物理学是不是可以解释所有化学现象？如果是，那物理如何去解释生物机制？
物理学与化学的界限，以及化学与生物学之间的联系，是一个引人入胜但又充满微妙之处的话题。简单地说，物理学能够“解释”化学现象，但这种解释并非简单的“还原”，而是一种深刻的理解和基础的支撑。至于生物机制，物理学同样扮演着至关重要的角色，但生物的复杂性使得物理学的作用更为间接和多维。
物理学如何“解释”化学现象？
化学研究的是物质的组成、结构、性质以及变化。从原子核的组成到分子之间的相互作用，再到宏观的化学反应，这一切的根源都可以追溯到物理学所描述的基本规律。
原子结构与量子力学： 原子，化学反应的基本单元，其结构和行为完全由量子力学支配。电子在原子核周围的轨道分布（并非经典意义上的轨道，而是概率分布），电子的能级，原子之间的成键方式（共价键、离子键、金属键等），这些都是量子力学方程（如薛定谔方程）的直接体现。例如，电子云的形状决定了原子轨道如何相互重叠形成分子轨道，这是理解共价键强度的关键。元素的周期性，即元素的化学性质随原子序数的周期性变化，也根源于电子排布的规律性，而电子排布本身是量子力学原理的必然结果。
分子间作用力与电动力学： 分子一旦形成，它们之间会产生各种形式的相互作用力，例如范德华力（包括伦敦色散力、偶极偶极作用、偶极诱导偶极作用）以及氢键。这些力本质上都是电磁相互作用在不同尺度和不同条件下的表现。它们的强度和性质决定了物质的物理状态（固态、液态、气态）、熔点、沸点、溶解度等一系列宏观化学性质。例如，水的极性分子是因为氧原子对电子的强大吸引力（电负性差异），这种极性是电动力学的直接结果，进而导致了强大的氢键，赋予水独特的性质。
化学反应与热力学/统计力学： 化学反应是物质转化的过程。反应速率、反应平衡、能量变化（焓变、熵变、自由能变化）都由物理学的热力学和统计力学来定量描述。热力学定律（如能量守恒、熵增原理）为我们理解化学反应的方向性和可能性提供了框架。统计力学则通过对大量微观粒子的运动状态进行统计分析，解释了宏观热力学量的起源。例如，化学反应的活化能，即反应发生所需的最小能量，可以从碰撞理论和过渡态理论中找到物理学的解释，涉及到分子碰撞的能量、方向以及分子内部的振动和转动。
光谱学与电磁波： 物质与电磁波的相互作用是理解物质结构和成分的强大工具。紫外可见吸收光谱、红外光谱、核磁共振（NMR）光谱、质谱等，都是利用了物质中电子、原子核、分子振动和转动对特定波长电磁波的吸收或发射特性。这些现象背后的原理，如电子能级跃迁、分子振动模式、核自旋磁矩等，都属于量子力学和经典电磁学的范畴。
但是，物理学对化学的解释并非“一切皆可由基本粒子及其相互作用推导”。 这种解释是“基础性”的。我们并不需要从夸克、轻子和基本力的相互作用出发去计算一个化学反应的产率。相反，物理学为我们提供了研究化学的“工具箱”和“语言”。它建立了一个层层递进的理解体系：量子力学描述原子和分子的行为，统计力学和热力学描述宏观性质和变化，电动力学解释了分子间的力。化学家在这个基础上，发展出更复杂的理论和实验方法来研究更复杂的分子和反应。
物理学如何去解释生物机制？
生物学研究的是生命现象，包括遗传、进化、生长、代谢、感知、运动等等。这里的“解释”就更加间接和多层级了。生物体是一个极其复杂的系统，由无数相互作用的分子、细胞、组织和器官组成，它们在不断地进行物质和能量的交换。物理学在这里的作用，更多地体现在：
1. 提供基本规律和约束：
能量守恒与转换： 所有生命活动都需要能量。光合作用将光能转化为化学能，呼吸作用将化学能转化为ATP，肌肉收缩利用ATP做功，神经信号传递也需要能量。这些能量的产生、储存、传递和利用，都必须遵循热力学的定律。例如，ATP水解释放能量的过程，可以从化学键的断裂和新键的形成来理解，其驱动力是自由能的变化，这正是热力学所描述的。
