其他自然科學有像物理一樣的理論和實驗的分界嗎？

01-02

ok，是個自然科學都要實驗，是以我很想知道有沒有理論化學.理論生物神馬的.......

來了。以下為個人意見。

一般被稱為理論化學的包括計算化學，各種物理化學的理論部分，個人覺得就是應用物理學，甚至可能以物理的標準屬於實驗類（比如用計算機模擬做實驗），邀請了@李震宇來答。

著重說理論生物學。

一般人認為生物學就是實驗科學，這是因為理論生物學（我心目中的）已經沉睡幾十年了。直到近年各種組學發展，才讓各行各業大批人馬重新投入這個領域，只不過現在它有一些新名字，比如生物信息學，生物建模，系統生物學，理論進化學等等。大家都試圖從浩如煙海的數據中找規律，提煉理論，但基本思想，卻是半個世紀前貝塔朗菲（Karl Ludwig von Bertalanffy，我來德語國家的理由之一）建立的系統論。1948年他發表Das biologische Weltbild（英文版 Problems of Life，商務譯為生命問題），1968年進一步完善整理為Modern Theories of Development（商務譯為一般系統論）[1]。

還是在1948年，香農（Claude Elwood Shannon）以一篇論文建立資訊理論[2]，後來建立了現代控制論的維納（Norbert Wiener）此時也在獨立琢磨資訊理論[3]，雖然這兩位都不是基於生物做研究的，但是發展出來的學科如隨機過程卻是解釋生命現象必須的。

1977年的諾貝爾化學獎授給了普里高津（Ilya Prigogine）的耗散結構理論[3]，這位化學家的理論解釋了生命系統如何能夠維持低熵狀態的問題[4]。

以上述理論為基礎，複雜系統如火如荼的發展起來[5]，在各個領域找到應用。但整個過程大家都知道，這些東西暗示著生命現象，生物體就是最有趣的複雜系統。但是怎麼對應，誰也不知道。

這期間分子生物學正在成長[6]，積累數據，終於到了組學階段，早已忘記數學的生物學家們面對自己挖出來的數據一籌莫展了，研究複雜系統的人們卻開始摩拳擦掌，心想總算有足夠的數據可以做點突破性研究了......

但迄今為止，「理論生物學」和實驗生物學之間仍有巨大的鴻溝，目前生物學領域有三類研究者：實驗生物學家（主流），做各種模擬的人（很大部分為計算化學家），致力於建立理論模型的人，他們兩兩溝通往往還有困難......

所謂21世紀是生命科學的世紀，我從大三起就覺得其實是後兩種人的世紀。雖然後兩種人當中，大部分還是「劃一個圈子，訂幾條規則，自己開始做遊戲」的，我仍希望那少部分在從事「真正有意義的研究」的人，總有一天能挖出什麼。

由評論補充：@高任騁進化論——其實我說了理論進化學了，並且不同於達爾文，現在的理論進化學已經超出了經驗總結的範疇，開始嘗試一些「由目前存在的流感病毒種類和比例，預測明年冬天哪個會流行」之類的事情了。

@talich 中心法則——整個分子生物學的基石，但我覺得它是對生物體內最重要的信息傳遞路徑的描述，我不會把它歸為「理論生物學」，好吧，見仁見智了。

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Dissipative_system; http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%B3%BB%E7%BB%9F%E7%A7%91%E5%AD%A6

[2]http://en.wikipedia.org/wiki/Information_theory

[3]http://en.wikipedia.org/wiki/Cybernetics

[4]http://en.wikipedia.org/wiki/Dissipative_system; http://en.wikipedia.org/wiki/Ilya_Prigogine

[5]http://en.wikipedia.org/wiki/Complex_systems

[6]http://book.douban.com/subject/1219557/

這個問題太狠了，看了大家的討論，尤其是 @金晨羽和＠陳浩的觀點，對我啟發很大，很受益，感覺自己說的太匆忙了，關鍵問題沒想清楚。現在我再來回答一下。

既然大家都在說理論生物，我正好也是搞相關方向的，我也以這個為例來說：

現代科學的發展，是個假設－檢驗的過程。

比如在生物學領域，申請美國 NIH 的經費時，申請書的定式是本研究提出了如下假設，準備用這樣那樣的方法來驗證該假設。具體點，比如，我的科學假設是 ING4 基因是一個潛在的抑癌基因。我準備收集數百個乳腺癌樣本，檢查 ING4 基因的表達，和病人的預後作比照，等等。

