了解这个世界，注定要在一条布满荆棘的路上艰难前行。旅途中，我们不断的面临各种问题：在错误的起点前整装待发、一头扎进死胡同以及180度大转弯。科学总能泰然自若的面对这些逆境并承认错误。它还能够不断的根据新的发现来调整甚至放弃来之不易的观点，以帮助我们更加正确的解释这个世界。正是这一点赋予了科学无与伦比的能力来探索这个世界。

当然，这也表示我们必须随时准备做出改变。当诸如自然选择进化、量子物理等革命性思想出现时，科学的沙盘便开始以难以捉摸的方式不断移动。下面列举了九个最近发生的事例，有的只稍稍修改了既有科学定义，有的则削弱甚至打破了曾经被人深信不疑的铁律。通过它们，我们一起来看看科学的沙盘是如何变换自己的面目的。

元素周期转盘

我们总认为元素周期表是固定不变的。其实并非如此。原子的重量并不总是相同的。——西莱斯特·必威

原子的重量并非保持不变

我们总认为元素周期表是固定不变的，其实并非如此。它的底部一度被那些由物理学家用较小原子打造的‘新元素’所填充。现在，就连它最普通的、排布着我们熟悉的元素的地方，也在发生着根本的变化。元素们那精确定义的原子量也变得不再精确了。

原子量（相对原子质量）是某元素原子的平均质量与其它元素相比较得到的相对质量。它和原子序数不一样，原子序数是某种元素原子的原子核中质子的个数。同一元素的原子中的质子数是固定不变的，而原子量还与中子有关。这就是麻烦的来源：同一元素有不同 的同位素形式，它们的中子数也各不相同。

为了表明这一点，元素周期表的监护人，国际理论与应用化学联合会（国际化联）根据各个元素天然同位素的相对含量计算出元素的平均原子量。例如，大多数氢原子的原子核仅由一个质子组成，没有中子，但仍有一些包含一个或两个中子。因此，迄今为止，氢的官方原子量为1.00794。

美国弗吉尼亚州地质调查局雷斯顿稳定同位素实验室的泰勒·科普伦说，这种方法的不足之处在于它带来挥之不去的误解。他说，老师告诉学生原子量是自然界的常数，但它们并不是固定的。某个样品中，一个元素的不同同位素的比值取决于所组成物质的形成、转移和聚集过程。

例如，当水蒸汽在大气中从赤道向两级流动时，那些含有较重的氢元素同位素的水蒸汽会更早的落回大海。所以，热带海域的氢元素平均原子质量比极地海域要高一些。再比如说，在一种由海底渗漏到阿拉斯加海岸的名为crocetane的碳水化合物中，碳元素的平均原子质量因为某些原因比元素周期表上给出的数值大0.01%。

持续不断的新的同位素测量意味着原子量会不断发生变化。“这让我们抓狂，”科普伦说。这一情况需要改变。2010年十二月，IUPAC修订了原子量最不准确的10个元素，包括氢、锂、硼、碳、硫以及氮。现在它们的重量由上下限表示，这个范围考虑了地球上所有已知物体中不同同位素的比例大小。例如，氢元素的原子量被标注为H [1.00784; 1.00811]（理论与应用化学，第83卷，第359页）。

有些元素并没有受到以上影响。氟、铝、钠、金和17种其他的元素只有一种稳定的同位素形式，所以它们的原子量在自然界中的确是不变的。而另一些高放射性元素由于存在时间太短，根本无法测出它们的原子量。

爬行纲并不存在？

古老的爬行纲，例如蜥蜴、鳄鱼、蛇、龟以及一些已灭绝的物种，其实并不是真正的进化枝。——格雷厄姆·劳顿

脊椎动物的分类原本很简单。它由五大类组成：两栖动物、鸟类、鱼类、哺乳动物和爬行动物。那些有翅膀和羽毛的动物属于鸟类，有鳞及冷血的则是爬行动物，等等。这五类包含了所有脊椎动物，每一个脊椎动物也只属于一个类别。

但这只是支序分类学出现以前的事。支序分类学是德国昆虫学家威利·汉宁根于20世纪60年代提出的一套更加合理的分类系统。它通过分析物种的共有特征和遗传关系，根据它们的进化过程进行分类。这听起来很合理，但是它严谨的逻辑性让我们熟悉的物种分类变得混乱不堪。