物质传递与扩散： 细胞内外的物质交换，如氧气、二氧化碳、营养物质和代谢产物的运输，很多都遵循扩散定律（菲克定律），这是一个纯粹的物理过程。离子通过细胞膜的通道或载体蛋白进行转运，也涉及到电化学势能、渗透压等物理学概念。
力学与结构： 生物体需要支撑自身的重量、进行运动、感知外力。骨骼和肌肉的力学性能，血液在血管中的流动（流体力学），细胞膜的弹性，DNA双螺旋结构的稳定性（涉及范德华力和静电力），这些都离不开力学和流体力学的原理。例如，骨骼的强度与材料力学相关，血流的阻力与血管的直径、血液的粘度以及流速有关。
电学与信号传递： 神经信号的产生和传递是生物电现象。离子在细胞膜两侧的电势差（静息电位）和动作电位的产生（钠离子和钾离子通道的开关），是电化学和膜物理学研究的范畴。大脑和神经系统的运作，很大程度上是复杂的电信号网络。
2. 作为工具和手段：
成像技术： 我们之所以能看到细胞内的结构、蛋白质的三维构象，离不开物理学发展的成像技术，如光学显微镜（衍射、折射）、电子显微镜（电子散射）、X射线晶体学（X射线衍射）、核磁共振成像（NMR成像）、正电子发射断层扫描（PET）等。这些技术都是基于不同的物理原理。
分析仪器： 蛋白质测序、DNA分析、代谢物鉴定等，都依赖于各种物理原理驱动的分析仪器，如质谱仪、色谱仪（基于分子在不同相中的分配系数）、光谱仪等。
3. 解释生物大分子的结构与功能：
蛋白质折叠： 蛋白质之所以能够折叠成特定的三维结构从而发挥功能，是由于氨基酸序列中蕴含的化学信息，这些信息通过物理学原理（如疏水作用、氢键、范德华力、静电相互作用）引导其自发折叠。蛋白质折叠的能量景观（能量最低点对应稳定结构）可以用统计力学来描述。
DNA的复制与转录： DNA双螺旋的稳定性，以及DNA聚合酶和RNA聚合酶如何识别碱基配对、进行复制和转录，都涉及分子间的精确识别和物理化学力的作用。例如，碱基配对是通过氢键实现的。
然而，物理学对生物机制的解释，绝非“从基本粒子直接推导出生命”。 生物系统是一个高度组织化、涌现性极强的系统。即使我们完全理解了组成生物体的所有分子的物理化学性质，也未必能直接“推导出”一个细胞如何生长、一个生物体如何进化、意识是如何产生的。这其中的复杂性体现在：
涌现性（Emergence）： 生物体的许多特性（如生命、意识）是其组成部分的简单加总所无法解释的。细胞具有生命，但单个的蛋白质、核酸、脂质却没有生命。生命是一种“涌现”现象，是大量相互作用的组件在特定组织结构下产生的全新属性。
信息与控制： 生物系统不仅涉及物质和能量的流动，更关键的是信息的存储、传递和处理。DNA携带遗传信息，细胞通过信号分子进行交流，基因调控网络控制着细胞的功能。这些信息的处理和传递，虽然最终也基于物理化学过程，但其组织和逻辑是高度复杂的，并且涉及“意义”和“目的”（例如，基因的表达是为了满足细胞的某种需求）。
随机性与非平衡态： 生物过程往往发生在远离平衡态的条件下，并且包含大量的随机性（如基因突变、分子碰撞的随机性）。这使得精确的确定性预测变得困难，而更多地需要概率和统计的方法。
历史与进化： 生物体的结构和功能是经过漫长的进化过程塑造的，充满了“历史的偶然性”。很多机制并非“最优化”的，而是“足够好”的。这与物理学定律的普遍性和普适性有所不同。
总结来说， 物理学是理解化学现象的基石。它提供了描述原子、分子行为以及物质相互作用的基本框架和定律。但化学研究的复杂性，使得我们通常在化学的语境下进行讨论，而非从基本粒子开始推导。
对于生物机制，物理学的影响更为间接，它提供了生物体赖以生存的基本物理化学原理和运作规则。生物体就像一个极其精妙的“物理机器”，但它的“程序”和“目的”是由进化赋予的，其结构和功能是信息和历史的产物。物理学解释了“机器”是如何制造和运作的（如分子如何结合、能量如何转化），但它本身不直接解释“机器”为什么会被设计成这样，它的“目标”是什么，以及如何“思考”和“感知”。