這個驗證一般是通過實驗完成的，放下不表。

理論研究在這個體系中的位置呢，就是建立一個體系模型，能夠系統的提供可以檢驗的假設。

模型的好壞，不在於它本身多真，從一定意義上，所有的模型都是錯的，只是有的更好用一些。好的模型，能夠幫助人理解問題，提出新的，有意義，可以供檢驗的假設，是一種對未來的預測，能不停的推動學科的發展。

從一定程度上說，理論研究是學科發展的必然需要，但是，是否能發展到成為一個獨立的分支學科，要看整個學科發展的程度和需要。

作為一個分支學科，它一樣要滿足假設－檢驗這個基本過程。比如你提出了一個癌細胞的藥物反應模型。它能夠找到潛在的藥物靶點。這些找到的靶點，就是可以用來提出用於進一步生物實驗驗證的假設。要驗證這個模型，就是要證明它能系統的幫你找到有意義的潛在靶點。

引 R Levins 在 American Scientist 卷 54:421-31（1966）里的一段：

A mathematical model is neither an hypothesis nor a theory. Unlike scientific hypotheses, a model is not verifiable directly by an experiment. For all models are both true and false.... The validation of a model is not that it is "true" but that it generates good testable hypotheses relevant to important problems.

這樣看生物里的進化論，它作為一個生物理論就滿足這個理論學科的標準。它有實際的指導意義。實事上，因為它的出現，生物學家擺脫了像達爾文這樣的博物學業餘愛好者的對這門學科的統治，不再滿足於對既有物種的紀錄和分類，而是開始在理論指導下有針對性的進行研究。

從這個角度上說，沒有進化論，遺傳學裡的這些理論，就沒有現代生物學。

至於我提到的分子生物學的雙螺旋模型，central dogma，這些模型本身和假設高度重合，可以說自己就是假設，在假設被驗證後，就完成史命了，被認為不是理論生物，也是對的。只是，從歷史上看，這些模型實質上倒是開啟了細胞分子生物理論模型的大門，而不是只推動了實驗生物學的發展。

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這是我原來的回答。

我用 wiki 搜了一下 theoretical：

http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Special%3ASearchsearch=Theoreticalfulltext=1

可以看到有諸如：Theoretical physics，Theoretical computer science，Mathematical and theoretical biology，Theoretical linguistics，Theoretical Mechanics，Theoretical philosophy，Theoretical astronomy，Theoretical statistics，Theoretical ecology，Theoretical planetology，Theoretical psychology 等等。

當然，我不知道它們是不是只是名字像。你得自己一個個點進去看。

我曾經是搞理論物理的。了解一些理論生物學的東西，認為這東西靠譜，所以叫了＠金來回答。由於@talich和@孫尉翔似乎有不同觀點，我也來寫個答案。

參考理論物理，我認為一個學科如果有理論分野，應該有這樣的特徵：高度抽象，普遍適用，由廣泛事實（而不是某類特定的實驗）總結，並形成自洽體系，經常採用整體論的方法，有時會比較形而上。

由上面這些特徵，我找不出理論化學。我想這點我和＠孫和＠李震宇是意見相同的。

但是我覺得有理論生物。例子就是：進化論，系統論，控制論，耗散論，等……

@talich所提到的雙螺旋結構，是對特定分子的功能結構的描述，是通過衍射實驗發現的；中心法則的確走了假說－驗證的路線，但是仍然是針對某些特定的生物過程。他們是偉大的理論，但是抽象度太低，基於的事實比較單一。我個人不會把他們算入理論生物學。

理論生物學是不同的。如果拿進化論和中心法則比較，兩者都是在生物學上普適的，但前者由大量非常不同的進化過程抽象出來，後者由在所有生物體中都大同小異的特定過程中總結出來。前者是整體論的研究方法，後者是還原論的研究方法。

