物理學是不是可以解釋所有化學現象？如果是，那物理如何去解釋生物機制？

01-05

物理學是不是可以解釋所有化學現象？如果是，那物理如何去解釋生物機制？
物理學中的量子力學在化學中有著很好的應用，那麼作為基礎學科的物理學在未來會對生物有什麼影響呢，還是物理根本就不適合解釋生命科學？

要不怎麼說安德森那篇Science是傳世經典呢。

物理帝國主義是要不得的啊。

每到一個尺度自有每一個尺度的樂趣。

我們能還原，但我們並不能構建。

還原論vs構建論

這種思維的主要錯誤在於，還原論假設絕沒有蘊含「建構論」（constructionist）假設：將萬物還原為簡單基本定律的能力，並不蘊含從這些定律出發重建整個宇宙的能力。事實上，基本粒子物理學家關於基本定律的性質告知我們的越多，它們對於我們理解科學其餘領域中的真正問題越不相關，對於解決社會問題就更不相關了。
一旦面對尺度和複雜性的雙重困難，建構論假設自然會站不住腳。大型和複雜的基本粒子集合體的行為，並不能按照少數基本粒子性質的簡單外推來理解。事實上，在複雜性的每一個層次，都會有嶄新的性質出現；在我看來，為理解這些新行為所進行的研究，本質上是同樣基礎性的。
......
在每一個層級上，新的定律、概念和原理都是必不可少的，其所需要的想像力與創造力絲毫不亞於前一個層級。心理學不是應用生物學，生物學也不是應用化學。

More Is Different. Science 177, 393 (1972)

——安德森（Philip W. Anderson，1923－），1977年諾貝爾物理學獎獲得者

感興趣的知友可以進入這個回答：有哪些知識讓你驚嘆自己竟然活在那麼高大上的世界裡？ - Summer Clover 的回答 - 知乎

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針對評論區反饋的一點補充。

1）這裡問題的關鍵在於【構建】。

2）導致more is different的主要因素是【對稱性破缺】。

能不能從經典力學構建描述龍捲風、颶風的物理理論。能不能從QED推算美國大選結果。簡單，認為可以的，給出方案就行了。一個物理理論至少應該可以在某種程度上預測這個理論的研究對象。

甚至不妨假設給定任意有限大的計算力，那麼我們能否以有限小的誤差，預測任意有限長時間後某非平凡系統的狀態？這個答案很明確，非線性動力學領域的研究已經告訴了我們，一般是不可能的。

某種意義上講，在各個尺度上，物理定律的簡潔優美是來源於【對稱性】。Anderson的觀點在於，不同尺度上會遇到各種可能的【對稱性破缺】。對稱性的破卻引入了嶄新的性質，但對這些性質的物理描述是無法從更基本的物理定律憑空構建出來的。某些對稱性不復存在後，原有的物理描述可以變得非常醜陋。但是我們卻可以在這個尺度上創造新的優美且簡潔的科學理論，這些科學理論在本質上是同樣基礎的。

再以龍捲風為例。

我們需要的是描述龍捲風的理論。而牛頓力學非常醜陋地要通過精確地描述每一個分子的位置和動量來預測龍捲風的演化。這個災難般的路徑是走不通的。我們應該去創造新的物理理論，而這個物理理論其實可以不關心每個分子的運動。

類似的，診斷癌症，我們需要醫學研究；預測政治關係，我們需要政治學研究。而不是從頭開始解薛定諤方程。

謝謝知友@楊個毛的補充，我覺得很好。

是不是可以這麼話所，某種意義上，換個層級研究，也沒有解決這個「不行」的問題。並不是說，牛頓定律回答不了一個龍捲風裡每個氣體分子在任意時刻的狀態，換成一個別的層面上的定律，突然就能回答那個問題了。

