科学发现的三大规律 | 挑战
今天，我们探讨第二种科学发现的规律：挑战型科学发现。
在挑战型科学研究中，科学家们以其独到的批评眼光，是对已被公认及共识的理论提出质疑，挑出其缺陷，并通过科学试验，建立起一整套新的科学理论，完善地解释及解决旧理论产生的矛盾及问题，导致一个破坏性的创造。
达尔文出身于医学世家，曾迫于家庭压力，进入医学院学习。但他无法忍受解剖尸体以及无麻醉下的粗暴外科手术，中途退学。父亲再次施压，逼迫爱好采集植物标本、“游手好闲”的达尔文上了神学院，期望达尔文日后服侍上帝，成为高薪的牧师。但他心猿意马，一心想当自然学家，并把大部分时间花在学习自然科学上。终于在22岁时，达尔文登上了贝格尔船，开始了长达5年的环球考察（The Voyages of the Beagle）。在旅途中，达尔文做了368页动物笔记，1383页地质笔记，770页工作日志。达尔文利用尸体解剖课学到的本领，解剖鸟及其他小动物，制作并带回标本3907个。他仔细观察大自然的奇花异草及珍禽异兽，并从他们的不同中寻找共同点，从共同中寻找不同点。通过分析亿万年的岩石，数百万年的动物化石以及千变万化的植物及动物，一个新的规律逐渐浮现出来：物种为了适应环境而改变自己的形状，那些能顺应环境的物种则生存下来，而不能适应的物种则消亡。对比神学院的教育，达尔文更加怀疑上帝创造人的理论，人类与所有的物种起源于一个祖先，而不是像圣经上所描述的上帝创造了人。经过数十年的思考及论证，一个崭新的挑战性的理论在达尔文的脑海里形成了，各物种起源于共同祖先，生物为了适应环境而不断进化，适者生存。1859年，达尔文发表了《物种的起源》这一科学巨著，从此，科学、文学、社会、经济、宗教等各个领域被“进化论”震撼、颠覆及重塑。
仔细观察，认真记录，系统总结，抽象思维，用“心灵之眼”（mind eye），从习以为常的现象中发现异常，在异常中寻找相似的规律，是成就达尔文发现“进化论”的科学方法。更重要的是，达尔文有敢于挑战权威的精神，上帝也不在话下。他系统地了解“上帝创造万物”的理论，当看到无比复杂的物种多样性时，更深刻地质疑上帝的造物本领，以破坏性的创造，在否定了“创造论”的同时，发现并建立了新的科学理论，合理地解释了物种起源及进化的规律，万物起源于共同的祖先，是自然的力量创造出了缤纷的世界。尽管上帝的崇拜者们把达尔文视为怪物，将他的人头猿身像张贴侮辱，但真理是不会被权威及谩骂摧毁的，200年前诞生的达尔文改变了世界及我们的世界观。
牛顿天才的洞察力及计算力，让他从苹果落地的过程中悟出了万有引力，形成了力学三大定律，描述了永恒的空间及时间，并较完善地解释了太阳系内的力学现象，没有任何人怀疑这一整套经典定律，直到爱因斯坦的出现。
1895年，16岁的爱因斯坦开始想象着以光速飞行时的情景。因为他的总体成绩不佳，大学毕业后没有找到教学工作，只好在专利事务所谋职。他没有放弃少年时的梦想，利用扎实的数学基础，开展了大脑试验（mind experiment）。1905年，爱因斯坦发现了相对论及量子力学，并建立了20世纪最著名的公式E=mc²。
在此，我不想假装懂得相对论，我只是探讨爱因斯坦的轨迹、方法及精神。
作为地位卑微的专利审评员，爱因斯坦没有受尊敬的学术头衔，但他敢于向最权威的牛顿定律挑战，他以数学推理，发现了时间及空间不是永恒的，会随着速度的变化而变化；重力不单单依赖于质量，而是质量、运动及能量间的相互作用；质量与能量间可以互换，根据那个著名的公式，一个指甲盖大小的木块，可以释放出一颗原子弹的能量，原子弹的发明就是在爱因斯坦的理论基础上产生的，同时也是E=mc²的验证。因为没有传统的试验证实，这些革命性的理论并没有为爱因斯坦带来他梦寐以求的诺贝尔奖，而是他的光电转化理论为他赢得了诺贝尔奖。
