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实际上，即使现在有最快而且最大的计算机可供使用，也只有最简单的化学问题可以通过基本物理理论计算出来。可以这样解决的问题正在增多，但是化学中的大多数情况仍然是使用化学自身的而非物理的概念与公式来描述。
通常，科学家们习惯于直接在特殊领域提出用于描述观察结果的理论，而不从一个更基本领域中的理论出发去推出相应的理论。虽然在提供特殊附加信息的情况下，从基本理论出发的推导在理论上是可行的，但是在实际中，在大多数情况下都十分困难或者不可能。
例如，化学家们关心原子之间各种不同的化学键（包括一个氢分子中两个氢原子之间的键）。他们在实验过程中提出了许多关于化学键的具体观点，这使他们能够对化学反应作出预言。同时，理论化学家们竭力从QED的近似出发去推导那些观点。除最简单的情况之外，他们只能取得部分的成功，但他们毫不怀疑，在理论上，如果有足够强大的计算工具，他们是可以取得更大成功的。阶梯（或桥梁）与还原
这样，我们得到了科学不同层次的暗喻，其中底部是最基本的，而顶端是最不基本的。非核化学位于QED“上面”的某一级。在很简单的情况下，一个QED 的近似被直接用来预言化学层次的结果。但是，大多数情况下，用来解释与预言现象的定律是在上层（化学领域）形成的，然后科学家们才尽可能努力地从较低层次（QED）推导出那些定律。两个层次都以科学为目标，而且科学家们努力建构它们之间的阶梯（或桥梁）。
我们的讨论不必局限于非核现象。自从1930 年左右QED 产生以来，它已被大大地推广了。现在整个基本粒子物理学科已经崛起。基本粒子理论的任务不仅是描述电子和电磁学，而且还要描述所有的基本粒子（所有物质的基本构成单元）和自然界所有的力。我将一生的大部分精力奉献给了这一领域。基本粒子理论描述原子核内部以及电子之间所发生的现象。因此，QED 与用于处理电子的那部分化学之间的关系，可以看作是位于较基本层次上的整个基本粒子物理学与位于非基本层次上（包括核化学在内）的整个化学之间关系的一个特殊情形。用较低层次的理论来解释较高层次的现象的过程，通常被称为“还原”（reduction）。我没听说过哪个严肃的科学家相信，存在着不是起源于基本物理力的特殊的化学力。虽然一些化学家可能不喜欢这么说，但事实的确如此。从理论上讲，化学可以从基本粒子物理学导出。从这一意义上说，我们都是还原主义者（reductionists），至少在物理和化学方面是如此。但是，在允许化学现象发生的特定条件下，化学比基本粒子物理更特殊这一事实，意味着为了导出化学定律，哪怕是在理论上导出，必须将那些特殊条件的信息代入基本ꏁ子物理方程。没有这一思想，还原的概念就是不完善的。
所有这些给我们的启示是，尽管各门科学占据着不同的层次，但它们都是一个联合整体的一部分。那个整体结构的统一性通过各部分之间的联系而得以巩固。位于某一层次上的科学涵盖了位于较上层的不那么基本的科学的定律。但是后者由于更特殊，因而除了前者的定律之外，还需要更多的信息。在每一层次上，都有一些对本层次非常重要的定律有待发现。科学工作不仅包括研究各个层次上的那些定律，同时还要从上而下及由下向上地在它们之间建构阶梯。
上述讨论同样适用于物理学内部。基本粒子物理学定律对整个宇宙中、处于各种条件下的各种物质都有效。但是，在宇宙膨胀的最初阶段，核物理实际上是不适用的，因为密度太大，以至于单独的原子核，甚至中子和质子都不能形成。不过，核物理学对于了解太阳中心所发生的事情依然极其重要，在那里，尽管化学反应的条件非常苛刻，但热核反应（与氢弹中的反应有些相似）仍是产生太阳能量的来源。
