本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
弗里曼·戴森在本周的《科学》杂志上发表了一篇观点文章，其中他总结了他在他的书《太阳、基因组与互联网》中探讨的一个主题。戴森的中心论点是，科学革命更多甚至更多地是由工具而非思想驱动的。这种观点与普遍接受的关于库恩革命的主导地位的信念有些相反——托马斯·库恩在他的开创性著作《科学革命的结构》中著名地描述了库恩革命——库恩革命是由思想和范式转变所塑造的。相比之下，在提到哈佛大学科学史学家彼得·加利森及其著作《图像与逻辑》时，戴森强调了加利森革命的重要性，加利森革命主要由实验工具驱动。
作为一名化学家，我几乎完全同意工具驱动的加利森革命的观点。化学作为一门学科，是从炼金术的灰烬中崛起的，炼金术是一种彻底的实验活动。从那时起，化学领域发生了四次可以称为库恩革命的革命。第一次是 17 世纪末拉瓦锡、普里斯特利和其他人试图将元素、化合物和混合物系统化，以将化学从炼金术的神秘束缚中解放出来。第二次是弗里德里希·维勒在 1828 年合成尿素；这在真正的意义上是一次范式转变，因为它将来自生物体的物质与来自非生物体的物质置于同一领域。第三次革命是门捷列夫提出的元素周期表概念，尽管这更像是一种分类，类似于 20 世纪 60 年代默里·盖尔曼等人对基本粒子的分类。伴随门捷列夫发明的次要革命是对有机化学至关重要的，即冯·李比希、凯库勒和其他人发展的结构理论，该理论为分子结构测定铺平了道路。第四次革命是将量子力学应用于化学，以及鲍林、斯莱特、马利肯和其他人阐明化学键。所有这些进步都开辟了新的道路，但没有一项像物理学中相应的革命那样具有工具性和总体性，例如牛顿（力学）、卡诺、克劳修斯等人（热力学）、麦克斯韦和法拉第（电磁学）、爱因斯坦（相对论）以及爱因斯坦、普朗克等人（量子力学）。
为什么化学似乎更像加利森式，而物理学似乎更像库恩式？戴森没有提及但我认为有说服力的一点是科学的复杂性。物理学可能非常困难，但化学更复杂，因为它处理多层次的、涌现的系统，这些系统不能屈服于还原论的第一性原理方法。这种复杂性在物理学的分支中也很明显，通常归于“多体相互作用”的标题下。多体相互作用的范围从超导体中粒子的行为到恒星在相互引力作用下凝聚成星系的行为。当然，有高度发达的理论框架来描述这两种相互作用，但它们涉及若干近似和简化，导致模型而不是理论。我的论点是，对更复杂系统的解释，由于不太容易进行理论化，因此是由加利森革命而不是库恩革命驱动的。
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化学就是一个很好的例子。莱纳斯·鲍林的化学理论源于对分子的量子力学处理，更具体地说，是对最简单分子氢分子离子的理论，氢分子离子由一个电子与两个原子核相互作用组成。母原子氢是量子化学学科的起点。打开任何量子化学教科书，从这个简单的系统开始，接下来是一系列近似，允许人们将量子力学应用于复杂分子。今天，量子化学和更广泛的理论化学是高度精炼的技术，可以解释并经常预测数百个原子的分子的行为。
然而，如果你回顾过去一个世纪对分子结构和键合获得的见解，它们来自少数关键的实验方法。其中最重要的是 X 射线衍射（戴森也提到了这一点）和核磁共振 (NMR) 谱学，这也是 MRI 的基础。这些技术对确定数百万种分子的结构所产生的影响怎么强调都不为过，这些分子的多样性令人震惊，从食盐到核糖体。X 射线衍射和 NMR 不仅为我们提供了分子中原子位置的信息，还为我们提供了关于排列的键合和能量特征的宝贵见解。除了其他关键的光谱方法（如红外光谱、中子衍射和荧光光谱）外，X 射线和磁共振不仅彻底改变了化学科学的实践，而且还使我们对化学键合有了迄今为止最完整的理解。将这些丰富的数据与使用纯粹理论技术的类似尝试进行对比，原则上也可以使用纯粹理论技术来预测分子的结构、性质和功能。该领域的进展是显著且有希望的，但预测例如晶体中简单分子的最稳定构型仍然比实际通过反复试验结晶化学物质困难几个数量级。从太阳能电池的材料到器官移植的材料，化学中的实验结构测定已经远远超过了理论预测。
生物学呢？加利森式方法以 X 射线衍射和 NMR 的形式，在化学应用于生物系统方面取得了巨大的成功，最终在 20 世纪迎来了分子生物学的兴起。从沃森和克里克的 DNA 结构解决方案开始，X 射线衍射基本上帮助构建了核酸和蛋白质结构的理论。尤其值得注意的是基因测序的 桑格方法——一种本质上是化学的技术——它对遗传学和医学产生了深刻且真正革命性的影响，而我们才刚刚开始认识到这一点。然而，我们离蛋白质折叠形式的蛋白质结构理论还很远；库恩式的革命尚未到来。加利森式方法在生物化学中的主导地位引发了关于库恩式思维在生物科学中有效性的问题。这是一个特别相关的问题，因为生物学中最后一次库恩革命——对已知事实的综合，从而产生一个通用的解释性理论，可以概括所有生物学——是由查尔斯·达尔文在 150 多年前构建的。自那时以来，生物科学领域没有发生任何可比的事情；正如前面指出的，对遗传密码和中心法则的理论理解来自实验，而不是达尔文为生物体提出的关于复制者、变异和适应性的非常一般的综合。有趣的是，在他晚年（以及在 DNA 结构发现的前一年），伟大的数学家约翰·冯·诺伊曼提出了一个类似于达尔文的通用理论框架，该框架解释了复制和代谢如何相互耦合，但这在很大程度上被忽视了，当然也没有引起实践化学家和生物学家的注意。
戴森的文章和科学史并不一定断言，从库恩革命的角度看科学是误导的，而从加利森革命的角度看是合理的。而是复杂的系统通常更易于加利森式的进步，因为理论解释太复杂了。戴森提出的另一个观点是，库恩式和加利森式方法交替进行并相互构建。在一个领域经历了几次加利森式发展之后，很可能就会成熟到可以进行库恩式巩固的程度。
生物学在这方面将特别有趣。当前生物学中最令人兴奋的领域被认为是神经科学、系统生物学和基因组学。这些领域建立在大量实验确定的事实的基础上，但它们正在寻找通用理论。然而，很可能对细胞或大脑的通用理论理解将来自与过去两百年中非常成功的还原论方法截然不同的方法。理解生物学的库恩革命很可能借鉴其最杰出的实践者——查尔斯·达尔文。达尔文理论的标志性特征之一是，它试图提供一种统一的理解，超越生物组织的多个层次，从个体到社会。我们 21 世纪的生物学观点在阶梯的相反两端增加了基因和文化两个部分。现在是时候将这些通过艰苦的、创造性的加利森科学获得的成果整合到生物学的库恩式大厦中了。