進化論的適用範圍，已經超出了生物界，進入了社會學語言學物理學。進化論有形式化的數學描述，自恰且抽象度非常高。

理論生物學，的確是在追求生物學的大統一理論，甚至超出生物學本身。

法學。

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我自己看漏了「自然科學」的限定，求摺疊。

理論和實驗應該是緊密聯繫互相促進的。完全基於第一性原理的計算模擬，確實也可以看成一種實驗。但是必須注意到現在並沒有一個普適的大一統理論，所謂的「第一性原理」通常也是有適用範圍的。所以，計算機模擬和真正的實驗還是有差別的。

現在不是幾百年前了，現在的任何實驗本身都無法離開理論的指導來進行。實驗規劃都需要明白：1。能做什麼；2。預期什麼；3。服從什麼。漫無目的的實驗計劃得出的數據學術圈沒有興趣，也沒辦法獲得經費。所謂實驗生物學與理論生物學兩者之間並無本質上溝通的困難，最多有知識偏向上導致的理解困難。比如蛋白質，當代的任何研究都要在「蛋白質是大分子」，「大分子間依靠物理的相互靠近和接觸發生作用」，「氨基酸的特定摺疊構成蛋白質的空間形態」……等等理論或稱範式的前提條件下進行，無論是實驗生物學還是理論生物學都是服從這樣的體系的。兩者間也就是著重點和方向不同而已，實驗生物學更注重事實的採集和分析以及小範圍的理論體系建設，理論生物學注重數據分析歸納及大範圍理論體系建設（注意這裡所謂的範圍大小與研究對象的物理大小沒有關係，比如細胞層級的研究並不比種群層級的研究範圍小）。

任何涉及一點理論的學科都會有一幫人在研究其理論而不直接參与實驗，對於自然科學來說就是研究其數學模型，這就進入了應用數學與這些學科相交叉的領域了。

例如：

生物數學 (豆瓣)

生物數學引論 (豆瓣)

生物信息學中的數學方法引論 (豆瓣)

生物化學系統的計算分析 (豆瓣)

對於化學還有研究其物理基礎的物理化學：物理化學（第五版）上冊 (豆瓣)

中國古代科技沒有領先世界我豆瓣的一個文章，拿過來貼上

有些東西還是可以說一說的。技術是無數次試驗得出來的，沒什麼理論支撐。

比如說鑄劍，瓷器。可能打了五百年鐵的技術積累，知道了怎麼樣打能得到寶劍。

中國古代瓷器美輪美奐，哥窯均窯越窯龍泉窯景德鎮，現在可能也做不出當時的的水平但這不是科學先進，只是千萬次試驗的總結。這些能工巧匠能做出精
妙奇器，但並不知其原理和原因，只知道怎麼做罷了。所以一旦一個技藝失傳，以後就很可能弄不出來了，就算現代科技，也不一定能還原出來。

在農業社會，中國這樣的文化可能還有一定的優勢。但是在「社會進化」上，西方的確具有優勢的。中國從夏商進入奴隸社會（不典型），周朝開始封建，
秦漢統一以後，進入了帝國制周期化時期，此後社會的核心並沒有進步，一直是中央集權帝國制。也就是社會的進化幾乎固化了，只有門閥、軍閥、士族輪番上場，
進而科舉讓普通人進統治階層這樣的小的變化，唯一的亮點幾乎就是宋朝，有商業社會的影子。但宋朝依舊沒有科學的根基，只有工藝技術的登峰造極。