但是，換一個層面去研究同一個問題，其實是巧妙地重新定義了問題，把我們所關心的，又可以研究清楚的那部分，跟我們所研究不清楚的部分切分開。

騷年，你的想法在科學哲學上叫做還原論_百度百科

理論上講，萬事萬物皆可還原。搞一個大統一理論出來，可以描述一切現象。即使沒有大統一，現階段講低速非宏觀的一切幾乎都可以用量子力學搞定。什麼化學生物材料流體工程機械blabla，全都可以。

但是呢，這樣很不經濟。舉一個簡單的例子，三體問題。即使只有三個體，相互作用只是引力，就已經可以引入混沌性質，初始狀態微小的改變或過程中輕微的擾動就會造成解的極大不穩定。那如果是300體呢？65536體呢？6.02E23體呢？

而且，這一還原極度依賴對模型的良好構建。量子力學的計算已經被廣泛運用在化學領域，但是實際上，使用不同的模型，會對結果產生很大影響。化學上還好，大多數結構都可以由晶體獲得。但是生物領域，一來晶體難以獲得，二來結構鬆散，在溶液中的結構與在晶體中其實很難講是不是一樣，甚至是不是相似。無法完成一個優美的建模，就更不要提後面的事情了。

俗話說得好，more is different，每個層面有每個層面的理論，精緻有精緻的好處，唯象有唯象的優勢。

直接用量子力學來模擬化學反應，分子動力學會遇到一個問題，就是隨著原子數的增加，波函數的複雜性會成指數增長。所以有人設想用量子計算機模擬微觀過程，因為量子計算機的計算能力也是隨著Qbit的增加指數增長的。我不知道有了量子計算機我們是不是就能用第一性原理模擬蛋白質摺疊的過程，酶的催化活性了。

至於有人說混沌這玩意兒的，我不知道量子力學有沒有混沌，但至少有些確定性的結果可以精確計算吧？比如蛋白質的結構，酶的催化活性，藥物的藥效等等。我是真的希望以後能有個黑科技，給出一個藥物的分子，計算機能算出藥物的藥效，葯代動力學，毒副作用等等，就像我們做電磁模擬一樣。

物理和化學理論原則上可以詮釋生命現象——Erwin Schr?dinger, 1944

生物化學的基礎主要是有機化學，而化學反應的本質是化學鍵的變化。

化學鍵的理論基礎主要建立在近代物理學的量子理論（價鍵理論、分子軌道理論等）和一點相對論（重原子的相對論效應）之上。物理和化學的交叉——物理化學就是在完成這樣的工作，並且也取得了重大成就。

自從物理學家、化學家、語言學家兼皇家首席煙花師Lomonosov在1752年提出物理化學這個概念以來，物理化學從發展初期的表觀熱力學/動力學理論（Arrhenius方程、熱力學第1、2、3、0定律等等）開始，逐步發展到微觀下的RRKM理論（動力學）、Prigogine耗散體系理論與Onsager倒易關係（不可逆過程熱力學/統計物理學）等。此外，也發展了量子化學近似計算程序——Gaussian（Pople等）、交叉分子束方法（李遠哲）、飛秒化學（Zewail）、超分子化學（Lehn等）等等其他微觀-介觀領域。

物理化學的研究方向逐漸從宏觀到微觀、從靜態到動態、從簡單近平衡體系到複雜非平衡體系，當然，也包括生物化學領域。因此還出現了一門新學科——生物物理化學（或者叫理綜（手動滑稽））。

至於（從尿素的人工合成開始的）生(you)物(ji)化學領域，在上世紀就出現了一個堪比科幻小說家Jules Verne的著名物理學家（+理綜全能+預言家+神+。。。虐貓狂人）Erwin Schr?dinger。

你有可能聽說過他本人

他的方程

他的書

但是

你一定聽說過

他的

半死不活不知死活的

主子

（甚至比鏟屎官本人更為出名）

貓：我真是日了狗了。

在他的科普性（？？？）著作What is Life?或《生命是什麼》中，他預測生物體的遺傳因子/基因很可能在某種非周期性固體，也就是後來發現的DNA和RNA。此外，該書中還有形如生命體以負熵為生、突變過程是一種量子躍遷、遺傳的穩定性可以通過量子論解釋、染色體是遺傳的密碼本等等過於超前的觀點。此外，在此書中提出了「物理和化學理論原則上可以詮釋生命現象」這一論斷。