所以，与其说物理学“解释”了生物机制，不如说物理学支撑、约束和揭示了生物机制中的许多底层运作规律。而要完全理解生物机制，还需要化学、生物学自身以及跨学科的整合，去理解信息、进化、自组织以及这些底层物理化学过程如何构成一个具有生命力的整体。
物理学如何“解释”化学现象？
化学研究的是物质的组成、结构、性质以及变化。从原子核的组成到分子之间的相互作用，再到宏观的化学反应，这一切的根源都可以追溯到物理学所描述的基本规律。
原子结构与量子力学： 原子，化学反应的基本单元，其结构和行为完全由量子力学支配。电子在原子核周围的轨道分布（并非经典意义上的轨道，而是概率分布），电子的能级，原子之间的成键方式（共价键、离子键、金属键等），这些都是量子力学方程（如薛定谔方程）的直接体现。例如，电子云的形状决定了原子轨道如何相互重叠形成分子轨道，这是理解共价键强度的关键。元素的周期性，即元素的化学性质随原子序数的周期性变化，也根源于电子排布的规律性，而电子排布本身是量子力学原理的必然结果。
分子间作用力与电动力学： 分子一旦形成，它们之间会产生各种形式的相互作用力，例如范德华力（包括伦敦色散力、偶极偶极作用、偶极诱导偶极作用）以及氢键。这些力本质上都是电磁相互作用在不同尺度和不同条件下的表现。它们的强度和性质决定了物质的物理状态（固态、液态、气态）、熔点、沸点、溶解度等一系列宏观化学性质。例如，水的极性分子是因为氧原子对电子的强大吸引力（电负性差异），这种极性是电动力学的直接结果，进而导致了强大的氢键，赋予水独特的性质。
化学反应与热力学/统计力学： 化学反应是物质转化的过程。反应速率、反应平衡、能量变化（焓变、熵变、自由能变化）都由物理学的热力学和统计力学来定量描述。热力学定律（如能量守恒、熵增原理）为我们理解化学反应的方向性和可能性提供了框架。统计力学则通过对大量微观粒子的运动状态进行统计分析，解释了宏观热力学量的起源。例如，化学反应的活化能，即反应发生所需的最小能量，可以从碰撞理论和过渡态理论中找到物理学的解释，涉及到分子碰撞的能量、方向以及分子内部的振动和转动。
光谱学与电磁波： 物质与电磁波的相互作用是理解物质结构和成分的强大工具。紫外可见吸收光谱、红外光谱、核磁共振（NMR）光谱、质谱等，都是利用了物质中电子、原子核、分子振动和转动对特定波长电磁波的吸收或发射特性。这些现象背后的原理，如电子能级跃迁、分子振动模式、核自旋磁矩等，都属于量子力学和经典电磁学的范畴。
但是，物理学对化学的解释并非“一切皆可由基本粒子及其相互作用推导”。 这种解释是“基础性”的。我们并不需要从夸克、轻子和基本力的相互作用出发去计算一个化学反应的产率。相反，物理学为我们提供了研究化学的“工具箱”和“语言”。它建立了一个层层递进的理解体系：量子力学描述原子和分子的行为，统计力学和热力学描述宏观性质和变化，电动力学解释了分子间的力。化学家在这个基础上，发展出更复杂的理论和实验方法来研究更复杂的分子和反应。
物理学如何去解释生物机制？
生物学研究的是生命现象，包括遗传、进化、生长、代谢、感知、运动等等。这里的“解释”就更加间接和多层级了。生物体是一个极其复杂的系统，由无数相互作用的分子、细胞、组织和器官组成，它们在不断地进行物质和能量的交换。物理学在这里的作用，更多地体现在：
1. 提供基本规律和约束：
能量守恒与转换： 所有生命活动都需要能量。光合作用将光能转化为化学能，呼吸作用将化学能转化为ATP，肌肉收缩利用ATP做功，神经信号传递也需要能量。这些能量的产生、储存、传递和利用，都必须遵循热力学的定律。例如，ATP水解释放能量的过程，可以从化学键的断裂和新键的形成来理解，其驱动力是自由能的变化，这正是热力学所描述的。