而社會本身就在重建-盛世-腐爛-混戰-重建這樣的周期裡面了

而西方文明的兩個直接源頭是希伯來和希臘。他們孕育的基督教事實上是科學的溫床和民主的促進者，雖然基督教是無意中做到這幾件事情的。

不是說民主和科學必須依賴基督教，而是說基督教剛好提供了這樣的溫床。其它方法肯定有，但是已經沒有機會了。

希臘提供了兩件東西，民主雛形和格物傳統，也就是商業性奴隸城邦的直接民主政治和無經濟追求的探索自然原理。

希臘這兩個東西是無根的，民主依賴城邦而存在，科學依賴無經濟的所謂傳統而存在，一但被征服，就什麼也沒有了。

幸運的是另一個源頭希伯來，提供了一神宗教。提供了一個終極信仰。希臘遇到希伯來，產生的就是基督教。這個宗教的上帝全知全能，教會影響到方方面面。

在古代，社會的紐帶是血緣，是宗族，世界莫不如此。新幾內亞和非洲某些部落至今還都只支持自己的部落，沒什麼國家概念。巴布亞紐幾內亞議會，甚至沒辦法形成政黨，只有代表部落的政客單槍匹馬，無論你說什麼，我只支持我的部落。民主遇到了歐洲沒有的困境。

基督教恰恰破除了這樣的宗族，在西方，很早就有個人獨立的思想，子女不是父母的附庸，社會上血緣的主導性比其他世界要差的多，反而是宗教的主導性
更高。基督教的神是三位一體人格神，具有高度的「崇高」性，不可攀登不可褻瀆，和人間完全分開兩個世界，統治者也要臣服於其權威。基督教影響之深入，直到
很現代的在美國西進時期都是以「昭昭天命」的名義去擴張就能看出來

而小國林立的歐洲，也能讓各種制度都存在，共和奴隸聯邦帝國，共同存在做比較，而不是中國這樣大一統後無論分裂不分裂全部都是帝國制

《政治秩序的起源》里，認為這是民主發展的基礎。中世紀再黑暗，也沒有熄滅這個種子。

而無論是無神、多神的宗教，都沒有這樣的力量破除宗族，因為無神和多神宗教不存在終極信仰，最終淪為統治者的工具。

再則，基督教的高度自信，歡迎人們去證明上帝，榮耀上帝。這讓希臘傳統找到了根。「理論科學研究」甚至成了教會主動參與的工作（當然教會的目的是
神學），有了基督教，才讓「無法給出經濟效益的純理論研究」成了可能。除了基督教明令禁止的領域，比如解剖，其它領域成果頗豐，基督教不把這些當成對上帝
的威脅，大多數照單全收修改教義解釋，認為能讓上帝更完善。即便是哥白尼的日心說，也是因為不夠完善能等價為地心才出大矛盾的。即便牛頓，研究科學也是為
了榮耀上帝，三大定律是為牛頓自己對上帝的獻禮，而不是威脅。文藝復興，希臘的故事讓歐洲沒有走上推倒重建-腐敗-推倒重建的路，而是讓民主科學不斷進
化，基督教也不斷的為了適應現代進程不斷進化。

基督教主觀上沒有想為科學和民主保價駕護航，但不經意間做了這件事。事實上在歷史上也只有基督教能做這件事

直到最近，理論研究能轉化為生產力後，科學才能脫離基督教獨立存在和發展。然後和基督教和民主一起完成現代化。

這就是一個社會的進化能力。

中國文化不具有這樣的機遇和能力，在農業社會或許憑藉經驗的總結能領先西方很長時間，但如果沒有西方堅船利炮打破國門，恐怕我們還要在重建-盛世
-腐爛-混戰-重建這樣的歷史周期里沉淪很久很久。或許我們的藝術能更加登峰造極，但還是無法自己孕育出民主和科學來逃脫這個漩渦。

現在科學民主普世價值浩浩蕩蕩，是為不可阻擋之潮流。中國在被其融入之後，傳統文化里肯定很多東西能發揮優勢，以後中國文明如何現代化，就交給社會來選擇吧。

心理學也可以這樣分。

上學時，學實驗心理學，收穫很大。

分野多得是，所以都不能指明說誰是「做理論」的誰是「做實驗」的。大學教學的設計也並沒有把這兩者獨立起來，因此學界是假設一個新的博士研究生是已經學習了所有理論和實驗的。不會說有的人「只懂理論不懂實驗」。此其一。