整整一个世纪，爱因斯坦的理论使宇宙运行的规律得到了更好的解释，同时，他既是挑战者，也是被挑战者。根据Hans Ohanian的《爱因斯坦的错误》（Einstein's Mistakes）书中显示，爱因斯坦一生中发表过180余篇文章，其中23篇文章中出现严重错误。与不断地证明爱因斯坦是20世纪最伟大的科学家相平行，人们不断地用观察及试验挑战着爱因斯坦的理论。
爱因斯坦的卓越贡献，基于其敢于挑战的精神，发现问题及思考问题的能力，跨学科的雄厚的基础知识以及不畏权威，勇于发表自我独特见解的魄力。爱因斯坦在挑战传统理论的同时，也为后人提供了挑战权威及开创新学说的机会。
当Barry Marshall刚从医学院毕业，在澳大利亚西部边远城市Royal Perth医院当住院医生，1981年，他偶然用四环素治疗一位严重胃痛的病人，14天后，病人的胃痛症状完全消失。当时对胃及十二指肠溃疡的病因诠释为，精神紧张、饮食不规律、胃酸过高等因素，老师们也按照教科书中的“经典”内容，一代一代地传授下去，没有人对这一传统的无科学根据的理论提出异议及挑战。Marshall通过这一病例的成功治疗，开始了对传统理论的颠覆征程。
在同一个医院的病理科，Robin Warren已发现胃溃疡病人的病灶中有带长尾巴的螺旋菌（H pylori），但没有人会注意这些细菌与胃溃疡有关，人们普遍认为，胃酸的pH值低至2.0，没有细菌可以生长。Marshall没有放过这一线索，他继续搜集标本，并证明胃溃疡病灶中含有这种细菌，并且将带长尾的细菌分离出来，但要证明这种细菌与溃疡的相关性，除了病灶中发现细菌，分离出细菌外，还需要两点证据：注入细菌可以致病，祛除细菌疾病消失。Marshall反复将细菌注入大鼠胃内，但均未诱导出溃疡。在无奈之下，他让同事为自己做胃镜检查，证明一切正常后，毅然将细菌一饮而入。数天后，他感到胃烧灼、泛酸、恶心及头晕，再行胃镜检查，发现胃溃疡及粘膜肿胀；服用抗生素治疗，数天后症状消失，胃镜复查显示胃黏膜恢复正常。Marshall将这一发现及新的理论成稿投向澳洲胃肠病学大会，虽然在67篇投稿中有59篇被接受，Marshall的文章惨遭拒绝，胃肠道病学的专家们不能接受这一反传统的理论，抗酸药物的生产厂家也不愉快，设置了许多障碍及质疑。1983年Marshall将论文改投传染病大会，终于被接受，但是，被安排在晚上分会场最后一个发言，台下仅十几个听众，没有人认识到这是一个革命性的科学发现。《新英格兰医学杂志》也同样拒绝发表Marshall的文章。Marshall 被胃肠道界及传染病界的大腕们称为“疯子”，一直排斥在外。
但是，真理是经得起时间考验的，随着越来越多的医生发现了胃炎、胃溃疡、十二指肠溃疡与此细菌有关，并尝试用抗生素成功地治愈胃溃疡，Marshall的理论终于被认可。这一带尾巴的螺旋菌（幽门螺杆菌）不单单导致胃及十二指肠溃疡，还通过炎症等过程导致癌变。Marshall的发现为人类根治胃溃疡，从而预防胃癌提供了思路。因此重大发现，Marshall同Warren共同获得2005年的诺贝尔医学及生理学奖。
Marshall的发现有巧合性，但他的挑战传统观念的勇气及执著的献身精神成就了他的诺贝尔奖。
执著、献身、信念、科学思维、不畏压力成就了Marshall的诺贝尔奖。当Marshall获奖后，所有的学术组织均邀请他去演讲，其中包括胃肠道疾病学会，学术权威们表示，他们早就认为Marshall的研究意义重大，对他的献身精神钦佩有佳，Marshall早已是他们中的优秀一员，医学会自始至终支持Marshall的研究及发现。Marshall的成功改写了学术权威们大脑中的记忆。