自從Mendel的不會打殭屍的豌豆到Morgan的迴光返照抖擻精神的白眼果蠅以來，生物遺傳學都是通過研究表觀現象而推斷遺傳過程，而對DNA的研究則是從微觀起步，直達本質。但Schr?dinger通過物理學和化學知識，僅僅通過邏輯推理就得到了這麼多具有啟發性的結論，僅憑其超越時代的預言就完全可以認為他應該是生物化學之父，雖然現代生物化學的標誌之一是DNA雙螺旋結構的發現。

不過，當年DNA雙螺旋的發現者之一——Francis Crick在讀完這本書之後，放棄了原本的粒子物理研究，轉向生物領域。當然，他不是一個人。其後，基於他的同事Franklin的研究成果，DNA雙螺旋的發現為他帶來了1953年諾貝爾生理學與醫學獎。此外，後續的若干個諾貝爾獎（生物、物理等）得主均曾經受到書里思想的影響，包括後文中的Prigogine。

此書也被認為是分子生物學的開端。

（BTW，強！烈！建！議！讀一下那本著作，書中探索生命過程的本質的思維和方法論會讓人受益終生。）

（而且不會像某本書一樣，過多地浪費您的時間）

但在寫出這本分子生物學的《湯姆叔叔的小屋》以外

我們的神——Schr?dinger

還是

波動力學之父

量子力學奠基人

並發展了原子理論

還順手命名了一個

Schr?dinger方程

在此之後，所有的量子化學家都指著近似求這個方程根本解不出來的解來混飯吃。

而我們苦逼學生只是知道

不（能）自（學）量（子）力（學）

高中基礎怎麼自學量子力學？ - 物理學 - 知乎

我把你關在教室里考量子力學，你可能會死，或者活著。但這一切，將在我判你卷子的時候揭曉。——Teacher Schr?dinger

上面的內容已經可以說明，物理學理論是可以解釋生物化學現象的，而且很有效。但是想必題目的本意不僅僅停留在簡單的解釋，而是更加強調計算和精準的預測方面。

可惜，在現有和一段時間以內的科學技術水平下，（幾乎）不可能。

原因很簡單。

首先，所有生化和化學領域的基礎——化學鍵理論中，有一個叫不確定性關係/測不準原理的理論。而且，即使是在經典力學中，三體問題就已經沒有解析解，也即無法通過公式來準確計算三體的精確運動軌跡。考慮到化學反應體系都是以mol計量，而Avogadro常數 $N_{A}=6.022 imes 10^{23} mol^{-1}$ ，精確計算甚至是比較近似的計算都是很難的。

例如，研究冰結晶的動力學過程，即使在計算機的輔助下，大概也只能模擬 $10^{4}$ ~ $10^{6}$ 個水分子在極短時間內的運動，而且還是近似計算，為此人們還想了很多辦法來減少計算複雜度（參見2013年諾貝爾化學獎——多尺度模型）。而對於研究酶催化反應的分子動力學方法，即使是單個蛋白質分子，每次模擬的時間長度大概在ps~ns量級（遠遠達不到1 s）。而這種微小的工作都已經需要超級計算機連續運算數小時至數天。

（上圖為」水立方「的分子動力學計算，左圖12426原子/4142個水分子，右圖25095原子/8365個水分子，via MOPAC 2012 - PM7+mozyme）

（上圖為DNA片段-苯並芘複合物的優化結構，196原子，方法同上）

而生物體的壽命普遍較長（其中——），其間的生物化學過程就很難預測了，這也是醫學領域仍然難以精確地設計靶向藥物，而仍主要是通過以天然產物為先導化合物，高通量測試篩選天然產物衍生物的原因之一。

