科学和生活中的许多事物一样，始终处于发展阶段。虽然成功的科学理论可以解答问题、准确描述自然现象、做出可靠预测，但它在任何时候也存在根本限制。任何理论，无论多么成功，都有有限的有效性范围。保持在该范围内，你的理论就能很好地描述现实；超出该范围，其预测就不再符合观察或实验。对于你选择的任何理论都是如此。牛顿力学在小（量子）尺度和高（相对论）速度下失效；爱因斯坦的广义相对论在奇点处失效；达尔文的进化论在生命起源时失效。

但众所周知，我们今天所拥有的模型只是我们对现实的最佳近似。如果我们足够仔细地研究，我们就会发现，即使是我们最好的理论也存在局限性，并找到与主流理论的最佳预测相矛盾的证据。当我们遇到一个更好的理论时，我们可以将新理论与旧理论进行比较，比较它们的预测，而新理论会取得压倒性胜利，这通常是科学革命的先兆。这种事情以前发生过，而且我们可以肯定它还会再次发生。

16 世纪最大的谜团之一是行星如何以逆行的方式运行。这可以通过托勒密的地心模型（左）或哥白尼的日心模型（右）来解释。然而，这两种模型都无法将细节精确到任意精度。这两种模型的预测能力都很弱；它们无法详细描述假设的额外行星的轨道特性。

先决条件

如果你希望取代目前最好的理论，而这在任何科学领域都是如此，那么你必须诚实地认识到你的理论目前的成功、失败和局限性。我们的每一个理论都会做出预测，但它们能成功预测的东西是有限的。只要情况如此，就总会有更好、更完整、更基本的理论来帮助我们理解宇宙。

科学理论的圣杯就是所谓的万物终极理论。这是爱因斯坦的终极梦想，也是许多不同领域科学家的梦想。这样的理论可以预测给定任何初始设置和条件的宇宙中的所有自然现象。你可以提前计算任何实验设置的结果；你可以预测任何系统在未来将如何任意演化。你面临的唯一限制是没有任意数量的计算能力，而不是任何理论限制。

标准模型粒子及其超对称对应物。这些粒子中略低于 50% 已被发现，而略高于 50% 的粒子从未显示出它们存在的痕迹。超对称是一种希望改进标准模型的想法，但它尚未实现取代主流科学理论的三个步骤中最重要的“第三步”。

但我们应该坦诚面对我们今天所知道和不知道的事情——我们还没有达到那个地步。我们并没有一个万能的理论；我们有许多非常成功的理论，但每个理论的范围都存在根本性的限制。在每个领域，我们都有可以观察到的现象或可以设计的实验，而我们最好的理论的预测要么与数据相矛盾，要么毫无意义。此外，经常有一些问题或谜题无法用我们现有的理论来解释。

· 中微子为什么有质量？

· 为什么宇宙由大量物质而不是反物质组成？

· 当电子穿过双缝时，它的引力场会发生什么变化？

· 为什么基本常数具有它们现在所具有的值呢？

观察到无法解释的现象，但却没有理论可以预测，这往往是科学革命的推动力。这必须是默认的起点，所有学科的所有科学家都可以聚在一起说：“是的，我同意这是我们开始探索的地方。”

在牛顿引力理论中，当轨道围绕单个大质量物体旋转时，它们会形成完美的椭圆。然而，在广义相对论中，由于时空曲率，还存在额外的进动效应，这会导致轨道随时间而移动，有时这种移动方式是可以测量的。水星是太阳系中此类效应最大的行星，由于这种额外效应，水星每世纪的进动速率为 43 英寸（1 英寸为 1/3600 度）。

步骤 1：你的新理论必须重现所有领先理论的成功。

当你有了一个新理论，并且希望它能取代目前领先的理论，那么你的首要任务是证明你的新理论不会在旧理论成功的地方失败。主流理论越成功，实现这一目标的难度就越大。例如，如果你想取代我们目前的引力理论，也就是爱因斯坦的广义相对论，那么你必须解释：

