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其他自然科學有像物理一樣的理論和實驗的分界嗎?

2018年11月17日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 7 ℃ 次

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.......

【金晨羽的回答(13票)】:

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)以一篇論文建立信息論[2],後來建立了現代控制論的維納(Norbert Wiener)此時也在獨立琢磨信息論[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裡高津(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] en.wikipedia.org/wiki zh.wikipedia.org/wiki

[2]en.wikipedia.org/wiki

[3]en.wikipedia.org/wiki

[4]en.wikipedia.org/wiki en.wikipedia.org/wiki

[5]en.wikipedia.org/wiki

[6]book.douban.com/subject

【陳浩的回答(4票)】:

我曾經是搞理論物理的。瞭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:高度抽像普遍適用,由廣泛事實(而不是某類特定的實驗)總結,並形成自恰體系,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,但是抽像度太低,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像出來,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,自恰且抽像度非常高。

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。

【talich的回答(4票)】:

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) 裡的一段:

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.

這樣看生物裡的進化論,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:

en.wikipedia.org/w/index

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。

【李震宇的回答(2票)】:

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。

【Christyye的回答(0票)】:

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

【何利斌的回答(0票)】:

我只知道計算機分:理論計算機科學(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

【孫尉翔的回答(1票)】:

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。

【Ling Zhang的回答(0票)】:

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」,「氨基酸的特定折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)。

【thinkind的回答(0票)】:

心理學也可以這樣分。

上學時,學實驗心理學,收穫很大。

標籤:-生物學 -化學 -自然科學 -科學 -實驗 -物理學 -研究 -金晨羽


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