，冰期时的温度有可能会在百年内降临”，建议总统赶紧设法应对。各大媒体和学报也纷纷响应，“如何应对冰期来临”在20世纪中晚期警钟长鸣。
和现在相比，当时关于气候变化的知识十分有限，但已经提出了人类活动影响气候的认识：矿物燃料放出CO 2 会使气候变暖，放出黑炭等气溶胶颗粒会使气候变冷。也有人推测：气溶胶屏蔽辐射量，可能就是当时全球变冷的原因。然而和现在最大的不同，在于对温室气体的态度：直到20世纪80年代，人们尚不认为温室效应会对人类社会构成威胁，相反，以为这是保护温暖环境、提高农业产量的好事情。著名的美国化学家布朗在1954年出版的《人类未来的挑战》专著中写道：“如果大气CO 2 增加到3倍，全球食品生产就会翻番。”因此他主张“以全球规模大量生产CO 2 ，并泵入大气”。为此“至少要烧掉5000亿吨煤，超过人类历史上烧掉的6倍。煤不够了，可以烧石灰来增加CO 2 ”。1956年，苏联学者建议在白令海峡建坝，将太平洋水泵入北冰洋，去融化北冰洋的海冰。
60年过去了，这些旧话听起来简直难以置信。现在学术界和媒体说的全都是“全球变暖”，决没有人还会唠叨“下次冰期来临”的威胁。与此相反，2002年《科学》杂志发表权威文章，说是天文计算的结果，本次间冰期比过去哪一次都长，不是一万年而是长达五万年，所以下次冰期该是四万年以后的事。学术界的这种基调变化，也会引起一些旁观者的不满。2001年，英美两国地质学会在爱丁堡联合举办“地球系统过程”国际大会，请英国皇家名誉教授布尔顿致开幕词。这位老先生说话很不客气：“你们30年前喊‘冰期降临’，如今又说‘全球变暖’，这让人们如何建立对科学家的信任？”
其实，气候为何变暖、新冰期何时来临，这类问题至今仍然争论不休。一种关于新冰期的振聋发聩之说，来自美国教授拉迪曼。依他的主张，地球气候自然周期的新冰期，在几千年前早已降临，只是因为人类活动排放温室气体，才使得间冰期能够延续至今。核心问题在于人类活动对地球表层产生影响从何时开始。他认为人类开始破坏森林、排放温室气体，不是现在而是在几千年前，在史前就已经开始。农耕开始的时候人少，但产生的影响不小，不能用今天的人均耕地面积去衡量几千年前土地利用的环境效应，否则结果当然就会低估早期人类活动的影响。
拉迪曼假说的根据来自极地的冰芯。冰芯里的气泡保留着结冰时候的古大气，可以说是大气的“化石”。从大气成分的变化看，进入新石器时代之后，随着农作物的种植和家畜的饲养，焚林和农作释放温室气体，造成大气CO 2 和CH 4 的浓度上升，两者分别在7000年前和5000年前就已经偏离了自然变化的趋势而开始上升。拉迪曼认为，按照地球轨道驱动的气候周期，5000年前，甚至8000年前，地球就应该进入冰期了，之所以现在还停留在间冰期，正是人为排放温室气体的结果。人类活动早已影响大气，而且随着社会发展而逐渐增强，绝不是从工业化时期方才开始，只是到现在才引起我们注意。人类活动影响的不仅是大气。我们现在呼吁“保护生物多样性”，其实史前人类早就造成了生物灭绝事件，这在热带岛屿最为明显。太平洋岛屿上考古遗迹的骨骼表明，当地演化产生的许多鸟类在人类上岛以后即行灭绝，尤其是热带树林里不能飞的鸟类。澳大利亚的巨鸟——一种重量超过100千克的走禽，在5万年前已经灭绝，看来就是史前人类到达澳大利亚后带来的恶果。
回顾60年来学术界主流观点的反复变化，令人唏嘘不已。科学家也是人，也有七情六欲，在科学判断中，也会出现赶时髦、随大溜的现象。可贵的是科学家的远见卓识，可以超越“主流”，提出事后才会得到证明的不同认识。这在我们眼前就不乏先例，60年前在一片“全球变冷”声中，就有过不同的声音。当时在格陵兰冰盖钻探的冰芯里，发现有几十年的天然气候周期。于是美国的布鲁克教授就一反当时的主流声音，1975年在《科学》上发文问道：“我们是不是在明显变暖的边缘？”他推测，20世纪40年代以来的变冷行将结束，不久就会出现几十年的增暖。果不其然，就在1975年之后出现了快速增温，20世纪80年代成为至当时为止测量记录中温度最高的10年。科学研究之所以有价值，就在于能够预见；而科学争论之所以有意义，就在于有人不跟风、不盲从。
宗教和科学一项最大的区别，在于对争论的态度。宗教的教义不容置疑，宗教的信条不容争论，而科学的历史就是在不断的争论中前进。世界上的几大宗教，基本教义两千年保持不变；而现代科学产生才几百年就脱缰腾飞，改变了整个人类社会，也改变了自身，其发展的机制就是不断的科技革命。科学鼓励怀疑、欢迎挑战，于是科学的历史就成了争论的历史。
一些十分有趣的争论，往往发生在意外的发现之后。无论是在深远地质时期的赤道海洋发现了冰碛石，还是在地中海海底下几千米的深处钻到了岩盐，这类发现挑战着我们的常识，也往往是科学突破的前兆，但是谜底的揭晓有时候可以跨越世纪。在谜底揭晓之前探索的长夜，对于科学家来说就是考验期，看你有没有足够的睿智和勇气，站到真理的一边。
但由于科学是文化的一部分，又因为科学有重大的社会和经济价值，科学争论常常会越出学术范畴，成为宗教或者政治斗争的一部分。前者如“地心说”与“日心说”之争，后者如当前对“全球变暖”和“碳外交”上的争论，都有意识形态或者利害关系的考虑，都可能使科学争论偏离学术轨道，甚至造成人身威胁。在这种超学术性的争论中，科学家采取的态度极其重要。
每逢重大的争论，科学家都会有“站队”的问题，从中也会折射出科学家的人格和水平，为坚持“日心说”献身的布鲁诺就是一例。如果说中世纪的教会离我们太远，那么苏联李森科的教训就在昨天。科学界里，有的人坚持真理，有的人明哲保身，有的人见风使舵，也有人助纣为虐。现代科学引进中国，早期靠教士后期靠留学生，都和意识形态脱不了干系，科学的争论也动辄卷入政治斗争。认真总结、反思，吸取百年来科学家们用血汗换来的经验教训，是当代人无可推诿的责任。
（摘编自《科坛趣话——科学、科学家与科学家精神》，上海科技教育出版社2022年10月出版。汪品先，中国科学院院士，海洋与地球科学专家，同济大学海洋与地球科学学院教授。）