引人注目的成果之一是哺乳动物的分类：所有现存和已灭绝的哺乳动物都只源自一个祖先物种，这说明哺乳动物的祖先在某个历史时期进化出来，在进化树上形成一个清晰的进化枝。鸟类也是如此。
可是爬行动物就没这么幸运了。以前的爬行纲在新的分类系统中得不到承认，因为蜥蜴、鳄鱼、蛇、龟以及很多灭绝爬行动物的共同祖先也有进化成鸟类和哺乳动物的。对支序分类学而言，这三个类群可以合并成一个大类群——羊膜动物。但是爬行动物无法作为一个进化枝分离出来(如图)。

两栖动物的处境则稍微好一点，但也仅限于现存的种类，诸如青蛙、蟾蜍、水蜥、蝾螈和类似蠕虫的蚓螈等。如果考虑到已灭绝的种类，你会面临着爬行动物的问题的加强版；相关进化枝包括所有四足动物和四肢脊椎动物，而且它们跟鱼类的关系也夹缠不清。

如果你认为支序分类法做的太过了，那么你说对了。在日常工作中，大多数生物学家还是愿意参照传统的分类法，因为传统分类法依据的是那些显而易见的特征。毕竟当你可以称他们为“爬行动物”时，你绝不会想叫他们“非鸟类、非哺乳类的羊膜动物”。但是“爬行动物”这种名称确实是那个不够博识的时代的遗留物。

众说纷纭的核裂变

我们制造了核弹。我们建立了核反应堆。但整个核裂变的事业都建立在某个误解之上。

我们制造了核弹。我们制造了核反应堆以提供大量低碳电力。如果说这一切看起来已经不同寻常，那么下面你将会觉得更加惊奇：整个核裂变事业是建立在一个误解上的。

我们自认为已经知道，当一个不稳定元素发生核裂变时，它会分裂成大致相等的两个元素，或者质子和中子会按照幻数分布。这些被称为幻数的数字来自于一套用于理解原子核的模型。该模型把原子核看作一滴具有强烈粘性的液体，它具有不同的“壳层”，不同的壳层分布着一定数量的质子和中子。这一模型同原子最外层的电子壳层概念类似。这个精致的模型虽然可以解释原子核的结构，但也有不足之处。

正如同电子壳层结构中电子数目充满最外层壳层的原子是不起化学反应的惰性气体一样，当原子核最外层壳层的质子数和中子数达到适当数值时，原子核会特别稳定。这样的数值就是幻数。所以，如果一个原子不裂变成两个相同的原子，它就很可能会裂变形成一个或两个幻数原子核。

去年，这些想法在上线同位素质量分离器上得到了测试。上线同位素质量分离器位于瑞士日内瓦西部的欧洲核子研究组织，是用来研究稀有放射性同位素的设备，专家用它来检验汞-180裂变后的结果。如果把汞-180对称分配会得到两个锆-90原子核，而锆的质子数刚好是幻数，中子数则几乎是幻数。英国吉尔福德郡萨里大学的菲尔·沃克表示，鉴于以上理由，汞-180会分裂成两个相同的原子核是毋庸置疑的。

不幸的是汞-180并没有遵守游戏规则。它不对称的分为显然不属于幻数的钌-100和氪-80（物理评论快报，105卷，252502页）。

沃克说：“像核裂变这样基本的物理过程，所得到的结果居然不符合预期，实在是令人惊讶。”上线同位素分离器团队认为原因或许来自于一个被遗忘的参数：时间。由于原子核分裂时被拉长，两个裂片中间会出现颈状部位。或许一些原子核在颈状部位裂开以前只是无法达到对称的平衡状态。但是，至于究竟是原子核的什么因素决定了这一点，专家们的意见仍然存在分歧。

处于困境的氢键

化学这件事比我们想象得还要含糊不清。

为什么冰块可以浮在水面上？答案就是氢键的作用，虽然氢键到底是什么？没人说的清。

诺贝尔奖得主莱纳斯·鲍林认为他知道答案。事实上，一直致力于规范此类事物的国际理论与应用化学联合会（国际化联）仍然以鲍林在1939年的经典著作《化学键的性质》作为氢键官方定义的依据。

