本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
弗里曼·戴森在本週的《科學》雜誌上發表了一篇觀點文章，其中他總結了他在他的書《太陽、基因組與網際網路》中探討的一個主題。戴森的中心論點是，科學革命更多甚至更多地是由工具而非思想驅動的。這種觀點與普遍接受的關於庫恩革命的主導地位的信念有些相反——托馬斯·庫恩在他的開創性著作《科學革命的結構》中著名地描述了庫恩革命——庫恩革命是由思想和正規化轉變所塑造的。相比之下，在提到哈佛大學科學史學家彼得·加利森及其著作《影像與邏輯》時，戴森強調了加利森革命的重要性，加利森革命主要由實驗工具驅動。
作為一名化學家，我幾乎完全同意工具驅動的加利森革命的觀點。化學作為一門學科，是從鍊金術的灰燼中崛起的，鍊金術是一種徹底的實驗活動。從那時起，化學領域發生了四次可以稱為庫恩革命的革命。第一次是 17 世紀末拉瓦錫、普里斯特利和其他人試圖將元素、化合物和混合物系統化，以將化學從鍊金術的神秘束縛中解放出來。第二次是弗里德里希·維勒在 1828 年合成尿素；這在真正的意義上是一次正規化轉變，因為它將來自生物體的物質與來自非生物體的物質置於同一領域。第三次革命是門捷列夫提出的元素週期表概念，儘管這更像是一種分類，類似於 20 世紀 60 年代默裡·蓋爾曼等人對基本粒子的分類。伴隨門捷列夫發明的次要革命是對有機化學至關重要的，即馮·李比希、凱庫勒和其他人發展的結構理論，該理論為分子結構測定鋪平了道路。第四次革命是將量子力學應用於化學，以及鮑林、斯萊特、馬利肯和其他人闡明化學鍵。所有這些進步都開闢了新的道路，但沒有一項像物理學中相應的革命那樣具有工具性和總體性，例如牛頓（力學）、卡諾、克勞修斯等人（熱力學）、麥克斯韋和法拉第（電磁學）、愛因斯坦（相對論）以及愛因斯坦、普朗克等人（量子力學）。
為什麼化學似乎更像加利森式，而物理學似乎更像庫恩式？戴森沒有提及但我認為有說服力的一點是科學的複雜性。物理學可能非常困難，但化學更復雜，因為它處理多層次的、湧現的系統，這些系統不能屈服於還原論的第一性原理方法。這種複雜性在物理學的分支中也很明顯，通常歸於“多體相互作用”的標題下。多體相互作用的範圍從超導體中粒子的行為到恆星在相互引力作用下凝聚成星系的行為。當然，有高度發達的理論框架來描述這兩種相互作用，但它們涉及若干近似和簡化，導致模型而不是理論。我的論點是，對更復雜系統的解釋，由於不太容易進行理論化，因此是由加利森革命而不是庫恩革命驅動的。
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化學就是一個很好的例子。萊納斯·鮑林的化學理論源於對分子的量子力學處理，更具體地說，是對最簡單分子氫分子離子的理論，氫分子離子由一個電子與兩個原子核相互作用組成。母原子氫是量子化學學科的起點。開啟任何量子化學教科書，從這個簡單的系統開始，接下來是一系列近似，允許人們將量子力學應用於複雜分子。今天，量子化學和更廣泛的理論化學是高度精煉的技術，可以解釋並經常預測數百個原子的分子的行為。
然而，如果你回顧過去一個世紀對分子結構和鍵合獲得的見解，它們來自少數關鍵的實驗方法。其中最重要的是 X 射線衍射（戴森也提到了這一點）和核磁共振 (NMR) 譜學，這也是 MRI 的基礎。這些技術對確定數百萬種分子的結構所產生的影響怎麼強調都不為過，這些分子的多樣性令人震驚，從食鹽到核糖體。X 射線衍射和 NMR 不僅為我們提供了分子中原子位置的資訊，還為我們提供了關於排列的鍵合和能量特徵的寶貴見解。除了其他關鍵的光譜方法（如紅外光譜、中子衍射和熒光光譜）外，X 射線和磁共振不僅徹底改變了化學科學的實踐，而且還使我們對化學鍵合有了迄今為止最完整的理解。將這些豐富的資料與使用純粹理論技術的類似嘗試進行對比，原則上也可以使用純粹理論技術來預測分子的結構、性質和功能。該領域的進展是顯著且有希望的，但預測例如晶體中簡單分子的最穩定構型仍然比實際透過反覆試驗結晶化學物質困難幾個數量級。從太陽能電池的材料到器官移植的材料，化學中的實驗結構測定已經遠遠超過了理論預測。
生物學呢？加利森式方法以 X 射線衍射和 NMR 的形式，在化學應用於生物系統方面取得了巨大的成功，最終在 20 世紀迎來了分子生物學的興起。從沃森和克里克的 DNA 結構解決方案開始，X 射線衍射基本上幫助構建了核酸和蛋白質結構的理論。尤其值得注意的是基因測序的 桑格方法——一種本質上是化學的技術——它對遺傳學和醫學產生了深刻且真正革命性的影響，而我們才剛剛開始認識到這一點。然而，我們離蛋白質摺疊形式的蛋白質結構理論還很遠；庫恩式的革命尚未到來。加利森式方法在生物化學中的主導地位引發了關於庫恩式思維在生物科學中有效性的問題。這是一個特別相關的問題，因為生物學中最後一次庫恩革命——對已知事實的綜合，從而產生一個通用的解釋性理論，可以概括所有生物學——是由查爾斯·達爾文在 150 多年前構建的。自那時以來，生物科學領域沒有發生任何可比的事情；正如前面指出的，對遺傳密碼和中心法則的理論理解來自實驗，而不是達爾文為生物體提出的關於複製者、變異和適應性的非常一般的綜合。有趣的是，在他晚年（以及在 DNA 結構發現的前一年），偉大的數學家約翰·馮·諾伊曼提出了一個類似於達爾文的通用理論框架，該框架解釋了複製和代謝如何相互耦合，但這在很大程度上被忽視了，當然也沒有引起實踐化學家和生物學家的注意。
戴森的文章和科學史並不一定斷言，從庫恩革命的角度看科學是誤導的，而從加利森革命的角度看是合理的。而是複雜的系統通常更易於加利森式的進步，因為理論解釋太複雜了。戴森提出的另一個觀點是，庫恩式和加利森式方法交替進行並相互構建。在一個領域經歷了幾次加利森式發展之後，很可能就會成熟到可以進行庫恩式鞏固的程度。
生物學在這方面將特別有趣。當前生物學中最令人興奮的領域被認為是神經科學、系統生物學和基因組學。這些領域建立在大量實驗確定的事實的基礎上，但它們正在尋找通用理論。然而，很可能對細胞或大腦的通用理論理解將來自與過去兩百年中非常成功的還原論方法截然不同的方法。理解生物學的庫恩革命很可能借鑑其最傑出的實踐者——查爾斯·達爾文。達爾文理論的標誌性特徵之一是，它試圖提供一種統一的理解，超越生物組織的多個層次，從個體到社會。我們 21 世紀的生物學觀點在階梯的相反兩端增加了基因和文化兩個部分。現在是時候將這些透過艱苦的、創造性的加利森科學獲得的成果整合到生物學的庫恩式大廈中了。