a**********u 发帖数: 28450 | 1 也许受物理学影响最深的科学就是化学了。在历史上,早期的化学几乎完全讨论那些现
在称为无机化学的内容,即讨论那些与生命体不发生联系的物质。人们曾经进行了大量
的分析才发现许多元素的存在以及它们之间的关系——即它们是怎样组成在矿石、土壤
里所发现的简单化合物的,等等。早期的化学对于物理学是很重要的。这两门科学间的
相互影响非常大,因为原子的理论在很大程度上是由化学实验来证实的。化学的理论,
即化学反应本身的理论,在很大程度上总结在门捷列夫周期表里,周期表体现了各种元
素之间的许多奇特的联系,它汇总了有关的规则:哪一种物质可以与哪一种物质化合,
怎样化合,等等,这些就组成了无机化学。
还有一门由物理学与化学共同发展起来的极其重要的分支,这就是把统计学的方法
应用于力学定律起作用的场台,这被恰当地称之为统计力学。在任何化学状态中都要涉
及大量的原子,我们已经看到原子总是以复杂而毫无规则的方式不停地晃动。假如我们
能够分析每一次碰撞,并且跟踪每一个分子的运动细节的话,就能判断出将会发生一些
什么,但是要记录所有这些分子就需要许许多多数据,这远远超过了任何计算机的容量
,当然也一定超过人脑的容量,所以为了处理这样复杂的情况,重要的是要采取一种有
效的方法。统计力学就是关于热现象或热力学的理论。物理化学研究反应率和所发生的
详细变化(分子间如何碰撞?哪一些分子先飞离?等等),而量子化学则帮助我们根据
物理定律来理解所发生的事。
化学的另一个分支是有机化学,它研究与生命体有关的物质。人们曾一度相信与生
命有关的物质是如此神秘,因此不可能用我们的手从无机材料中制造出这种物质。这根
本不对——它们与无机化学中制成的物质完全一样,只是包括了更复杂的原子排列。很
明显,有机化学与提供有机物质的生物学之间有十分密切的关系,与工业也有密切的联
系,而且许多物理化学和量子化学的定律不仅适用于无机化合物的情况,而且也适用于
有机化合物。然而,有机化学的主要任务并不在于这些方面,而是在于分析、综合那些
在生物系统以及在生命体中所形成的物质。这样就不知不觉地逐步引向了生物化学,然
后是生物学本身,或分子生物学。 |
a**********u 发帖数: 28450 | 2 夸克与美洲豹
在衡量什么是最基本的尺度时,夸克与美洲豹几乎位于相对的两个极端。基本粒子
物理学与宇宙学是最基本的科学学科,而关于复杂生物的研究,尽管显然非常重要,但
却远远没有那么基本。为了讨论科学的分级问题,至少必须理清两个不同的问题,其中
之一与纯粹的习惯问题有关,另一个则关系到不同学科之间的真正联系。
我听说,一所法国大学的科学教授曾常常以一种固定的顺序讨论与各学科有关的事
物:先是数学,其次是物理学,化学,生理学,等等。从这一安排来看,他们似乎经常
忽略了生物学家的事情。
同样,在设立诺贝尔奖的瑞典炸药界泰斗阿尔弗雷德·诺贝尔的遗嘱中,科学奖的
排列顺序为:首先是物理学,其次是化学,再次是生理学与医学。因为这个原因,在斯
德哥尔摩的颁奖典礼中,物理学奖总是被最先授予。如果只有一个物理学奖获得者,且
该获奖者已婚,那么他的妻子将有幸被瑞典国王挽着手进入宴会厅。〔当我的朋友萨拉
姆(AbdusSalam),一个巴基斯坦的穆斯林,在1979年分享诺贝尔物理学奖时,把他的
两个妻子都带到了瑞典,这毫无疑问引起了一些外交礼节问题。〕在外交礼节中,化学
奖获得者排在第二,而生理学与医学奖获得者则位列第三。由于某些未被真正弄清楚的
原因,诺贝尔的遗嘱中遗漏了数学。有个一再流传的谣言说,他痛恨一位叫密他克-莱
福勒(Mittag-Leffler)的瑞典数学家,因为这位数学家抢走了一个女人对他的爱情。
不过据我所知,这仅仅是个谣传而已。
学科的这种分级的原因,可以部分地追溯到19世纪时期的法国哲学家奥古斯特·孔
特(Auguste Comte),他认为,天文学是最基本的科学学科,物理学其次,等等。(
他将数学看作一种逻辑工具,而不是科学。)他的看法有道理吗?如果有,又是从哪方
面来说的呢?这里有必要撇下声望的问题而试图弄清楚,从科学观点来看,这样一种分
级究竟指的是什么。
数学的特征
首先,如果科学被理解成一门用于描述自然界及其规律的学科的话,那么数学确实
不是一门科学。数学更加关注的是,证明某些假设的逻辑结果。因为这个原因,它可以