物质传递与扩散： 细胞内外的物质交换，如氧气、二氧化碳、营养物质和代谢产物的运输，很多都遵循扩散定律（菲克定律），这是一个纯粹的物理过程。离子通过细胞膜的通道或载体蛋白进行转运，也涉及到电化学势能、渗透压等物理学概念。
力学与结构： 生物体需要支撑自身的重量、进行运动、感知外力。骨骼和肌肉的力学性能，血液在血管中的流动（流体力学），细胞膜的弹性，DNA双螺旋结构的稳定性（涉及范德华力和静电力），这些都离不开力学和流体力学的原理。例如，骨骼的强度与材料力学相关，血流的阻力与血管的直径、血液的粘度以及流速有关。
电学与信号传递： 神经信号的产生和传递是生物电现象。离子在细胞膜两侧的电势差（静息电位）和动作电位的产生（钠离子和钾离子通道的开关），是电化学和膜物理学研究的范畴。大脑和神经系统的运作，很大程度上是复杂的电信号网络。
2. 作为工具和手段：
成像技术： 我们之所以能看到细胞内的结构、蛋白质的三维构象，离不开物理学发展的成像技术，如光学显微镜（衍射、折射）、电子显微镜（电子散射）、X射线晶体学（X射线衍射）、核磁共振成像（NMR成像）、正电子发射断层扫描（PET）等。这些技术都是基于不同的物理原理。
分析仪器： 蛋白质测序、DNA分析、代谢物鉴定等，都依赖于各种物理原理驱动的分析仪器，如质谱仪、色谱仪（基于分子在不同相中的分配系数）、光谱仪等。
3. 解释生物大分子的结构与功能：
蛋白质折叠： 蛋白质之所以能够折叠成特定的三维结构从而发挥功能，是由于氨基酸序列中蕴含的化学信息，这些信息通过物理学原理（如疏水作用、氢键、范德华力、静电相互作用）引导其自发折叠。蛋白质折叠的能量景观（能量最低点对应稳定结构）可以用统计力学来描述。
DNA的复制与转录： DNA双螺旋的稳定性，以及DNA聚合酶和RNA聚合酶如何识别碱基配对、进行复制和转录，都涉及分子间的精确识别和物理化学力的作用。例如，碱基配对是通过氢键实现的。
然而，物理学对生物机制的解释，绝非“从基本粒子直接推导出生命”。 生物系统是一个高度组织化、涌现性极强的系统。即使我们完全理解了组成生物体的所有分子的物理化学性质，也未必能直接“推导出”一个细胞如何生长、一个生物体如何进化、意识是如何产生的。这其中的复杂性体现在：
涌现性（Emergence）： 生物体的许多特性（如生命、意识）是其组成部分的简单加总所无法解释的。细胞具有生命，但单个的蛋白质、核酸、脂质却没有生命。生命是一种“涌现”现象，是大量相互作用的组件在特定组织结构下产生的全新属性。
信息与控制： 生物系统不仅涉及物质和能量的流动，更关键的是信息的存储、传递和处理。DNA携带遗传信息，细胞通过信号分子进行交流，基因调控网络控制着细胞的功能。这些信息的处理和传递，虽然最终也基于物理化学过程，但其组织和逻辑是高度复杂的，并且涉及“意义”和“目的”（例如，基因的表达是为了满足细胞的某种需求）。
随机性与非平衡态： 生物过程往往发生在远离平衡态的条件下，并且包含大量的随机性（如基因突变、分子碰撞的随机性）。这使得精确的确定性预测变得困难，而更多地需要概率和统计的方法。
历史与进化： 生物体的结构和功能是经过漫长的进化过程塑造的，充满了“历史的偶然性”。很多机制并非“最优化”的，而是“足够好”的。这与物理学定律的普遍性和普适性有所不同。
总结来说， 物理学是理解化学现象的基石。它提供了描述原子、分子行为以及物质相互作用的基本框架和定律。但化学研究的复杂性，使得我们通常在化学的语境下进行讨论，而非从基本粒子开始推导。
对于生物机制，物理学的影响更为间接，它提供了生物体赖以生存的基本物理化学原理和运作规则。生物体就像一个极其精妙的“物理机器”，但它的“程序”和“目的”是由进化赋予的，其结构和功能是信息和历史的产物。物理学解释了“机器”是如何制造和运作的（如分子如何结合、能量如何转化），但它本身不直接解释“机器”为什么会被设计成这样，它的“目标”是什么，以及如何“思考”和“感知”。