其二，到了科學研究的層面，@金晨羽所說的「劃一個圈子，訂幾條規則，自己開始做遊戲」，事實上存在，「實驗」 vs 「理論」是最常見的「圈子劃法」，但不是唯一的。我要修正的是，這麼做只體現在paper上。由於paper成了整個科研圈子的重要知識載體，而且發表論文關係著科研人員的職業生涯，所以paper體現出來是什麼樣，很容易讓人以為科研圈子就是怎麼樣。事實上，由於發paper篇幅所限，每篇paper當然都只能做一點工作，無論是理論還是計算還是什麼，因此每篇paper都難免「劃一個圈子，訂幾條規則，自己開始做遊戲」。paper的圈子可能還劃得很小。如果是寫一篇review、或者編一本書，圈子就可以大很多。所以，這裡說的「圈子」，其實就是scope或者perspective。

第三，既然這是perspective的問題，我就要強調，沒有哪個學科的perspective是說我只要做做實驗就行了，我不想做理論的。也沒有哪個學科的perspective是說我做理論不需要ab initio的，甚至不需要數學的。第二點說不能從paper、review、或者書所表現出來的情況來認定一個學科的perspective，在此是說也不需。因為這一perspective是默認的、在整個自然科學研究中也是普遍的。只是由於研究對象的複雜程度不同，不是所有的研究都能做到最完美最滿意的層次。否則自然科學只會有一個學科，那就是自然科學，它長得跟現在的物理學一樣。

第四，既然不是什麼研究都能做到現在的物理學所達到的層次，雖然「很想」那也沒辦法（不是不想），所以才要劃圈子，所謂劃圈子，就是建立一個比較妥協於實際水平的討論範式（paradigm）。在相同範式下才比較容易形成討論，@金晨羽說「理論生物學」和實驗生物學之間仍有巨大的鴻溝，目前生物學領域有三類研究者：實驗生物學家（主流），做各種模擬的人（很大部分為計算化學家），致力於建立理論模型的人，他們兩兩溝通往往還有困難」，這是必然的。正是因為在相同範式下才比較容易形成討論，久而久之就會從沙龍到學會，從學會到學科，科學史就是證據。但不是說同在所謂「生物學」下面就一定應該溝通得好。因為剛才已經說了範式怎麼分，完全不過是看研究對象。

第五，既然「分野」無非是「範式」之分，物理、化學、生物等「學科」也是範式之分。因此，「物理 vs 化學」和「實驗 vs 理論」本質上是平行的概念範疇，於是無所謂「物理有實驗和理論的分野」、「化學也有實驗和理論的分野」這種說法。

總之，範式是對不完美研究層次的妥協，科學研究中確實難以溝通的群體間除了範式不同之外不會再有別的不同。實驗物理和理論物理間（倘若）「難以溝通」，跟物理與生物之間（倘若也）的「難以溝通」，沒有本質上的區別。

如果不做實驗的工作就可以叫理論的話，任何科學都有對應的理論。

化學和生物學遠沒有物理學發展的成熟，同時也沒有像理論物理一樣可以用嚴密的數學推演進行預測的理論。

但是可以舉例說明它們的工作也有理論工作：量子化學，理論生物物理

我只知道計算機分：理論計算機科學（演算法、計算理論、程序理論等）和實驗計算機科學（系統結構、工業設計等等）...

物理學不可否認是最成熟的自然科學之一，學科體系已經很完善了

非專業人士來看，一門學科分理論和實驗，是不是側面說明了理論的超前性？理論體系強調強邏輯性，甚至無懈可擊，往往有「身未動，心已遠「的效果。

實驗基於當下信息技術的發展和研究成果，步伐雖慢，但很堅實。目的也為不斷驗證和修正理論的正確性。兩者其實是相輔相成的，儘管sheldon經常瞧不起Howard的實驗物理研究，呵呵

學科發展越成熟，職業分得就越細...物理學相對其他專業來說，存在的時間較長，整個物理大廈是一磚一瓦的慢慢建立起來的，現代物理學知識結構非常嚴謹，博大精深，人的精力越來越不夠用，只能鑽其一點，深入下去。這都是人的個人局限性造成的！理論發展越來越偏離日常經驗，相應的，實驗設計越來越複雜深入，所以，我們看到，自從費米以後，沒有哪個人可以身兼理論物理學家和實驗物理學家的雙重頭銜。

產品和交互。

硅基生物