凝聚态物理研究诸如晶体、玻璃和液体，超导体与半导体之类的系统，也是一门很特殊的学科，只在允许它所研究的结构存在的条件下（比如足够低的温度）才适用。即便是理论上要从基本粒子物理学导出凝聚态物理，也必须先将那些特殊条件列出。生物学还原所需要的信息
处于等级中另一层次的生物学，与物理学和化学之间的关系如何呢？当今还有哪位严肃的科学家会像过去几个世纪中常见的那样，相信生物学中存在着不是源于物理…化学的特殊“活力”？如果有，那也是极少数。我们中间几乎所有的人都认为在理论上，生命依赖于物理学和化学定律，就像化学定律依赖物理学定律一样，从这一意义来说，我们又成了一种还原主义者。然而像化学一样，生物学依然非常值得按其自身条件，在其自身层次上来进行研究，尽管阶梯的建构工作仍在进行。而且，地球生物学极为特殊，这里地球生物学指的是我们这个行星上的生物系统，它们与那些围绕遥远恒星运行的行星上的复杂适应系统，一定有着很大的差别。在宇宙中这样的行星必定存在，但或许这些行星上仅有的复杂适应系统，是我们见了也未必能将他们描述为活的系统。（举一个科幻小说中常见的例子。假想一个社会由非常先进的机器人与计算机组成，它们是很久之前由一个现已绝灭的人种所制造的机器人与计算机发展而来，而那个绝灭的人种在其生存期间，我们或许可以把他们描述为“活着”。）然而，即使我们只关注“活着”的人类，他们中的许多人也仍然可能显示出与地球上的人类极不相同的特性。为了描述地球生物现象，除物理和化学定律之外，还须提供大量的特殊附加信息。
首先，地球上所有生命所共有的许多特征可能是在这一行星上的生命史早期所发生的一些偶然事件的结果，它们也完全有可能以另外一些不同的形式出现（那些不同的生命形式也可能很久之前在地球上存在过）。地球上所有生物的基因都由A，C，G，T 四种核苷酸组成，这种规则似乎适用于当今我们的行星，但在空间与时间的宇宙标度上也未必具有普适性。在其他许多星球上，也许存在着其他许多可能的规则；而遵循其他规则的生命在数十亿年前可能也在地球上生存过，后来他们被以常见的A，C，G，T为基础的生命所淘汰。生物化学——有效复杂性与深度的比较
可能具有或可能不具有唯一性的问题，并不仅仅限于用来描述当今所有地球生命的某组特定的核苷酸，对地球上所有生命化学的每一条普遍性质，科学家们也在讨论着同样的问题。一些理论家声称，宇宙空间不同星球的生命化学，必定具有各种不同的形式。如果真是这样，地球上的情形就是大量偶然事件的结果，这些偶然事件促成了地球上生物化学的规律，从而使之获得很大的有效复杂性。
另一方面，一些理论家认为，生物化学本质上是唯一的，建立在物理基本定律基础上的化学定律，使得一种生命化学不同于地球上所发现的生命化学的可能性很小。持这一观点的人实际上是认为，从基本定律到生物化学定律的过程几乎不涉及任何新的信息，因此对有效复杂性贡献很小。但是，计算机可能需要进行大量的计算，才能从物理基本定律导出生物化学的近唯一性这个理论命题。在这种情况下，生物化学即使没有很大的有效复杂性，也仍然具有很大的深度。另一种表达地球生物化学的近唯一性问题的方式是，看生物化学是否主要取决于对物理学提出恰当的问题，或者还以一种重要的方式依赖于历史。生命：高度的有效复杂性——有序与无序之间
即使基本的地球生命化学与历史关系不大，生物学中也仍然存在着巨大的有效复杂性，远远大于诸如化学或凝聚态物理这类学科中的有效复杂性。想想自地球上生命产生以来40 亿年左右的时间里，有多么巨大数量的进化性变化是由偶然事件引起的！那些偶然事件中的一些（也许只是很小的一部分，但绝对数量仍然很大）在这一星球上的生命之后续历史中，及对于生物圈中生命形式之丰富多彩的特点，起着重要的作用。生物学定律确实依赖于物理学和化学定律，但它们还取决于大量由偶然事件产生的附加信息。这里，你可能会发现，在理论上可能进行的那种到物理学基本定律的还原，与一个缺乏经验的读者所理解的“还原”一词之间，存在着很大的差别，而且这种差别远远大于从核物理、凝聚态物理或化学到基本物理学的还原的情形。生物科学远比基本物理学复杂，因为地球生物学的许多定律不仅与基本定律有关，而且还与大量偶然事件有关。
