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物理學的還原論時代精神無法“解釋”化學，就像“熵”無法解釋生命從出生到死亡不可避免的程序一樣。重要的是要理解當我們說物理學無法解釋化學時，我們指的是什麼。物理學當然在平庸的意義上解釋了化學，因為分子是由原子組成的。但是物理學也“解釋了”人類行為，因為大腦最終也是由原子組成的。然而，我們不知道如何從原子達到諸如嫉妒和音樂創造力之類的東西。當我們說 A 解釋 B 時，通常意味著存在一條 unbroken 且邏輯的連續性線索將 A 連線到 B，透過這條線索，A 的屬性在 B 中得到明顯的體現。即使在高度還原論的化學領域，更不用說在神經科學和社會學等“更高”的領域，物理學也做不到這一點。近來，湧現已成為一個時髦的詞，經常被用來描述任何型別的複雜性，但化學和生物學特性的湧現，而這些特性無法從其潛在的物理學中推匯出來，實際上是非常真實的。
科學中還原論方法並非總是有效的原因有很多，但物理學家兼作家傑里米·伯恩斯坦在《華爾街日報》上對喬治·伽莫夫和馬克斯·德爾布呂克的傳記評論中暗示了其中一個最重要的原因
有些科學比其他科學更難以駕馭。這裡有一個寓言來說明我的意思。想象一下，當第一個生命形式出現時，出現了一個超級智慧的怪胎。如果這個怪胎完全瞭解物理定律，它能預測什麼？相當多。所有原子核都由中子和質子組成，質子的數量決定了每種元素的化學性質。瞭解這一點，這個怪胎可以預測所有可能存在的元素，以及它們各自的特性。假設它也知道所有的生物學定律，包括解釋基因如何表達為蛋白質的“中心法則”。即便如此，它也無法預測長頸鹿的存在，甚至無法預測我和我的兄弟只共享我們一半的基因。這兩者都是進化意外。如果不是因為隨機突變，就不會有長頸鹿，我和我的兄弟可能會像雄性大黃蜂一樣共享我們所有的基因。生物學不像物理學。
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這段話簡潔地深入探討了基於物理學的還原論的根本侷限性之一，這一點也適用於化學。這是一個非常重要的一點。問題在於還原論無法解釋歷史偶然性和意外的作用。即使一個全能的存在能夠解釋從宇宙初始狀態出現的所有生物學情景，它也永遠無法告訴我們為什麼一個特定的情景比其他情景更受青睞。正如伯恩斯坦所說，進化意外根據定義無法從起始條件預測，因為它們取決於機會和機遇。
此外，即使結構可以從還原論中唯一地推匯出來，功能也永遠無法唯一地推匯出來。例如，在他的著作《重塑神聖》中，複雜性理論家斯圖爾特·考夫曼提出了一個強有力的論點，即即使原則上可以從弦理論中推匯出人類心臟的結構，弦理論也永遠不會告訴我們其最重要的功能是泵血。生物器官的功能是作為進化過程中塑造它們的無數不可預測的約束的適應性結果而產生的。此外，結構和功能的進化都是一個混合搭配的過程，它既依賴於偶然相遇，也依賴於嚴格的適應。所有這些都永遠無法在還原論的世界觀中捕捉到。
同樣的原則也適用於化學。進化塑造了許多獨特的分子，這些分子支撐著生命的機器。許多化學家，尤其是研究生命起源的化學家面臨的問題是，為什麼是這個特定的分子而不是那個分子？這裡有一些更具體的難題：為什麼只有二十種氨基酸，為什麼是 α 氨基酸而不是 β 或 γ 氨基酸（它們具有額外的碳原子），為什麼氨基酸的立體化學（分子“手性”）是 L 而糖的立體化學是 D，為什麼 DNA 由一組非常特定的四種核苷酸組成而不是其他，為什麼自然界在如此多的重要生物分子的構建中選擇了磷酸鹽（化學家弗蘭克·韋斯特海默接近回答了這個問題），為什麼給定的蛋白質只摺疊成一個獨特的、功能性的結構，為什麼水是唯一已知能維持生命的溶劑，以及一般來說，為什麼生命中無數的小分子和大分子是它們現在的樣子。事後看來，當然可以為這些分子的存在提供幾個基於穩定性、功能和結構的論據，但無法前瞻性地預測這些引數。
事實是，一個全能的、超級還原論的怪胎在解釋生命化學前體的獨特存在方面將是無用的。這是因為這些分子的性質中沒有任何東西規定了它們的存在應該被唯一地確定。例如，我們現在從化學研究中知道，β 和 γ 氨基酸也可以摺疊成 α 氨基酸普遍存在的螺旋和片層結構。它們還具有其他有利的特性，如化學多樣性，這可能使它們成為比 α 氨基酸更好的構建模組。然而，由於某種原因，它們在進化過程中被拋棄了。為什麼？我們可以提出幾個論點。例如，由於它們的鬆散性，也許更高階的版本不得不付出無法接受的熵代價，而這種代價無法補償它們的摺疊傾向。或者，也許被認為產生 α 氨基酸的Strecker 反應永遠無法被形成 β 氨基酸的化學反應所取代。或者，也許 α 氨基酸比它們的更長鏈的對應物更好地遮蔽疏水性或憎水性側鏈。這些都是有說服力的理由，但我確信，如果我們努力尋找，我們可以找到同樣多的反對 α 氨基酸的論據。事實是，最終未能找到對 α 氨基酸存在的解釋，有力地提醒我們，在生物分子和生物體的進化中，機會和環境的重要性。還原論無助於我們追蹤穿過這種隨機的、機率性的進化景觀的路徑。生命基本構建模組的身份是由機會和隨後的達爾文自然選擇塑造的。
這種偶然性和意外的作用是化學和生物學還原為物理學行不通的最重要原因之一。即使還原論可以為我們提供化學和生物學進化中所有可能情景的列表，它也永遠無法告訴我們哪一個會被優先選擇以及原因。這是化學和生物學不是物理學的又一個原因。
這是一篇發表在 The Curious Wavefunction 部落格上的文章的修訂和更新版本。