當然，由於計算能力日益提升，計算機輔助藥物設計(CADD)領域也湧現了很多成果，並且也開發了完全按照受體位點的結構而設計的小分子藥物。這是後話。

然後，根據Prigogine的耗散結構理論，生物化學過程，以及部分化學反應體系（碘鍾反應、B-Z反應等）都是一種非線性系統，傳統的近平衡態熱力學理論將不再適用，取而代之的是基於漲落和突變的非平衡態熱力學。在非線性系統中，常常伴隨著自組織化和有序性。

（上圖均為溴酸鉀-丙二酸-Ce(IV)-Fe(II)/phen體系的B-Z反應現象）

（上圖為B-Z反應體系的Red-Ox電勢隨時間的變化曲線）

例如，生態系統和生物體的高度有序性和自組織化（分別對應生物進化和生長發育）看起來並不符合熱力學第二定律——混亂度不可逆增加，但由於擴散過程的不均勻性以及突變的存在，熵在生物體的生長曆程中並不是單調而均勻地增加，甚至可以在部分區域內減少，也即局部遠離平衡態。作為補償，會在其他地方增加更多的熵或直接輸入負熵流/輸出熵流，使總體結果符合該定律。

作為開放系統，生物體會通過新陳代謝來攝入負熵（食物等），並排出體內過多的混亂度（排泄物等等），因此產生了自組織化的結果——有序性（生長發育）。當然，這種能力會隨著時間流逝而減退，或者稱為衰老。最終，熵的流入速度越來越快而遠大於熵的流出，此時這個體系就會很快達到平衡——死亡。

某種程度上可以說，生命體以負熵為生。

（請注意，負熵的單位不是s而是J/K，而且還是負值，所以。。。。-1 J/K）

在非線性系統中，如果在初始條件下引入微擾，甚至只是體系的微小突變，在後續的漲落-突變歷程中，初始條件的微小差距會被多次放大，最終使結果遠遠偏離預測值。這就是所謂的混沌。

例如，Lorenz方程只是個普通的常微分方程，用於描述空氣流體的運動：

下面是它的解（非線性），以及在微擾下的混沌。其曲線隨機地在兩個吸引子/亞穩態之間跳來跳去，並且通過微調初始值就可以明顯地影響解的結構。

這是第一個在確定的方程中出現非周期性的混沌現象的例子。而且其曲線為蝴蝶形，所以混沌有了一個別稱——蝴蝶效應。

此外，生物體受到輻射等刺激後，部分DNA會發生突變而可能轉化為癌細胞。當然，生物的細胞凋亡機制可以清除大多數bug，但如果突變數目過多，癌細胞可能就會不可逆地增殖，最終使生物體劇烈熵增而平衡(dead)，這也是晚期癌症幾乎無法治癒的原因之一。

而在這個過程中，系統是不穩定的，擴散和突變過程是很重要的影響因素。類似地，癌細胞的大範圍轉移也是癌症複發和死亡的主要原因。但是，人們無法精確計算或預測突變的閾值，其影響也暫時無法準確估計。目前並沒有一個公式以至定性規律來準確預測死亡率和設計治療方案，只能通過表觀的統計方法來總結。

由上面的例子可以得出，試圖通過推導或總結公式來進行計算或預測幾乎都是無法實現的，因為推導公式本身已經十分困難，且即使得出了公式，不是計算量過大，就是公式的解本身就不穩定，並沒有太大價值。

Summary

綜上所述，物理學雖然理論上可以預測一切生物和化學過程，但是由於計算複雜度和微擾所帶來的混沌的存在，實際上並不可行。

所以，尋找一种放之四海而皆準的原理並不是做不到，而是效率太低。所以這也是各個分支學科獨立存在的意義。

具體問題具體分析，more is different。

一點微小的感想

縱觀科學的發展歷程，人類認識世界的過程大抵都是從表面開始，然後一步步曲折地向著本質前進。而作為自然科學的理論基礎之一的數學和物理學，其研究的進步無疑可以極大地促進相關科學領域的發展。當時人類為了驅散那兩片烏雲，進而發現了近代物理研究的基石——相對論和量子力學，而這促進了近代化學、生物和醫學的發展。當然，現代科技發展也是相互促進的。

