本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
哲學家兼作家吉姆·霍爾特最近寫了一本閃耀的新書《世界為何存在？》，他最近在《紐約時報》上撰寫了一篇專欄文章專欄，溫和地批評物理學家們停止“粗魯”，並欣賞物理學和哲學之間長達數百年的相互作用。霍爾特的觀點是，科學和哲學一直共存，即使它們的關係更多的是一種不安的休戰，而不是熱情的擁抱。包括玻爾和愛因斯坦在內的一些最偉大的物理學家也是偉大的哲學家。
幸運的是——或不幸的是——與物理學相比，化學在哲學方面幾乎沒有什麼可說的。化學本質上是一門實驗科學，在很長一段時間裡，理論化學對化學的貢獻遠不如理論物理學對物理學的貢獻。這種情況現在正在改變；像邁克爾·韋斯伯格、埃裡克·塞裡和羅爾德·霍夫曼這樣的人宣稱自己是名副其實的化學哲學家，併為討論帶來了寶貴的想法。
但是化學和哲學之間的相互作用是另一篇文章的主題。在這篇文章中，我想探討化學家們全心全意接受的為數不多的哲學原則之一，他們以同樣的習以為常的漫不經心談論它，就像他們隨意丟擲關於酸和鹼的事實一樣。這一原則就是奧卡姆剃刀，一種指導工具，允許化學家在對一種現象或觀察結果的相互競爭的解釋之間進行選擇。奧卡姆剃刀的起源歸功於 14 世紀的方濟會修士威廉·奧卡姆，他涉獵了許多科學和哲學分支。完整地陳述，該命題告訴我們，“不應不必要地增加實體”，或者說，對於一個特定的分析，其背後的假設和假設越少，相對於那些具有同等解釋力的分析而言，該分析就越受青睞。更簡單地說，簡單的解釋總是比複雜的解釋更好。
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可悲的是，奧卡姆剃刀的多種衍生性重述，加上我們尋找簡單解釋的傾向，有時會導致錯誤的結果。部分責任不在於奧卡姆剃刀，而在於他的解釋者；主要問題是，當應用於自然規律或現象時，“簡單”和“複雜”的含義並不明確。此外，大自然並不真正在意我們認為的簡單或複雜，對我們來說可能顯得複雜的事物，對大自然來說可能顯得非常簡單，因為它……是真實的。在我職業生涯的早期，我就深刻體會到了這一點。
我在研究生院的大部分研究都與找出複雜有機分子在溶液中採取的多種構象有關。將像布洛芬這樣的有機分子投入水中，你不會得到分子靜止不動的靜態影像；相反，連線各個原子的單鍵周圍會自由旋轉，從而產生多種快速相互轉化的形狀，或構象，它們像公海上的船隻一樣被水衝擊著。這種舞蹈中每種構象的確切百分比取決於其能量；低能量構象比高能量構象更普遍。
由於圍繞單鍵旋轉而實現的多種構象的存在是分子結構基本原理的邏輯結果，因此這種圖景似乎是無可爭議的。然而，令人驚訝的是，它並不總是被理解。原因與以下事實有關：透過核磁共振 (NMR) 譜等實驗技術對構象的測量總是產生平均值。這是因為大多數這些技術的時間尺度都長於構象之間相互轉換所需的時間尺度，因此它們無法區分個體差異。最好的類比是吊扇；當風扇快速旋轉時，由於我們眼睛的時間解析度較低，我們看到的只是一個連續的圓盤。但我們知道，實際上，有單獨的葉片（見帖子末尾的圖）。核磁共振就像眼睛，它看到圓盤並將其誤認為是風扇。
這就是使用實驗技術確定分子個體構象的問題所在。它們的長時間尺度導致平均資料，併為之分配一個單一的平均結構。顯然，這是一種有缺陷的解釋，但部分原因是由於根深蒂固的信念，部分原因是由於缺乏分離個體構象的方法，多年來，科學家們經常發表單一結構，將其視為代表更復雜的構象分佈。這種結構有時被稱為“虛擬結構”，這個名稱反映了它們虛幻的——本質上不存在的——性質。我在研究生院的大量工作是使用一種稱為 NAMFIS（溶液中分子柔性的核磁共振分析）的方法，該方法將平均核磁共振資料與理論計算的構象相結合，以將資料分離為個體構象。這是我為大學生撰寫的關於 NAMFIS 的文章。
當要就這項研究發表演講時，一位非常傑出的科學家在聽眾中告訴我，他覺得很難理解這種複雜的多種構象爭奪能量階梯位置的圖景。假設一個單一、乾淨的平均結構不是更令人滿意嗎？奧卡姆剃刀不是會偏愛這種資料解釋嗎？那時我才意識到奧卡姆原則的侷限性。在這種情況下，多種構象的“複雜”圖景是真實的，而單一平均構象的簡單圖景是不真實的。在這種情況下，最終證明是正確的解釋是複雜的解釋，而不是簡單的解釋。當我還設法在眾多構象中找到一種與體內關鍵蛋白質結合並將分子變成有希望的抗癌藥物的構象時，這種解釋得到了驗證。這次經歷再次強調了這樣一個觀點，即大自然通常並不關心我們科學家認為的簡單或複雜。
最近，奧卡姆再次出現，同樣是在分子構象的背景下。這一次，我研究的是有機分子透過細胞膜的擴散，這個過程在藥物發現中非常重要，因為即使你最好的試管藥物也無法進入細胞，那也是毫無用處的。一位來自舊金山的化學家提出了一種方法來計算分子的不同構象。透過觀察能量最低的構象，然後他預測該構象是否會在富含脂質的細胞膜內部穩定。基於此，他預測分子是否會穿過細胞膜。現在對我來說，這提出了一個難題，我發現自己處於我以前的審問者的位置；我們知道分子有多種構象，那麼在預測膜滲透性時，為什麼只有單一的、能量最低的構象才重要呢？
我仍然不知道答案，但幾個月前，另一位研究人員做了一個更真實的計算，她在計算中考慮了所有其他構象。她的結論是什麼？更多時候，預測的準確性會變差，因為透過包含更多構象，我們也包含了更多噪音。也許有一天我們可以將所有這些構象都考慮在內，而不會伴隨噪音。那麼我們會更具預測性和更真實性嗎？我不知道。
這些來自我自身研究的事件強調了奧卡姆剃刀及其在科學模型中的體現的相當複雜和微妙的性質。在第一種情況下，多種構象的假設既現實又具有預測性。在第二種情況下，多種構象的假設是現實的，但不具有預測性，因為多構象模型不足以進行計算。在第一種情況下，簡單應用奧卡姆剃刀是錯誤的，而在第二種情況下，有缺陷的簡單假設實際上會導致更好的預測。因此，有時簡單的假設之所以有效，不是因為更復雜的假設是錯誤的，而是因為我們根本沒有能力實施更復雜的假設。
我很高興我對分子構象的研究總是引導我探索奧卡姆剃刀的古怪表現。我感謝一位著名的生物化學家最好地總結了這一點：“大自然並不總是用奧卡姆剃刀剃鬚”。在科學和生活中，簡單可能非常複雜，而複雜可能變得令人耳目一新的簡單。