如图所示，氢键就是已经与原子稳定结合形成分子的氢，受到分子中或分子附近的诸如氧、氮、氟等电负性大的原子的吸引而在两者间形成的相互作用。这些电负性大的原子会吸引氢原子中的电子而具有负电性。

最经典的例子就是水分子。在一个水分子中，两个氢原子通过共用电子对与中央的氧原子形成共价键。但是一旦有第二个水分子靠近，围绕原来的水分子中的一个氢原子旋转的电子将会向第二个水分子中电负性的氧原子靠拢。

因此，冰比液态水的密度要小得到了解释。同样质量的水，当处于低温且静止的状态时，水分子间形成较弱的氢键使它们始终保持一定距离。然而在流动时，氢键不断的被打断和重建，使得水分子相互拥挤变得更加紧密，体积也就较小。
这些解释都很不错。但是这种传统的叙述也暗示氢键的强度存在一个严格的范围。然而在过去的40年中，大量关于弱氢键存在的证据不断的被披露出来。这包括氢和诸如碳那样并不具电负性的原子之间形成的氢键。

6年前， 国际化联成立了一个委员会试图消除人们的这些疑问。他们于去年发布了一份长达七页的关于重新定义氢键的起草案，结论是氢键是一种比我们的想象还要复杂的相互作用。“它不是一种可以严格定义的相互作用。”来自班加罗尔的印度理学院的高塔姆·迪萨拉杰说。他是国际化联委员会的一名成员。

这不仅仅是语义学的问题，迪萨拉杰表示。一个新的定义会纠正化学家们对于氢键的普遍误解，并鼓励他们考虑在各种新情况下氢键的作用。例如，让有机分子以看似不可能的方式相互结合和反应。探索这种途径可以帮助我们摆脱现在所依赖的含贵金属且有毒的昂贵催化剂，而使用更为便宜环保的有机替代物。

当基因不是基因时

怎样定义组成生命的积木呢？不同的人会给你不同的答案。——麦克·莱佩奇

当19世纪的格雷戈尔·孟德尔还在展示他对豌豆进行的辛苦实验时，许多生物的性状介乎有或没有。人们只知道种子不是绿色的就是黄色的，不是圆粒就是皱粒，等等。这导致了以下说法：一个生物体的性状取决于从上一代那里得到的不连续的因子：基因。

但是，什么是基因呢？这个问题似乎在20世纪50年代脱氧核糖核酸（DNA)被发现时就已经得到了解答。生物学家一致认为基因是一段可以编码蛋白质的DNA序列。而蛋白质与各种形式的生命活动都密切相关。
半个世纪之后，这种看似和谐的景象不复存在。现在我们知道，单个‘基因’可以由许多个不同的DNA片段组成，它们的不同组合可以编码几千种不同的蛋白质；一些相同的DNA片段可以编码出不同的蛋白质，有些蛋白质由多个基因片段组合编码而成，而这些片段以前被认为是不同的基因。

更令人困惑的是，我们发现更多的DNA序列并不编码蛋白质，而是编码有各种功能的核糖核酸(RNA)。耶鲁大学的生物信息学家马克·格斯坦说：“当你考虑RNA时，事情会变得更加复杂。”

即使对以前的概念做些修改，定义基因为一个会影响后代性状的DNA片段也不能解决问题。这样定义的基因不仅包括可以编码蛋白质或RNA的DNA片段，也包括了大量可以控制那些片段开启和关闭的调控DNA序列。

事到如今，基因究竟是什么并没有得到统一的答案。格斯坦建议可以简单的定义它为可以编码一个或多个‘功能性产物’的序列的集合。他也欣然承认这种定义并不完善。功能是什么，它又是怎样定义的，这些问题还没有的到明确的解答。比如，一个对某个物种生存十分重要的基因可能对它的近亲来说就是冗余的，即使它们的序列是完全一样的。难道说它对一个物种而言是基因，但对另一个物种来说却不是？

显微镜无极限

我们过去认为显微镜存在一个基础物理极限。可能是有这样一个极限，但不是我们原本认为的那个。——萨莉·阿迪

显微镜很有用，却没有那么完美。当通过它观察的事物的尺寸小于成像光线的半波长时，图像会变得非常模糊；对可见光而言，这个尺寸只有几百纳米。而诸如维持生命过程这种需要仔细观察的现象是远远小于这个尺寸的。