在現代科學快速發展的基礎上，才有了工業領域的極大進步，而在此之上的互聯網領域和跨國貿易也促進了經濟水平提升和全球化進程。

不要說什麼「發射飛船的錢為什麼不用來投資經濟」，當然合理利用有限的經費是有必要的。要是沒有光電效應的發現，從CPU到互聯網就無從談起，更不會有天天玩手機打遊戲逛淘寶還在吐槽科學無用的你。

科學技術是第一生產力，但短視的人只看見眼前的money。

以上。

Reference

Erwin Schr?dinger

What Is Life? - Wikipedia

Ilya Prigogine - Wikipedia

Non-equilibrium thermodynamics

Belousov-Zhabotinsky reaction

Lorenz system - Wikipedia

Complex systems - Wikipedia

Computational chemistry

Molecular mechanics

Drug design - Wikipedia

其他參考文獻在對應詞條的ref裡面，不再另外列出。

另附：

關於小分子藥物設計的一個review: 10.1038/NCHEM.2479

http://www.nature.com/nchem/journal/v8/n6/full/nchem.2479.html

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PS: 為了不浪費您的時間，請自動忽略斜體字，可能包括也可能不包括本句話。雖然當你觀測到這句話的時候，概率已經變成+1了。——Mogician Schr?dinger

幫你艾特一個人， @史瓦西半徑，這傢伙之前參與的項目里有一個就是試圖從薛定諤方程出發直接分析DNA分子這個規模的系統。我所了解到的最新進展就是他們似乎在嘗試對一條DNA分子進行固定一端而扭轉另一端的可控形變，對一些勢進行研究。

可惜這個大好青年在大半年前一槍把自己崩了，多半是沒法來這兒答題了……雖然我還挺希望再見到他答題的。

嗯，這個回答的意思除了緬懷故人之外，還有就是告訴題主確實有人在做這方面的努力，雖然目前還沒有什麼漂亮的成果。

more is different

感覺大多數人誤解了題主的意思。

大多數人所說的物理，包括數學的理論去解釋生命科學，其實只是能解釋微觀層面的東西，而生命科學更重要的是作為一個完整機體的複雜性，目前還缺乏一套完美的理論去解釋。

換句話說，你可以解釋生命體內在的一些效應，比如光合作用、呼吸作用、酶的催化作用等等，但這些說白了只是微觀層面的東西。目前還不能做到去解釋個體層面上的生命現象，比如各種基因具體的調控機制，腦科學等等。生物體的複雜性遠超人們想像。

偷偷回答一個。。

出門買東西只要有足夠多的一毛錢，什麼都可以買到，那為啥要推出100元的紙幣呢？一毛足以堆疊出所有的價格，但無論是攜帶數量還是結算耗時都會讓人崩潰。。

算是一個類比吧，物理可以推論出所有科學的知識，但真要把每個問題都從最基本的點開始，是個人都是要奔潰的。。。

為了整個人類社會的未來，我們別鬧了好嘛~

謝邀，不知道題主是怎麼找到我的，我也沒回答過專業的問題啊〣( oΔo )〣，但還是強答一發。

我一直天真地相信物理學是最最基礎的自然科學，給定基本法則便可極大外延（感覺有點像機械決定論，當然，僅僅是有點像）。且不管我的想法對不對（姑且當做默認假設），當一道題用乘方表示出來，又何必再用乘法甚至是加法再去表示呢，或許這之間相隔的複雜度數量級超乎想像以至於不具有可行操作性呢？