从科学的清单中勾掉(就如它被诺贝尔遗漏掉一样),仅被视为很有趣而且也是科学的
一个极其有用的工具(应用数学)。
另一个看待数学的方法是,可以认为应用数学研究科学理论中出现的结构,而纯数
学研究的不仅包括那些结构,而且还包括科学中所有可能出现过的(或可能将要出现的
)结构。那么,数学是对假想世界的严密的研究。从这方面来看,它是一种科学
0;一门关于目前是什么、将来可能是什么以及曾经可能是什么的科学。
如此看来,数学就成了最基本的科学吗?那其他学科又如何呢?说物理学比化学更
基本,或化学比生物学更基本,是什么意思呢?物理学中的不同部分又怎么样呢?难道
不是一些部分比其他部分更基本吗?一般来说,是什么使得一门科学比另一门科学更基
本呢?
我认为,如果1.A科学的定律在理论上涵盖B科学的现象与定律。
2.A科学的定律比B科学的定律更具有普遍性(也就是说,B科学比A科学更专门化
,B科学定律的适用条件较A科学定律的更特殊)。
那么,A科学就比B科学更基本。
如果数学真是科学,那么,根据上述标准,它比其他任何科学都更基本。所有可想
出的数学结构都在它的研究范围内,对描述自然现象有用的结构仅只是数学家研究或可
能研究的那些结构中一个极小的子集。通过那个小子集,数学定律的确涵盖了其他科学
中用到的所有理论。但是其他科学怎么样呢?它们之中又存在什么样的关系呢?
化学与电子物理学
当著名的英国理论物理学家狄拉克(P.A.M.Dirac)在1928年发表用来描述电子
的相对论量子力学方程时,据说他曾评论他的公式解释了大部分的物理学与全部的化学
。当然,他的话有些言过其实,不过我们还是能够懂得他说这话的意思。尤其在化学方
面,因它主要研究诸如原子、分子之类客体的行为,而这些客体本身即由重的原子核与
环绕原子核的轻的电子组成。电子与原子核及电子与电子之间通过电磁效应而产生的相
互作用,是许多化学现象的基础。
狄拉克方程描述了电子与电磁场之间的相互作用,它在短短的几年时间内就导致了
一门关于电子和电磁学的成熟相对论量子力学理论的产生。这门理论就是量子电动力学
,或QED,它与大量实验的观察结果都符合得很好(因而用这么个缩写是非常恰当的,
这使我们中的一些人回想起学生时代,当时我们在一个数学证明的最后使用“QED”一
词来表示拉丁文“quod eratdemonstrandum”,意思是“这就是要证明的”)。
在原则上,QED确实可以解释大量化学现象。它严格地适用于这样一些问题,即其
中的重核可被近似地看作固定不动的带电点粒子。对QED进行简单的推广即可用来处理
核的运动,也可用来处理核是非质点的运动情况。
理论上,理论物理学家可以使用QED来计算任何化学系统的行为,如果在原子核内
部结构的细节相对来说不重要的话。只要是利用合理的QED近似所进行的关于这些化学
过程的计算,它们就能成功地预言观察结果。事实上,在大多数情况下,有一个被证明
为合理的特殊的QED近似能够做到这一点。它被称为带有库仑力的薛定谔方程,可用于
“非相对论性的”化学系统,在这种系统中电子与核的运动速度与光速相比都非常地小
。这一近似在量子力学发展的初期,狄拉克的相对论方程出现之前3年就已经被发现了。
为了从基本物理理论中导出化学性质,可以说有必要向该理论提出化学方面的问题
。你必须在计算中既引入基本方程,又要使用所讨论的化学系统或化学过程的特定条件
。例如,两个氢原子的最低能量状态是氢分子H2。化学中的一个重要问题是分子的结合
能有多大;更精确地说,分子的能量比组成它的原子单独存在时的能量之和低多少。答
案可以从QED计算得到。但首先必须“向方程询问”那个特定分子的最低能量状态的性
质。提出这样的化学问题,其有关的低能条件并不具有普遍性。在太阳中心数千万度的
高温下,氢原子全都分裂成为它们的组成成分:电子和质子。在那里原子和分子的存在
概率小到没有任何实际意义。可以说,在太阳的中心没有化学。
从我们前面提出的关于什么更基本的两条标准来看,QED比化学更基本。理论上,
化学规律可以从QED导出,只要将描述适当化学条件的附加信息代入方程即可;而且,
那些条件是特殊的;它们不能在整个宇宙中处处成立。
化学在其自身层次上
实际上,即使现在有最快而且最大的计算机可供使用,也只有最简单的化学问题可
以通过基本物理理论计算出来。可以这样解决的问题正在增多,但是化学中的大多数情
