交叉科學的魅力-自然科學中的基礎理論發展現狀
本想強調世界的本質應該是物理的，數學只是物質存在的規則。 但仔細的觀察前因後果，發現幾乎所有的物理規律都是數學的結果，即使是牛頓定律，也是「作用量最小原理」數學推理的結果，而這個所謂的「最小原理」，從其意義上說，只是個假設。再比如量子力學，也幾乎是建立在一個假設——薛定諤方程——和數學上。
而最讓人懷疑的是，我們對世界的解釋也是基於數學的，相對論的時間項讓我們進入四維時空，時間和空間無法割裂；廣義相對論依託的數學結構使時空可以發生扭變。。。實驗當然可以驗證理論的正確，因為實驗也是基於邏輯的，基於數學的。可如何驗證我們的世界就是如理論描述的呢？還是說，我們的世界之所以是這樣，正因為這是理論所規定的？
我們不斷的深入微觀以探求物質之理，從能量守恆、動量守恆轉變為時間對稱、空間對稱這樣更基本的原理，我們能否就認為這就是世界的本質或是物之理呢？實驗自然是無法對此作出回答的。但是，這些可否只被看做有用的假設呢？
即或者說，我們的世界只是建立在一些好的假設和數學之上。 但是，物之理自然不能只是一些假設，但它又是什麼呢？
——門口小賣部
自然科學就是研究大自然中所有事物和現象的科學，包括天文學、物理學、化學、地球科學、生物學等和地理學等。人們描述自然界中成規律的事實是通過理論語言嚴謹表述，數學表達就是最嚴謹的表達。人們通過已有的理論來指導接下來的實踐過程，新的實踐能驗證和發展原有理論，也能修正、推翻原有理論。如果新的理論依然在嚴謹的數學框架內，那我們就會遇到前述人們所產生的疑問，我們眼中世界的樣子--也就是自然界是能被數學描述的嗎？它已經被描述了多少？
我們當然不能停留在哲學層面的解釋，作為自然科學研究人員我們有必要面對上述問題作出先驗的，證實的，複合邏輯的回答。目前還遠未達到嚴肅的回答這個問題的時候，不過，我們可以朝這個目標繼續努力。我們可以嘗試著考慮大部分自然科學的理論發展現狀。
Stephen William Hawking，1942年1月8日至2018年3月14日
霍金是英國著名理論物理學家，主攻天體物理和宇宙學，20世紀享有國際盛譽的偉人之一。其在天體物理里的貢獻有奇性定理、霍金輻射、無邊界理論等。結合嚴謹的量子力學和廣義相對論得出了令人震撼的結果。雖然還未有直接證據證實其理論結果，但這並不妨礙前端理論的發展。這是理論先於實踐的例子。回到我們周邊的自然科學，地球和地理學科在經典物理的框架內開展針對性研究。而化學和生物學已經發展細化到原子水平，結果的精度取決於人們的數據處理能力。其最前端的就是理論物理中的原子分子物理和凝聚態物理結合統計物理的運用。物理學科中的理論部分包含前述的原子分子物理和凝聚態物理，以及霍金從事的天體引力理論及宇宙學，還包含研究基本粒子運動的基本規律和場論，原子核理論、統計物理學、光子學理論、等離子體理論、量子場論與量子力學、量子信息等。目前大多數是實踐發展在前並刺激相關理論的發展。而大的理論框架已多年未變，有的只是不斷的修訂和修補。物理學中理論和實踐發展到今天還需要一門計算物理來把複雜的理論與實踐予以銜接，這是藉助數學演算法和計算機超強計算能力輔助發展出來的一門交叉學科。它的發展歷程是伴隨數學和計算機的發展變得越來越舉足輕重，篇幅所限這裡就不再贅述。
原子當然是量子的範疇，應用量子力學來描述其行為。讀者也發現了，霍金研究黑洞也用到了量子力學。這裡不是指黑洞本身具有量子特性，而是對其內部粒子的描述用到了量子力學，這真是量子力學的魅力所在！至此我想說的是目前自然科學的基礎理論自楊振寧先生規範場論之後未見革新，在量子和經典的範疇內解決我們面對的具體問題。筆者從事理論化學專業，準備以此公眾號（善思科學）為媒介向讀者介紹相關研究最新進展。理論化學也就是理論物理中針對原子分子和凝聚態體系相關的基礎理論在化學中的應用過程中的理論拓展。如果說理論物理是研究抽象出來的比較純凈的體系來描述其中最本質的規律，那理論化學是面對實際體系怎樣把已有理論加以完善來描述和解釋化學問題。同樣的思路可以應用於生物學，由於體系的進一步增大，其中的基礎理論問題分為量子尺度和經典尺度。
這裡我們可以部分的回答本文開始引出的問題，化學現象可以被數學描述，它嚴格的符合原子分子層面的物理學理論框架。目前在理化生物專業方向發展出的理論與計算交叉學科正蓬勃發展，它的使命就是通過計算的手段完善理論，指導實驗。它的魅力在於打破了傳統的專業界限，相關研究人員有更為廣闊的研究視野，更為綜合的專業基礎要求。它需要全面的經典和量子物理知識，紮實的化學和生物學基礎訓練，牢靠的數學功底並了解前沿的計算機和程序發展資訊等等。從業人員更傾向於朝著複合型人才方向發展。隨著最近深度學習的蓬勃發展，藉助大數據進行分析的機器學習手段逐步被計算模擬的學者所採用，雖然演算法脫胎於統計物理、Ising模型等等，但是其研究手段的廣泛應用逐步趨於獨立於所屬學科，發展為超越傳統計算模擬領域而形成智能計算方向，這也是目前最具吸引力的研究手段和應用類型。