当光线遇到显微镜透镜这样的障碍物时，会发生折射和散射，这种现象导致的‘衍射极限’就是显微镜最根本的物理极限。电子显微镜出现以后，人们不再这么认为了。电子显微镜利用波长非常小的电子束来放大只有几纳米的物体。不幸的是，被电子击中的生物细胞无法存活。因此，为了探索生命的秘密，我们需要用光本身来打破光的衍射极限。

发明于1984年的近场扫描光学显微镜做到了这一点。它利用了物体受光线照射后在材料表面短暂存在的隐失波。这种隐失波不会发生衍射，因此在它们消失以前到捕获它们可以观察物体的大小，这一技术将人们的观察物体的尺寸下限下降到大约50纳米。缺点是，要做到这一点，显微镜的光圈必须紧贴样品，所以一个视野只能看到物体的一小部分。

一个更加理想的解决方法是受激发射损耗显微镜。用激光束射向样品以产生可分辨的激发荧光，这种显微镜的分辨率可达到5纳米，只有DNA分子宽度的两倍。这种显微镜可以用来观察活细胞，也可以观察死细胞。“这个方法的妙处在于你可以用受激发射损耗显微镜看任何东西。”来自印第安納州西拉法叶城普渡大学的加思·辛普森说。

如今，最前沿技术的是由纳米工艺的‘超常材料’制造出的超越衍射极限的超级透镜。它可以在利用隐失波从不同焦点上观测更大的区域。但是即使我们超越了衍射极限，摆在眼前的却是更加强大的屏障。当我们进入量子领域，声名狼藉的不确定原理限制了测量的精确度，威胁说要永远模糊我们的视野。

不断缩小的诺亚方舟

如果让一个分类学家来估算一下地球上所有物种的数目，他给出的答案多半是3000万。几乎可以肯定这个答案远远高于实际数据。——凯特·道格拉斯

人类直到最近200年才开始系统的为不同物种命名。除了细菌和病毒这些不容易被归类的生物，人们已经登记了约170万个物种。如果让一个分类学家来估算一下地球上所有物种的数目，他给出的答案多半是3000万。

几乎可以肯定这个答案远远高于实际数据。甲虫是地球上种类最多的生物。华盛顿特区史密斯学会的特里·欧文从1982年开始研究位于巴拿马的一种热带树树冠上的甲虫，一共发现了1143个不同的种类。他由此推断，全世界热带地区的节肢动物达到了3000万种（鞘翅目昆虫学家期刊，35卷，74页）。人们普遍认为，包括昆虫与蜘蛛在内的无脊椎动物门，约占地球物种总量的三分之一。因此，如果欧文得出的答案正确，这将意味着地球上所有物种的种类达到了一亿。

欧文的研究结果是建立在一系列估算与假设上的。例如节肢动物中甲虫所占的比例、所有热带树物种的总量、以及甲虫对它们所生活的树木种类的挑剔程度等等。去年，澳大利亚墨尔本大学的安德鲁·汉密尔顿和他的同事们进行了类似的研究,将以上的影响因素都纳入考量。他们在巴布亚新几内亚研究了56个树种上甲虫的物种数目，进行了新的统计分析,最终得出的数字远远低于欧文的结果：所有的节肢动物总共只有250万种左右（美国博物学家，DOI:10.1086/652998）。

按照之前的思路，把这个结果乘以3，可以得到地球上只有不到800万个物种。汉密尔顿推测这个数目会更小，他认为人们对于脊椎动物和植物的分类比对热带节肢动物的分类更加完善，这使得无脊椎动物门实际所占的比例应该超过三分之一。他表示，“这个神奇的数字是550”（新科学家，2010年6月，第4页）。

人类对物种数目的统计日益准确，这让保护生物的多样性变得更加容易。但是，即使只剩400万个物种还有待发现，我们寻找它们的速度也不太可能赶上毁灭它们的速度。

没有南极的磁铁

不论你的大学物理老师是怎么教你的，磁铁的磁极确实能够单独存在的。——理查德·韦伯

“世界上没有磁单极子”老师当年用大写字母和刺眼的红色粉笔写在黑板上的这句话，深深铭刻在了我的脑海里。对于一个物理专业的大学新生而言，这是一段难以磨灭的记忆。那发生在1997年。现在的世界变化真大。