况仍然是使用化学自身的而非物理的概念与公式来描述。
通常,科学家们习惯于直接在特殊领域提出用于描述观察结果的理论,而不从一个
更基本领域中的理论出发去推出相应的理论。虽然在提供特殊附加信息的情况下,从基
本理论出发的推导在理论上是可行的,但是在实际中,在大多数情况下都十分困难或者
不可能。
例如,化学家们关心原子之间各种不同的化学键(包括一个氢分子中两个氢原子之
间的键)。他们在实验过程中提出了许多关于化学键的具体观点,这使他们能够对化学
反应作出预言。同时,理论化学家们竭力从QED的近似出发去推导那些观点。除最简单
的情况之外,他们只能取得部分的成功,但他们毫不怀疑,在理论上,如果有足够强大
的计算工具,他们是可以取得更大成功的。
阶梯(或桥梁)与还原
这样,我们得到了科学不同层次的暗喻,其中底部是最基本的,而顶端是最不基本
的。非核化学位于QED“上面”的某一级。在很简单的情况下,一个QED的近似被直接用
来预言化学层次的结果。但是,大多数情况下,用来解释与预言现象的定律是在上层(
化学领域)形成的,然后科学家们才尽可能努力地从较低层次(QED)推导出那些定律
。两个层次都以科学为目标,而且科学家们努力建构它们之间的阶梯(或桥梁)。
我们的讨论不必局限于非核现象。自从1930年左右QED产生以来,它已被大大地推
广了。现在整个基本粒子物理学科已经崛起。基本粒子理论的任务不仅是描述电子和电
磁学,而且还要描述所有的基本粒子(所有物质的基本构成单元)和自然界所有的力。
我将一生的大部分精力奉献给了这一领域。基本粒子理论描述原子核内部以及电子之间
所发生的现象。因此,QED与用于处理电子的那部分化学之间的关系,可以看作是位于
较基本层次上的整个基本粒子物理学与位于非基本层次上(包括核化学在内)的整个化
学之间关系的一个特殊情形。
用较低层次的理论来解释较高层次的现象的过程,通常被称为“还原”(
reduction)。我没听说过哪个严肃的科学家相信,存在着不是起源于基本物理力的特
殊的化学力。虽然一些化学家可能不喜欢这么说,但事实的确如此。从理论上讲,化学
可以从基本粒子物理学导出。从这一意义上说,我们都是还原主义者(reductionists
),至少在物理和化学方面是如此。但是,在允许化学现象发生的特定条件下,化学比
基本粒子物理更特殊这一事实,意味着为了导出化学定律,哪怕是在理论上导出,必须
将那些特殊条件的信息代入基本粒子物理方程。没有这一思想,还原的概念就是不完善
的。
所有这些给我们的启示是,尽管各门科学占据着不同的层次,但它们都是一个联合
整体的一部分。那个整体结构的统一性通过各部分之间的联系而得以巩固。位于某一层
次上的科学涵盖了位于较上层的不那么基本的科学的定律。但是后者由于更特殊,因而
除了前者的定律之外,还需要更多的信息。在每一层次上,都有一些对本层次非常重要
的定律有待发现。科学工作不仅包括研究各个层次上的那些定律,同时还要从上而下及
由下向上地在它们之间建构阶梯。 |
C**********r 发帖数: 8189 | |
w**z 发帖数: 123 | 4 我同意所有的化学性质都是基于原子的物理性质(量子力学)。 |
F****I 发帖数: 270 | 5 >实际上,即使现在有最快而且最大的计算机可供使用,也只有最简单的化学问题可以
通过基本物理理论计算出来。
现在能算的东西还是蛮多的。。。 |
m********3 发帖数: 2125 | 6 很能写,适合给高中生做科普。
从基础到上层:
数学--》物理--》--》化学--》分子生物学--》生物学--》人体科学--》社会科学
理论上xu wenyi裸奔都是可以在大爆炸开始的时候用一个方程解出来的。
【在 a**********u 的大作中提到】![](/moin_static193/solenoid/img/up.png) : 夸克与美洲豹 : 在衡量什么是最基本的尺度时,夸克与美洲豹几乎位于相对的两个极端。基本粒子 : 物理学与宇宙学是最基本的科学学科,而关于复杂生物的研究,尽管显然非常重要,但 : 却远远没有那么基本。为了讨论科学的分级问题,至少必须理清两个不同的问题,其中 : 之一与纯粹的习惯问题有关,另一个则关系到不同学科之间的真正联系。 : 我听说,一所法国大学的科学教授曾常常以一种固定的顺序讨论与各学科有关的事 : 物:先是数学,其次是物理学,化学,生理学,等等。从这一安排来看,他们似乎经常 : 忽略了生物学家的事情。 : 同样,在设立诺贝尔奖的瑞典炸药界泰斗阿尔弗雷德·诺贝尔的遗嘱中,科学奖的 : 排列顺序为:首先是物理学,其次是化学,再次是生理学与医学。因为这个原因,在斯