2013年的諾貝爾化學獎將理論與計算的地位再一次提升，由原來的驗證性學科和難以跟隨實驗的腳步的地位和現狀提高到與實驗同等重要的水平。這裡不免提一句，由於誤解該專業方向有高門檻，大部分實驗科學家對理論與計算的了解還不深入。在此筆者用以下對話來向大家做一簡略的介紹，希望能夠起到拋磚引玉的作用。而且，筆者還會在今後一直推進介紹相關專業發展的現狀。補充：理論與計算完整來說就是「理論計算模擬」，適用於物理，化學，生物學及其衍化和相關學科等等。研究尺度為原子核與電子、分子與凝聚態、多分子及納米體系、宏觀體系。研究水平為第一性原理、結合分子力學和量子力學、經典物理與數值模擬等。
做實驗的人眼中：
做計算模擬的：這個不能算，那個算不準，還喜歡搞一些沒啥卵用的小玩意兒自（一）娛（頓）自（灌）樂（水）；問點啥都來一句什麼尺度？什麼精度？「嗯，模型不好建啊！」；不過要衝刺好文章，還需要這些綠葉來陪襯。有實驗一起才是王道。
做基礎理論的：安貧樂道的大神；陳景潤附體；他們的專業算一技之長？不過有沒有可能會餓死？
做基礎理論的人眼中：
做實驗的：寫文章猶如看圖說話的小學生；業績考核標準全被你們拉高了；哎，勞動密集型產業啊；不過要想拿諾獎，還需要這些綠葉來陪襯。
做計算模擬的：山中無老虎，猴子稱大王！；也不知道想弄什麼，上來就瞎算一氣啊！；有些計算方案理論上還不自洽就直接用了？
做計算模擬的人眼中：
做實驗的：沒事過來表示這也想算，那也想算，當超算中心我家開的啊；寫文章猶如看圖說話的小學生；業績考核標準全被你們拉高了；我們算起來很難的，找我合作真不是讓我們來打雜湊數據的？
做基礎理論的：人們又故意的高聲嚷道，「你一定又被拒稿了！」孔乙己睜大眼睛說，「你怎麼這樣憑空污人清白……」「什麼清白？我前天親耳聽人說你投了篇PRL，被審稿人批成狗。」孔乙己便漲紅了臉，額上的青筋條條綻出，爭辯道，「被PRL拒稿不丟人……PRL么……你們投怕是都不會送審……」接連便是難懂的話，什麼「symmetry-protected topological phase」，什麼「Weyl semi-metal」，什麼「Bose-Einstein condensation」之類的，引得眾人都鬨笑起來。教研室內外充滿了快活的空氣。」
轉知乎名家傅渥成的說法：就像做實驗的人，會有一些不需要任何理論背景，只是簡單組合或者重複的工作，也會有許多富有創意且有深厚物理背景的工作一樣。在理論計算中偏向計算方面，從研究的目的出發個人覺得可以將其粗略地分成兩塊。
實驗結果驅動的計算。我是指那些希望通過計算，構建各種接近實際的體系，通過計算來「預測」實驗結果的工作，這些計算的計算量比較大， 也是目前發展比較快的領域。
理論模型驅動的計算。我是指那些在理論研究中必要的計算，這些計算往往涉及的是比較抽象的體系，計算量跟前者比起來相對小一些，在這些問題的研究中，「計算」更像是在輔助理論研究的工作。
如果我們單看前者，在物理學（而非工程）的範圍內，我認為理論、實驗、計算真正三足鼎立的時代還沒有到來，一方面是因為現在被廣泛使用的諸多演算法其實總是相對比較簡單的，更重要的是，現在計算還沒有到可以獨當一面的程度，只是有的朋友相信這只是時間問題，有的朋友會更悲觀些。不過不管怎樣，在目前的在大多數情況下，計算的「預測」是為了降低實驗的成本、理解實驗、預言某些可能的現象等等，但最後的裁判總是實驗，實驗測出來是怎樣那就是怎樣。想到這裡會覺得心都碎了。
但如果看「理論模型驅動的計算」，要知道在那些推導之外，今天理論物理的研究者已經不能再離開計算機了，儘管這些計算的計算量跟前者比起來仍然很小，而且當前者在計算各種酷炫體系的時候，理論研究者仍然在利用計算處理一些接近傳統的問題：矩陣運算、各種 Ising 模型的變形，各類隨機行走、基本的微分方程求解……這時的計算物理是一種如呼吸般的必要，又是最便捷的手段。更重要的是，通過適當的簡化，計算可以幫助我們對我們關注的問題建立清晰直觀的物理圖像，這是我們理解各類抽象模型的關鍵所在。這些計算真正改變了現在理論研究的面貌，當然，只是如果這些研究者被人問起來，「你是做計算的嗎？」他們會回答：「不不不，我是搞理論的。」
引用來自：
鏈接：https://www.zhihu.com/question/25906479/answer/232673482
鏈接：https://www.zhihu.com/question/25906479/answer/31668774
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