· 引力透镜，

· 水星轨道的进动，

· Lense-Thirring 效应，

· 引力红移，

· 双脉冲星轨道的衰减，

· 夏皮罗时间延迟，

· 来自黑洞和中子星合并的引力波信号，

以及许多其他经过实验验证的领域。因为在这些领域，广义相对论都已经得到了验证。从地球上的桌面实验到太阳系规模的实验，再到宇宙规模的星系、星系团和宇宙网测量，你的新理论至少要做到这一点：在领先理论已经成功的地方取得成功。

两个黑洞吸积和合并时发射的引力波的数值模拟。每个黑洞周围的彩色轮廓表示引力辐射的振幅；蓝线表示黑洞的轨道，绿色箭头表示它们的自旋。加速一个质量穿过弯曲时空区域的行为总是会导致引力波的发射。

如果你想超越达尔文进化论，情况也是如此。达尔文的理论确实有其局限性，但它很好地解释了大量观察到的现象，包括：

· 生物多样性的出现，

· 生物体对各种选择压力的反应，

· 子生物从其亲本生物那里继承特征。

如果你想取代达尔文进化论，你的第一步就是让你的理论也能对所有这些现象做出同样令人满意的解释。

同样地，如果你决心改进原子的玻尔模型，你就必须重现它的成功，包括：

· 解释原子内的各种能级，

· 解释表明原子核存在的散射实验，

· 以及电子与原子核的自旋轨道相互作用。

这些壮举并不一定容易实现。此外，这也意味着你的新理论不能做出与已经进行的观察或已经进行的实验相矛盾的新预测。仅仅选择这些预测是不够的；你必须重现先前理论的每一个成功。如果你不能与你试图取代的东西相提并论，你就无法超越它。

光钟由光子在两面镜子之间弹跳而形成，它将为任何观察者定义时间。尽管两位观察者可能对时间流逝的看法不一致，但一个成功的理论需要解释这两组观察结果，同时让两位观察者都同意物理定律和宇宙中存在的基本常数。

第 2 步：你的新理论必须在先前的理论无法成功的地方取得成功。

理论家们确实一直在沙箱中摸索，即使我们目前的解释 100% 令人满意，我们也一直在寻找旧问题的新解决方案。这种修补通常可以为未来的科学进步铺平道路，达到一个临界点：我们理论上期望看到的东西与我们实际观察到的东西之间存在某种冲突或差距。

然而，我们只能通过对比两种理论并测试哪种理论更符合现实世界的情况，才能判断一种理论是否优于另一种理论。这通常需要动机；让某人查看数据并注意到我们的预测与现实不符。

当这种情况发生时，人们很自然地会怀疑旧理论有些地方不对劲；有些东西它根本无法解释。牛顿物理学无法解释快速移动粒子的力学；光的射线理论无法解释干涉图样；万有引力定律无法解释水星的轨道。

太阳系内行星的轨道并非完全是圆形，但非常接近，其中水星和火星的偏离度最大，椭圆度最大。19 世纪中叶，科学家开始注意到水星的运动与牛顿引力的预测存在偏差：虽然差异很小，但测量结果非常准确，因此差异不容忽视。

所有这些难题都引发了许多新想法，这些新想法可以解释这些现象，但并非每个想法都能重现先前的成功。例如：

· 乌尔班·勒威耶 (Urbain Le Verrier) 提出了一个位于水星内部的假想行星，称为 Vulcan，以解释水星的异常轨道。

· 其他科学家认为太阳日冕质量巨大，并对水星的运动产生影响。

· 另一个团队，西蒙·纽科姆和阿萨夫·霍尔，发现如果用引力随距离的 2.0000001612 次方衰减的定律取代牛顿的平方反比定律（该定律表明引力随距离的 2 次方衰减），就可以解释水星的运动。

· 最后，爱因斯坦彻底废除了牛顿的理论，用弯曲的时空取代了牛顿的引力“超距作用”。

所有这些想法都经过了多年的认真考虑；这就是为什么第 1 步和第 2 步本身还不够的原因之一。如果你想确定哪种理论上可能的解释实际上最能反映你所居住的真实宇宙，你必须用最重要的第三步来面对你的想法。