或许变化并没有那么大，因为宇宙中的磁单极子仍然和以往一样难以琢磨。很多宏伟的宇宙理论认为：磁单极子是携带单个量子磁荷的可自由移动粒子，就如同电子带有一个单位的电荷一样。但是，根据我们目前所知道的来看，自然界只存在成对出现的磁荷或磁极。例如学校的科学课上喜欢用来做例子的条形磁铁，老师会用切割条形磁铁的方式来向学生阐述磁铁的南极和北极无法分离。至于为什么两极只能成对出现，我们并不知道原因。

但事实证明，我们可以自己制造磁单极子（新科学家，2009年5月9日，第29页）。量子力学中有一个名词叫自旋。通过自旋，单个原子可以像一个小型条形磁铁一样具有南极和北极。如果让材料中所有原子的极轴对齐，这个材料本身就成了一块磁铁。

现在，有意思的事情发生了。在极低的温度下，一种被称作自旋冰的特殊物质可以以一个‘受挫的’磁状态存在。它们的原子倾向于把磁极对齐，但是由于原子们身处于紧密的晶体结构内，这让它们无法这样做。除非你把你的温度稍微升高一点点，这将允许一个原子翻转它的磁极从而把磁极对齐。而这个原子造成的骨牌效应使得这种翻转在晶体结构间传播（翻墙观看YouTube视频 atbit.ly/j7hcYs）。“以实际经验来说，这无异于一个自由传播的磁荷。”伦敦大学学院的史蒂夫·布拉姆韦尔说。

今年三月，布拉姆韦尔和他的同事们宣布他们已经成功的把长寿命单极电流储存在了一个磁力相等的电容上。这也是通往完全成熟的‘磁控管’电路的第一步（自然物理，第7卷，第252页）。目前，这样的设备还只是用来满足人们的好奇心和求知欲。但这并不代表它们在未来没有任何实际用途。毕竟，“曾经在很长一段时间里，电力也没有明显的用途。”布拉姆韦尔说表示。

爱因斯坦的宇宙参数

阿尔伯特·爱因斯坦那自认犯下的最大的错误只会把他至高无上的声誉抬得更高。它甚至可能根本就不是一个错误。——理查德·韦伯

阿尔伯特·爱因斯坦那自认犯下的最大的错误只会把他至高无上的声誉抬得更高。它甚至可能根本就不是一个错误。

现在，宇宙的命运危如累卵。1915年，爱因斯坦推导出了广义相对论方程。这个方程是用来描述以重力为主导的宇宙的运作。由于方程所给出的解答是一个膨胀中的宇宙，而当时的流行观点是宇宙既不膨胀也

收缩，小爱便增加了一个被称作宇宙常数的误差系数以保证这一点。然而就在不久之后，爱德温·哈勃发现远处的星系离我们的距离正在越来越远，这表明宇宙并非静态。据说，爱因斯坦便因此否定了他之前的想法。

如果小爱还活着，他现在或许想要否定他的否定。1998年，一項研究表明距我们非常遥远的超新星似乎不仅离我们越来越远，而且这一过程还在加速。这暗示有某种神秘的‘暗能量’抵消了重力带来的引力（天文期刊，第116卷，第1009页）。结果发现，为了解释这种现象，最好的办法是把那个误差系数重新加到爱因斯坦的宇宙方程中。

这种做法并不能让所有人满意，原因主要在于没有人知道暗能量究竟是什么。一些宇宙学家偏爱其他的解决办法。例如，假设地球处于一个巨大宇宙空洞的中心部位，这样也会产生遥远的宇宙离我们越来越远这种假象。但是这会违反一个人们知晓几个世纪的理论，即哥白尼原理：地球在宇宙中的位置一点也不特别（新科学家，2008年11月15日，第32页）。

研究清楚事实的真相还需要一些时间。但是如果上述这些收集到的证据是可以相信的，那么科学就会摈弃原先视为铁律的理论，承认错误，修复自己的沙盘。