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
哲学家兼作家吉姆·霍尔特最近写了一本闪耀的新书《世界为何存在？》，他最近在《纽约时报》上撰写了一篇专栏文章专栏，温和地批评物理学家们停止“粗鲁”，并欣赏物理学和哲学之间长达数百年的相互作用。霍尔特的观点是，科学和哲学一直共存，即使它们的关系更多的是一种不安的休战，而不是热情的拥抱。包括玻尔和爱因斯坦在内的一些最伟大的物理学家也是伟大的哲学家。
幸运的是——或不幸的是——与物理学相比，化学在哲学方面几乎没有什么可说的。化学本质上是一门实验科学，在很长一段时间里，理论化学对化学的贡献远不如理论物理学对物理学的贡献。这种情况现在正在改变；像迈克尔·韦斯伯格、埃里克·塞里和罗尔德·霍夫曼这样的人宣称自己是名副其实的化学哲学家，并为讨论带来了宝贵的想法。
但是化学和哲学之间的相互作用是另一篇文章的主题。在这篇文章中，我想探讨化学家们全心全意接受的为数不多的哲学原则之一，他们以同样的习以为常的漫不经心谈论它，就像他们随意抛出关于酸和碱的事实一样。这一原则就是奥卡姆剃刀，一种指导工具，允许化学家在对一种现象或观察结果的相互竞争的解释之间进行选择。奥卡姆剃刀的起源归功于 14 世纪的方济会修士威廉·奥卡姆，他涉猎了许多科学和哲学分支。完整地陈述，该命题告诉我们，“不应不必要地增加实体”，或者说，对于一个特定的分析，其背后的假设和假设越少，相对于那些具有同等解释力的分析而言，该分析就越受青睐。更简单地说，简单的解释总是比复杂的解释更好。
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可悲的是，奥卡姆剃刀的多种衍生性重述，加上我们寻找简单解释的倾向，有时会导致错误的结果。部分责任不在于奥卡姆剃刀，而在于他的解释者；主要问题是，当应用于自然规律或现象时，“简单”和“复杂”的含义并不明确。此外，大自然并不真正在意我们认为的简单或复杂，对我们来说可能显得复杂的事物，对大自然来说可能显得非常简单，因为它……是真实的。在我职业生涯的早期，我就深刻体会到了这一点。
我在研究生院的大部分研究都与找出复杂有机分子在溶液中采取的多种构象有关。将像布洛芬这样的有机分子投入水中，你不会得到分子静止不动的静态图像；相反，连接各个原子的单键周围会自由旋转，从而产生多种快速相互转化的形状，或构象，它们像公海上的船只一样被水冲击着。这种舞蹈中每种构象的确切百分比取决于其能量；低能量构象比高能量构象更普遍。
由于围绕单键旋转而实现的多种构象的存在是分子结构基本原理的逻辑结果，因此这种图景似乎是无可争议的。然而，令人惊讶的是，它并不总是被理解。原因与以下事实有关：通过核磁共振 (NMR) 谱等实验技术对构象的测量总是产生平均值。这是因为大多数这些技术的时间尺度都长于构象之间相互转换所需的时间尺度，因此它们无法区分个体差异。最好的类比是吊扇；当风扇快速旋转时，由于我们眼睛的时间分辨率较低，我们看到的只是一个连续的圆盘。但我们知道，实际上，有单独的叶片（见帖子末尾的图）。核磁共振就像眼睛，它看到圆盘并将其误认为是风扇。
这就是使用实验技术确定分子个体构象的问题所在。它们的长时间尺度导致平均数据，并为之分配一个单一的平均结构。显然，这是一种有缺陷的解释，但部分原因是由于根深蒂固的信念，部分原因是由于缺乏分离个体构象的方法，多年来，科学家们经常发表单一结构，将其视为代表更复杂的构象分布。这种结构有时被称为“虚拟结构”，这个名称反映了它们虚幻的——本质上不存在的——性质。我在研究生院的大量工作是使用一种称为 NAMFIS（溶液中分子柔性的核磁共振分析）的方法，该方法将平均核磁共振数据与理论计算的构象相结合，以将数据分离为个体构象。这是我为大学生撰写的关于 NAMFIS 的文章。
当要就这项研究发表演讲时，一位非常杰出的科学家在听众中告诉我，他觉得很难理解这种复杂的多种构象争夺能量阶梯位置的图景。假设一个单一、干净的平均结构不是更令人满意吗？奥卡姆剃刀不是会偏爱这种数据解释吗？那时我才意识到奥卡姆原则的局限性。在这种情况下，多种构象的“复杂”图景是真实的，而单一平均构象的简单图景是不真实的。在这种情况下，最终证明是正确的解释是复杂的解释，而不是简单的解释。当我还设法在众多构象中找到一种与体内关键蛋白质结合并将分子变成有希望的抗癌药物的构象时，这种解释得到了验证。这次经历再次强调了这样一个观点，即大自然通常并不关心我们科学家认为的简单或复杂。
最近，奥卡姆再次出现，同样是在分子构象的背景下。这一次，我研究的是有机分子通过细胞膜的扩散，这个过程在药物发现中非常重要，因为即使你最好的试管药物也无法进入细胞，那也是毫无用处的。一位来自旧金山的化学家提出了一种方法来计算分子的不同构象。通过观察能量最低的构象，然后他预测该构象是否会在富含脂质的细胞膜内部稳定。基于此，他预测分子是否会穿过细胞膜。现在对我来说，这提出了一个难题，我发现自己处于我以前的审问者的位置；我们知道分子有多种构象，那么在预测膜渗透性时，为什么只有单一的、能量最低的构象才重要呢？
我仍然不知道答案，但几个月前，另一位研究人员做了一个更真实的计算，她在计算中考虑了所有其他构象。她的结论是什么？更多时候，预测的准确性会变差，因为通过包含更多构象，我们也包含了更多噪音。也许有一天我们可以将所有这些构象都考虑在内，而不会伴随噪音。那么我们会更具预测性和更真实性吗？我不知道。
这些来自我自身研究的事件强调了奥卡姆剃刀及其在科学模型中的体现的相当复杂和微妙的性质。在第一种情况下，多种构象的假设既现实又具有预测性。在第二种情况下，多种构象的假设是现实的，但不具有预测性，因为多构象模型不足以进行计算。在第一种情况下，简单应用奥卡姆剃刀是错误的，而在第二种情况下，有缺陷的简单假设实际上会导致更好的预测。因此，有时简单的假设之所以有效，不是因为更复杂的假设是错误的，而是因为我们根本没有能力实施更复杂的假设。
我很高兴我对分子构象的研究总是引导我探索奥卡姆剃刀的古怪表现。我感谢一位著名的生物化学家最好地总结了这一点：“大自然并不总是用奥卡姆剃刀剃须”。在科学和生活中，简单可能非常复杂，而复杂可能变得令人耳目一新的简单。