行星 Vulcan 的假设位置，据推测是造成 19 世纪水星进动的原因。人们进行了详尽的搜索，寻找一颗可以解释牛顿引力条件下水星异常运动的行星，但并不存在这样的行星，这推翻了太阳系内部存在行星的预测。

步骤 3：你的新理论必须做出与原始理论不同的，新的、可测试的预测。

这些关于太阳系内部引力或大质量现象的新理论的想法都会产生可观察到的结果，这些结果不仅会将它们彼此区分开来，而且会与流行的、较旧的牛顿引力理论区分开来。

· 如果水星内部有一颗新行星，那么应该可以用望远镜探测到。

· 如果太阳日冕质量很大，我们应该探测到比观测结果更大的粒子/物质密度。

· 如果纽科姆和霍尔的引力理论是正确的，它将会以与观测结果不符的方式影响月球、金星和地球的轨道。

· 如果爱因斯坦是正确的，那就意味着，由于空间因质量而弯曲，背景光源应该沿着弯曲的路径而不是直线路径传播。

事实上，根据爱因斯坦的广义相对论，我们可以计算出任何质量的物体光路弯曲的程度。而我们的太阳系中有一个非常大的质量——太阳。如果爱因斯坦的预测是正确的，那么日全食可能是测试它的最佳时机。背景光点（如恒星）会因太阳引力而弯曲多少？

· 它会按照广义相对论预测的量弯曲吗？

· 由于光没有质量并且不会受到牛顿引力的影响，它会弯曲到零吗？

· 如果您为光子指定一个由其能量给出的质量当量，它的弯曲程度是否会与牛顿引力中的弯曲程度相同？

1919 年爱丁顿探险的结果最终证明，广义相对论描述了星光在大型物体周围弯曲的现象，推翻了牛顿的理论。这是爱因斯坦引力理论的首次观测证实。

1919 年，在一次日全食期间，爱因斯坦的这一预测受到了严峻考验。结果很快公布，而且看起来非常有力：光线的弯曲符合爱因斯坦的预测，而且绝对不符合任何替代理论的预测。在一场巨大的革命中，我们有了一个新的引力理论，在过去 104 年里，它经过多次检验，只要观察或实验质量足够高，它就会通过检验。

我们所有领先的科学理论都是经过类似的理论发展和实验观察证实而得出的，从遗传学和 DNA 到大爆炸、宇宙膨胀和暗物质。这些理论之所以成为最伟大的理论，并不是因为它们的数学方程非常漂亮，或者它们与我们的直觉非常吻合。而是因为它们如此成功地描述了我们在这个宇宙中实际观察到的自然现象。

这张四联动画展示了潘多拉星系团 Abell 2744 内的各个星系，以及钱德拉的 X 射线数据和根据引力透镜数据构建的透镜图。X 射线和透镜图之间的不匹配，正如在各种发射 X 射线的星系团中显示的那样，是支持暗物质存在的最有力指标之一。

随着科学越来越发达，证据越来越丰富，创建一个解释全部数据的理论就变得越来越艰巨。然而，这正是最成功的理论所应该做到的：在极大的有效性范围内，以如此详尽的方式解释如此多的数据。然而，我们必须始终牢记这一点：无论一个理论在过去有多么成功，只要有一个不一致的观察结果，整个理论就会受到质疑。我们今天最伟大的科学理论很可能会在未来的某一天被取代，特别是随着新的和更优越的证据的收集。

大量中微子暗示了超越标准模型的物理学；黑洞信息悖论暗示了超越广义相对论的引力；原子物质存在且生命起源于原子的事实是不可否认的，但这些物质（而不是等量的反物质）来自哪里以及生命如何从中产生仍然是未知数。这些谜题和悖论以及许多其他谜题和悖论可能预示着最终的、甚至是巨大的科学进步。在此之前，我们只能在科学的前沿进行推测，试图迈出这三步，更好地理解宇宙。