但是，即使是对所有星球上所有种类的复杂适应系统进行研究，这种研究也仍然是相当特殊的。外界环境必须显示出足够的规律性，以供系统用于学习或适应，但同时又不能有太多的规律性，以致什么事情都不发生。例如，如果所讨论的环境是太阳的中心，温度高达数千万度，那么它几乎有着完全的随机性，近于最大的算法信息量，而没有有效复杂性或大的深度，那么任何与生命相类似的事物都难以生存。如果外部环境是一个处于绝对零度的完美的晶体，算法信息量几乎为零，这时同样不可能有很大的有效复杂性或大的深度，因而也不会有生命存在。复杂适应系统的运作需要有介于有序与无序之间的条件。
地球的表面提供了一个具有适中算法信息量的环境，这里深度和有效复杂性同时具备，这就是为什么生命能在这里发生、进化的部分原因。当然，在几十亿年以前地球的条件下，只有极原始的生命形式才能进化，但后来那些生物本身改变了生物圈的成分，特别是通过向大气中放出氧气这样的方式，从而营造了一个更接近于现在的地球生物圈的环境，使得具有更复杂的组织的高级生命形式能够进化。位于有序与无序之间的条件不仅是能产生生命的环境的特点，也是具有高度有效复杂性与极大深度的生命自身的特点。心理学与神经生物学——意识与脑
地球上的复杂适应系统已经导致好几种位于生物学“之上”的学科的产生。其中最重要的学科之一是关于动物，尤其是具有最复杂心理状态的人类的心理学。同样，现代科学家当中很少有人会相信，存在着本质上不能归于生物学的，最后也不能归于物理化学的“精神力”。于是，从这一意义上来说，我们所有人又都是还原主义者。但是对于心理学（有时甚至生物学）这样的学科，你会听到人们将“还原主义者”当作一种侮辱性的字眼来使用，甚至在科学家当中也是这样。（例如，我在其中作了近40年教授的加州理工学院就常被人揶揄地称作还原主义者；事实上，我在对学院某些方面的不足表示遗憾时，也可能使用过这一术语。）怎么会是这样呢？其论据又在哪里呢？
问题的核心在于人类心理学依然值得在其自身层次开展研究，尽管理论上它可以从神经生理学、神经传递质的内分泌学等等学科导出。跟我一样，许多人都认为，在心理学与生物学之间建构阶梯时，最好的策略是不但要从底部向上，而且要从顶部往下进行考察。但这一见解并没有得到一致的认同，比如在加州理工学院就是这样，那里很少开展人类心理学研究。在开展生物学和心理学研究，并致力于建构两者之间的阶梯的地方，
生物学这方面强调的事物是脑（及神经系统的其余部分，内分泌系统，等等），而心理学方面强调的是意识——也就是大脑及相关器官活动的现象学显露。每个阶梯都是一座脑…意识桥梁（brain…mind bridge）。
加州理工学院研究的主要是脑（brain），意识（mind）方面的研究被忽视了，有一些圈子里甚至连“意识”这个词都受到怀疑（我的一个朋友称之为M…字）。但是几年以前学院开展过重要的心理学研究，特别是心理生物学家罗杰·斯佩里（RogerSperry）和他的同伴在关于人脑的左、右两部分的智力关联方面做出过著名的研究。他们研究了那些由于事故或癫痫病手术致使连接左、右两半脑的胼胝体被切的病人。科学家已经发现，左半脑倾向于主管语言功能和躯体右半部分的运动，而身体的左半部分通常由右半脑控制。例如，他们发现，一个被切去胼胝体的病人将不能用言语表达与身体左半