当我在医学院上生化课时，课本以大篇幅描述DNA，那是人类生命的模板，含有生命的密码，其中，只有很少的DNA复制有意义的RNA，起到转运氨基酸（tRNA）及翻译模板（mRNA）的作用，严格按照DNA的指令，合成机体内的蛋白。而剩余的大量RNA碎片，则被认为“垃圾碎片”，是进化过程中的残渣，无任何功能。当时的理论显示，人类区别于其他物种的根本，在于有复杂的DNA，有更多的基因。尽管数据已证明，人类同猩猩的基因只有1%的区别，同大鼠的蛋白组成只有10%的不同，但无法合理解释人类与它们的巨大表型差别。我没有深度思考，没有发出任何疑问，更没有挑战无法给予圆满解释的DNA决定论，而是盲目接受了书本知识。
直到2004年的一天，我有幸聆听了斯坦福大学的Andrew Z. Fire教授的讲座，彻底颠覆了我的传统观念。人类拥有的DNA并不是最多的，羊齿类植物的DNA碱基数量比人类多数倍，玉米的基因数量也多于人类，只有那些含20～30个碱基的“垃圾”小分子RND（siRNA，MicroRNA，RNAi）数量，才是区别人类与其他低等动物的关键，人类拥有的小分子RNA的数量是最多的，而且，随着物种复杂性的升高，细胞内小分子RNA的数量也随之增加。研究显示，小分子RNA担当着设计师，是它们决定着哪些DNA可以表达，生成什么样的蛋白，形成什么样的组织，甚至产生什么样的智慧，从而导致体内蛋白质成分相似的人类与大鼠，长成差别巨大的机体。小分子RNA在植物、霉菌、昆虫及哺乳动物细胞内均有，它们可以产生抑制病毒复制、调节炎症基因、抑制致癌细胞、诱导免疫耐受等作用。我当时惊叹，这一革命性的发现应该获得诺贝尔奖。
随着试验数据的不断积累，小分子RNA的应用前景更加清晰，诺贝尔奖委员会将2006年诺贝尔医学奖授予斯坦福大学的Andrew Z. Fire及麻省大学的Craig C. Mello。
盲目接受知识，对不寻常现象不发出提问的人，不深入思考追根问底的人，与科学发现及诺贝尔奖无缘。养成提问的习惯至关重要。1944年诺贝尔物理学奖得主Isidor Rabi教授在获奖感言中说，他在上小学及中学时，每每放学回家，他的妈妈不是问他“你今天学到了什么？”而是问“你今天提出了一个什么好问题？”正是这种从小培养出来的提问精神及思考习惯成就了他。
同时，创造良好的提问文化氛围亦至关重要。我国的初级教育过于强调学习知识，死记硬背，学生无题可问，老师不喜欢、更不鼓励学生提问。不单单是学校，在学术界，学者们习惯互相吹捧，把提问者当成找茬者，不求甚解，不去思考，学场成了官场。这样的氛围难以振兴我国学术，更无緣诺贝尔奖。
提出问题只是跨向挑战型科学发现的第一步，找出解决问题的方案则是关键。爱因斯坦说过，“我们面临的最大问题是：总想在发生问题的层面上寻找解决问题的方法”。更新思维方法（paradigm shift）尤为重要，新的科学发现需要我们摒弃固有的习惯思维，“跳出盒子”看问题。
攻关型的科学发现，往往采取推理（induction）的推进方法，以及排除（reduction）的剥离方法，向既定的研究目标趋近。然而，挑战型的研究需要心灵的眼睛，独到的洞察力，更需要打破常规的挑战精神。挑战者大多不被主流群体喜欢，被学术团体拒之门外。但是，当新的理论被广泛证实，并获大奖之时，主流的权威们又会表现出超常的热情，并表述早就看中了挑战者的工作及精神，寻找一切线索以显示挑战者来自他们的群体。因此，成功的挑战不仅仅会为学科带来破坏性的重建，还会为个人带来戏剧般的转机，从一个不入流的麻烦制造者，变为改变世界的英雄。
为了科学、为了真理、为了荣誉，勇敢地去挑战吧！