當一個洞直徑接近納米級時，那不止不是一個洞，還非常緊密 ; 當一個學科的分支過於冗長，那就是另一個學科了吧。所以說物理學和文學是兩門不同學科。

…

日常抖機靈任務，完成

邀請我的人怎麼想的

σ(^_^;) 讓我想一想

物理學研究的是物質的原理，化學，生命，材料都是物質，光，電，熱，磁等是表現形式，速度，密度等等是人類的總結，所以如果物理學研究透徹了，自然能解釋所有事情。

好吧，就只能編出這些了

我們在發現細胞以前不認為治病需要用到顯微鏡，我們在發現細胞之後不認為治病需要用到分子，我們發現基因之後就成了另一回事兒，現在電子和磁場進入醫療行業許多年了吧。

要說解釋。。因為信息不足和解釋難度，我們只能解釋一部分。。很小的一部分。。

數學表示我早已看穿了一切

物理可以解釋化學

化學可以解釋生物

生物可以解釋醫學

醫學可以解釋心理

心理可以解釋社會

社會可以解釋經濟

經濟。。。你特么用物理定律給我解釋什麼時候有股票牛市看看！

可以，但是人類的歷史，個人的生命尺度，我們能控制的資源禁不起這樣消耗。

想要發展，或者換句話說，想要生存，必須站在巨人的肩膀上。

舉個簡單的例子，高考物理試卷，你可以只用少於七個基礎公式推導出所有需要的東西，但是如果你每道題都從這幾個基礎形式出發，你沒時間答完題。

理論上可以，現在人類做不到，關鍵不在物理理論，關鍵在工具-數學的不足。

目前缺少一門對大量複雜運動動態變化的規律進行總結和研究分析的數學工具，甚至不知道從何下手。

這裡面估計不止是一門，是很多很多門數學理論有待發掘。

不僅僅是計算機的線性計算能力不足而已，而是缺少標準化衡量和運算大數量複雜程度的數學理論，乃至人類還缺少這方面的思維方式。

通俗的解釋，人類現在知道眼前的河，河對岸已經能看見了，但是缺少過河的橋，甚至建造過橋的工具都還沒找到；

看見了前面的山，但是沒有快捷的路，走上去要無數無數年，而製造捷徑的材料還沒發現。

噫，這個話題容易被引導到危險的方向。

我只想指出即使物理學家談到complexity的時候，他們還是比大多數生物學家更加reductionist：因為大多數生物學家根本就不reduction。

不reduction怎麼會有科學？Anderson的意思應該是對過度的reductionism的糾正（比如試圖還原到最基本和統一的理論上）而不是說就放著現象不管了。

（話說知乎這審查機制簡直藥丸，還讓不讓人說話了）

題主高中生吧～～

錯覺而已。

現在的物理學離完美解釋化學還差著十萬八千里嘞，更別提後面的生物學什麼的。

達到題主所述的科技水平

沒個千八百年是不可能的

補充一點自己的觀點吧，還原論已經被高票說了。

基本定律可知的情況下，在大量的數據和方程面前，人類的認知構造決定了必須放棄一部分局部的精確，才能繼續研究一個問題。幸運的是這些放棄是有用的，微觀里的量子力學公式變成了宏觀的化學反應方程式，從邏輯上講，並不需要量子力學才能在宏觀水平上研究化學，亦即化學可以作為獨立於量子力學的存在而有意義的研究。這就是兩位高票中解釋的核心，各個尺度範圍內問題的意義是不存在太大的偏序關係的。

然而論證的基礎在於人的認知方式的局限性，正是因為我們有無法處理大複雜量的問題的局限，使得了化學問題和物理問題同樣重要，因為對人類的可研究方式而言它們不是同一種問題，化學因而從物理中獨立出來。

而邏輯上來講，化學確實就是物理，題主的論點是沒有錯的，可站的立場應該不一樣，因為對於獨立於人類存在的宇宙規律，它們應該是不受學科限制的，對宇宙而言，沒有物理，也沒有化學，有的只有規律。

我喜歡物理，喜歡這種不因科學也不因宗教而存在的宇宙規律的想法帶給我的恬靜感。

原則上可以解釋並不意味著實際上可以計算。

你把intel的cpu的指令集背下來，你也不能說就懂了windows，雖然windows最後跑在cpu上都是你背下來的機器碼。不同層面的東西，需要用不同的概念去理解。