所以，与其说物理学“解释”了生物机制，不如说物理学支撑、约束和揭示了生物机制中的许多底层运作规律。而要完全理解生物机制，还需要化学、生物学自身以及跨学科的整合，去理解信息、进化、自组织以及这些底层物理化学过程如何构成一个具有生命力的整体。
网友意见
要不怎么说安德森那篇Science是传世经典呢。
物理帝国主义是要不得的啊。
每到一个尺度自有每一个尺度的乐趣。
我们能还原，但我们并不能构建。
还原论vs构建论
这种思维的主要错误在于，还原论假设绝没有蕴含“建构论”（constructionist）假设：将万物还原为简单基本定律的能力，并不蕴含从这些定律出发重建整个宇宙的能力。事实上，基本粒子物理学家关于基本定律的性质告知我们的越多，它们对于我们理解科学其余领域中的真正问题越不相关，对于解决社会问题就更不相关了。
一旦面对尺度和复杂性的双重困难，建构论假设自然会站不住脚。大型和复杂的基本粒子集合体的行为，并不能按照少数基本粒子性质的简单外推来理解。事实上，在复杂性的每一个层次，都会有崭新的性质出现；在我看来，为理解这些新行为所进行的研究，本质上是同样基础性的。
......
在每一个层级上，新的定律、概念和原理都是必不可少的，其所需要的想象力与创造力丝毫不亚于前一个层级。心理学不是应用生物学，生物学也不是应用化学。
More Is Different. Science 177, 393 (1972)
——安德森（Philip W. Anderson，1923－），1977年诺贝尔物理学奖获得者
感兴趣的知友可以进入这个回答：有哪些知识让你惊叹自己竟然活在那么高大上的世界里？ - Summer Clover 的回答 - 知乎
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针对评论区反馈的一点补充。
1）这里问题的关键在于【构建】。
2）导致more is different的主要因素是【对称性破缺】。
能不能从经典力学构建描述龙卷风、飓风的物理理论。能不能从QED推算美国大选结果。简单，认为可以的，给出方案就行了。一个物理理论至少应该可以在某种程度上预测这个理论的研究对象。
甚至不妨假设给定任意有限大的计算力，那么我们能否以有限小的误差，预测任意有限长时间后某非平凡系统的状态？这个答案很明确，非线性动力学领域的研究已经告诉了我们，一般是不可能的。
某种意义上讲，在各个尺度上，物理定律的简洁优美是来源于【对称性】。Anderson的观点在于，不同尺度上会遇到各种可能的【对称性破缺】。对称性的破却引入了崭新的性质，但对这些性质的物理描述是无法从更基本的物理定律凭空构建出来的。某些对称性不复存在后，原有的物理描述可以变得非常丑陋。但是我们却可以在这个尺度上创造新的优美且简洁的科学理论，这些科学理论在本质上是同样基础的。
再以龙卷风为例。
我们需要的是描述龙卷风的理论。而牛顿力学非常丑陋地要通过精确地描述每一个分子的位置和动量来预测龙卷风的演化。这个灾难般的路径是走不通的。我们应该去创造新的物理理论，而这个物理理论其实可以不关心每个分子的运动。
类似的，诊断癌症，我们需要医学研究；预测政治关系，我们需要政治学研究。而不是从头开始解薛定谔方程。
谢谢知友@杨个毛的补充，我觉得很好。
是不是可以这么话所，某种意义上，换个层级研究，也没有解决这个“不行”的问题。并不是说，牛顿定律回答不了一个龙卷风里每个气体分子在任意时刻的状态，换成一个别的层面上的定律，突然就能回答那个问题了。 但是，换一个层面去研究同一个问题，其实是巧妙地重新定义了问题，把我们所关心的，又可以研究清楚的那部分，跟我们所研究不清楚的部分切分开。
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