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j*****7 发帖数: 89 | 7 物理科学(包括物理学,化学等)基本上都是这种还原主义的态度。这种方式取得了巨
大的成功。物理学的发展使得化学可以用量子化学来严格表述,但是方程极为复杂,目
前的计算机智能严格计算最最简单的体系。但是可以乐观地说,化学体系的本质是物理
学。
但是分子生物学发展到了今天,生命体系的复杂性远远超过了化学体系相对物理体系的
复杂度。生命体系是蛋白质核酸等大分子与小分子的极其复杂的相互作用。而且在一个
细胞里面,蛋白质就有非常非常多,他们之间的相互作用又是极其复杂的。就拿一个细
胞分裂周期调控的调节系统来说,复杂程度简直就是一个集成电路。很多生物学家还是
乐意用这种还原主要的态度来看待生命问题。认为生命本身就是分子相互作用。
但是心理学尤其是意识本质的研究,则是另外一个故事。现代神经生物学也得到了极大
发展,但是很多现代心理学和精神病学家最近流行的濒死体验、轮回转世的研究,则从
另一个角度让人不可不从新的 视角考量还原论哲学本身。 |
a**********u 发帖数: 28450 | 8 前一阶段1物理的中年教授用“物理--》--》化学”这个片段,被一帮子老帮严厉驳斥
【在 m********3 的大作中提到】![](/moin_static193/solenoid/img/up.png) : 很能写,适合给高中生做科普。 : 从基础到上层: : 数学--》物理--》--》化学--》分子生物学--》生物学--》人体科学--》社会科学 : 理论上xu wenyi裸奔都是可以在大爆炸开始的时候用一个方程解出来的。
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a**********u 发帖数: 28450 | 9 thx,需要学习
【在 j*****7 的大作中提到】![](/moin_static193/solenoid/img/up.png) : 物理科学(包括物理学,化学等)基本上都是这种还原主义的态度。这种方式取得了巨 : 大的成功。物理学的发展使得化学可以用量子化学来严格表述,但是方程极为复杂,目 : 前的计算机智能严格计算最最简单的体系。但是可以乐观地说,化学体系的本质是物理 : 学。 : 但是分子生物学发展到了今天,生命体系的复杂性远远超过了化学体系相对物理体系的 : 复杂度。生命体系是蛋白质核酸等大分子与小分子的极其复杂的相互作用。而且在一个 : 细胞里面,蛋白质就有非常非常多,他们之间的相互作用又是极其复杂的。就拿一个细 : 胞分裂周期调控的调节系统来说,复杂程度简直就是一个集成电路。很多生物学家还是 : 乐意用这种还原主要的态度来看待生命问题。认为生命本身就是分子相互作用。 : 但是心理学尤其是意识本质的研究,则是另外一个故事。现代神经生物学也得到了极大
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b*******g 发帖数: 1309 | |
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j*****7 发帖数: 89 | 11
细胞周期调控的确是非常精密的系统。涉及的过程的确看起来像是集成电路系统。
如果你学学细胞信号转导,你就明白了。
【在 b*******g 的大作中提到】![](/moin_static193/solenoid/img/up.png) : “复杂程度简直就是一个集成电路” : lol
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b****n 发帖数: 2780 | 12 本人完全外行,只学过高中生物,我直观感觉,细胞调控要比集成电路复杂多了吧
