本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
物理学的还原论时代精神无法“解释”化学，就像“熵”无法解释生命从出生到死亡不可避免的进程一样。重要的是要理解当我们说物理学无法解释化学时，我们指的是什么。物理学当然在平庸的意义上解释了化学，因为分子是由原子组成的。但是物理学也“解释了”人类行为，因为大脑最终也是由原子组成的。然而，我们不知道如何从原子达到诸如嫉妒和音乐创造力之类的东西。当我们说 A 解释 B 时，通常意味着存在一条 unbroken 且逻辑的连续性线索将 A 连接到 B，通过这条线索，A 的属性在 B 中得到明显的体现。即使在高度还原论的化学领域，更不用说在神经科学和社会学等“更高”的领域，物理学也做不到这一点。近来，涌现已成为一个时髦的词，经常被用来描述任何类型的复杂性，但化学和生物学特性的涌现，而这些特性无法从其潜在的物理学中推导出来，实际上是非常真实的。
科学中还原论方法并非总是有效的原因有很多，但物理学家兼作家杰里米·伯恩斯坦在《华尔街日报》上对乔治·伽莫夫和马克斯·德尔布吕克的传记评论中暗示了其中一个最重要的原因
有些科学比其他科学更难以驾驭。这里有一个寓言来说明我的意思。想象一下，当第一个生命形式出现时，出现了一个超级智能的怪胎。如果这个怪胎完全了解物理定律，它能预测什么？相当多。所有原子核都由中子和质子组成，质子的数量决定了每种元素的化学性质。了解这一点，这个怪胎可以预测所有可能存在的元素，以及它们各自的特性。假设它也知道所有的生物学定律，包括解释基因如何表达为蛋白质的“中心法则”。即便如此，它也无法预测长颈鹿的存在，甚至无法预测我和我的兄弟只共享我们一半的基因。这两者都是进化意外。如果不是因为随机突变，就不会有长颈鹿，我和我的兄弟可能会像雄性大黄蜂一样共享我们所有的基因。生物学不像物理学。
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这段话简洁地深入探讨了基于物理学的还原论的根本局限性之一，这一点也适用于化学。这是一个非常重要的一点。问题在于还原论无法解释历史偶然性和意外的作用。即使一个全能的存在能够解释从宇宙初始状态出现的所有生物学情景，它也永远无法告诉我们为什么一个特定的情景比其他情景更受青睐。正如伯恩斯坦所说，进化意外根据定义无法从起始条件预测，因为它们取决于机会和机遇。
此外，即使结构可以从还原论中唯一地推导出来，功能也永远无法唯一地推导出来。例如，在他的著作《重塑神圣》中，复杂性理论家斯图尔特·考夫曼提出了一个强有力的论点，即即使原则上可以从弦理论中推导出人类心脏的结构，弦理论也永远不会告诉我们其最重要的功能是泵血。生物器官的功能是作为进化过程中塑造它们的无数不可预测的约束的适应性结果而产生的。此外，结构和功能的进化都是一个混合搭配的过程，它既依赖于偶然相遇，也依赖于严格的适应。所有这些都永远无法在还原论的世界观中捕捉到。
同样的原则也适用于化学。进化塑造了许多独特的分子，这些分子支撑着生命的机器。许多化学家，尤其是研究生命起源的化学家面临的问题是，为什么是这个特定的分子而不是那个分子？这里有一些更具体的难题：为什么只有二十种氨基酸，为什么是 α 氨基酸而不是 β 或 γ 氨基酸（它们具有额外的碳原子），为什么氨基酸的立体化学（分子“手性”）是 L 而糖的立体化学是 D，为什么 DNA 由一组非常特定的四种核苷酸组成而不是其他，为什么自然界在如此多的重要生物分子的构建中选择了磷酸盐（化学家弗兰克·韦斯特海默接近回答了这个问题），为什么给定的蛋白质只折叠成一个独特的、功能性的结构，为什么水是唯一已知能维持生命的溶剂，以及一般来说，为什么生命中无数的小分子和大分子是它们现在的样子。事后看来，当然可以为这些分子的存在提供几个基于稳定性、功能和结构的论据，但无法前瞻性地预测这些参数。
事实是，一个全能的、超级还原论的怪胎在解释生命化学前体的独特存在方面将是无用的。这是因为这些分子的性质中没有任何东西规定了它们的存在应该被唯一地确定。例如，我们现在从化学研究中知道，β 和 γ 氨基酸也可以折叠成 α 氨基酸普遍存在的螺旋和片层结构。它们还具有其他有利的特性，如化学多样性，这可能使它们成为比 α 氨基酸更好的构建模块。然而，由于某种原因，它们在进化过程中被抛弃了。为什么？我们可以提出几个论点。例如，由于它们的松散性，也许更高阶的版本不得不付出无法接受的熵代价，而这种代价无法补偿它们的折叠倾向。或者，也许被认为产生 α 氨基酸的Strecker 反应永远无法被形成 β 氨基酸的化学反应所取代。或者，也许 α 氨基酸比它们的更长链的对应物更好地屏蔽疏水性或憎水性侧链。这些都是有说服力的理由，但我确信，如果我们努力寻找，我们可以找到同样多的反对 α 氨基酸的论据。事实是，最终未能找到对 α 氨基酸存在的解释，有力地提醒我们，在生物分子和生物体的进化中，机会和环境的重要性。还原论无助于我们追踪穿过这种随机的、概率性的进化景观的路径。生命基本构建模块的身份是由机会和随后的达尔文自然选择塑造的。
这种偶然性和意外的作用是化学和生物学还原为物理学行不通的最重要原因之一。即使还原论可以为我们提供化学和生物学进化中所有可能情景的列表，它也永远无法告诉我们哪一个会被优先选择以及原因。这是化学和生物学不是物理学的又一个原因。
这是一篇发表在 The Curious Wavefunction 博客上的文章的修订和更新版本。