【在 j*****7 的大作中提到】![](/moin_static193/solenoid/img/up.png) : : 细胞周期调控的确是非常精密的系统。涉及的过程的确看起来像是集成电路系统。 : 如果你学学细胞信号转导,你就明白了。
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j*****7 发帖数: 89 | 13
我以为你认为细胞调控简单才这么说。是的,细胞调控每个阶段的控制都很复杂。节点
失控会导致癌变。
【在 b****n 的大作中提到】![](/moin_static193/solenoid/img/up.png) : 本人完全外行,只学过高中生物,我直观感觉,细胞调控要比集成电路复杂多了吧
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S*******s 发帖数: 13043 | 14 糖溶于水沙子不能,这个是化学问题还是物理问题? |
S*******s 发帖数: 13043 | 15 无穷维随机微分方程
【在 m********3 的大作中提到】![](/moin_static193/solenoid/img/up.png) : 很能写,适合给高中生做科普。 : 从基础到上层: : 数学--》物理--》--》化学--》分子生物学--》生物学--》人体科学--》社会科学 : 理论上xu wenyi裸奔都是可以在大爆炸开始的时候用一个方程解出来的。
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c*****r 发帖数: 2426 | 16 如果你是个高中生我可以跟你说宏观上是个化学问题,微观上可以用物理方法解释这个
现象。
【在 S*******s 的大作中提到】![](/moin_static193/solenoid/img/up.png) : 糖溶于水沙子不能,这个是化学问题还是物理问题?
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m*****e 发帖数: 1506 | 17 物理和化学都是研究物质,能量各自或相互之间转化的,完全可以统一成一个学科---
物质科学。理论物理和唯像物理属于数学。
【在 a**********u 的大作中提到】![](/moin_static193/solenoid/img/up.png) : 也许受物理学影响最深的科学就是化学了。在历史上,早期的化学几乎完全讨论那些现 : 在称为无机化学的内容,即讨论那些与生命体不发生联系的物质。人们曾经进行了大量 : 的分析才发现许多元素的存在以及它们之间的关系——即它们是怎样组成在矿石、土壤 : 里所发现的简单化合物的,等等。早期的化学对于物理学是很重要的。这两门科学间的 : 相互影响非常大,因为原子的理论在很大程度上是由化学实验来证实的。化学的理论, : 即化学反应本身的理论,在很大程度上总结在门捷列夫周期表里,周期表体现了各种元 : 素之间的许多奇特的联系,它汇总了有关的规则:哪一种物质可以与哪一种物质化合, : 怎样化合,等等,这些就组成了无机化学。 : 还有一门由物理学与化学共同发展起来的极其重要的分支,这就是把统计学的方法 : 应用于力学定律起作用的场台,这被恰当地称之为统计力学。在任何化学状态中都要涉
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y*****s 发帖数: 1047 | 18 太长了
打个比方
数学是语言文字
物理是用用数学写出来的法律
万物都是按照物理这个法律运行
其他的科学是物理在某个方面的具体体现或者更细致的解释 |
m*******3 发帖数: 1275 | 19 数学不是物理的基础
【在 m********3 的大作中提到】![](/moin_static193/solenoid/img/up.png) : 很能写,适合给高中生做科普。 : 从基础到上层: : 数学--》物理--》--》化学--》分子生物学--》生物学--》人体科学--》社会科学 : 理论上xu wenyi裸奔都是可以在大爆炸开始的时候用一个方程解出来的。
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