物理学和生物学的互相促进由来已久，1791年，意大利的伽乐宛尼（L.Galvani，1737-1798年）用他发明的原始化学电池给青蛙腿通电，观察肌肉收缩现象，他同时成为电学和电生理学两门学科的开创者，在英文单词中物理学者（physicist）和医师（physician）来自同一字根。物理学不断提供研究生物的新工具，从普通显微镜、偏光显微镜、电子显微镜、扫描电镜、隧道显微镜、原子力显微镜和冷冻电子显微镜等，它们都对深入认识生物细胞和亚细胞结构发挥着作用。一系列的物理学技术在生物学中的成功应用导致了分子生物学的革命发生；同位素示踪技术为DNA是遗传物质提供了直接的证明；X射线衍射获得的DNA晶体结构资料对于构建DNA双螺旋模型起了决定性的作用；超速离心技术和同位素标记技术验证了DNA半保留复制假说的正确性；核磁共振对于确定蛋白质，特别是溶液中较小的蛋白质的结构以及一些动态过程，发挥着越来越大的作用。
可以看出，现代生物学革命的产生和发展，实际上是多种学科相互渗透、相互促进的过程。特别是现代物理学和化学的许多重大成果和思想方法从不同的角度渗入到生物学，促进了它的迅速发展。同时，以达尔文进化论为基础的生物学丰富了物理学家的世界观，促使人们对人在生命世界中的地位采取一种现实主义态度，并在哲学思想上容纳物理学家所缺少的一些概念，如变异、多元论、机遇、不确定性、目的性程序、历史信息及其他。
2.3.4 假说-演绎法在生物学研究中的应用举例
1.孟德尔的豌豆杂交实验
19世纪中期，孟德尔用豌豆做了大量的杂交实验，在对实验结果进行观察、记载和进行数学统计分析的过程中，发现杂种后代中出现了一定比例的性状分离，两对及两对以上相对性状杂交实验中子二代出现不同性状自由组合现象。他通过严谨的推理和大胆的想像而提出假说，并对性状分离现象和不同性状自由组合现象作出尝试性解释。然后他巧妙地设计了杂交实验用以检验假说，杂交实验不可能直接验证假说本身，而是验证由假说演绎出的推论，即如果遗传因子决定生物性状的假说是成立的，那么，根据假说可以对杂交实验结果进行理论推导和预测；然后，将实验获得的数据与理论推导值进行比较，如果二者一致证明假说是正确的，如果不一致则证明假说是错误的。当然，对假说的实践检验过程是很复杂的，不能单靠一两个实验来说明问题。事实上，孟德尔做的很多实验都得到了相似的结果，后来又有数位科学家做了许多与孟德尔实验相似的观察，大量的实验都验证了孟德尔假说的真实性之后，孟德尔假说最终发展为遗传学的经典理论。我们知道，演绎推理是科学论证的一种重要推理形式，杂交实验值与理论推导值的一致性为什么就能证明假说是正确的呢？原来，杂交后代的表现型及其比例真实地反映出子一代产生的配子种类及其比例，根据子一代的配子型必然地可以推导其遗传组成，揭示这个奥秘为演绎推理的论证过程起到了画龙点睛的作用，不揭示这个奥秘则难以理解“假说-演绎法”的科学性和严谨性，对演绎推理得出的结论仍停留在知其然的状态。
2.在遗传学界的研究举例
1900年，三位科学家分别重新进行了孟德尔的工作，遗传学界开始认识到孟德尔遗传理论的重要意义。如果孟德尔假设的遗传因子（基因）确实存在，那么它到底在哪里呢？1903年，美国遗传学家萨顿发现，孟德尔假设的一对遗传因子即等位基因的分离，与减数分裂中同源染色体的分离非常相似。萨顿根据基因和染色体行为之间明显的平行关系提出假说：基因是由染色体携带着从亲代传递给子代的，也就是说，基因位于染色体上。美国遗传学家摩尔根曾经明确表示过不相信孟德尔的遗传理论，也怀疑萨顿的假说，后来他做了大量的果蝇杂交实验，用实验把一个特定的基因和一条特定的染色体——X染色体联系起来，从而证实了萨顿的假说。由此可以看出，对基因与染色体的关系的探究历程，也是假说-演绎的过程。
3.DNA复制方式的提出与证实，以及整个中心法则的提出与证实，都是“假说-演绎法”的案例
以DNA分子复制方式的阐明为例。美国生物学家沃森和英国物理学家克里克在发表《DNA分子双螺旋结构》的那篇着名论文的最后写道：“在提出碱基特异性配对的看法后，我们立即又提出了遗传物质进行复制的一种可能机理。”他们紧接着发表了第二篇论文，提出了遗传物质自我复制的假说：DNA分子复制时，双螺旋解开，解开的两条单链分别作为模板，根据碱基互补配对原则形成新链，因而每个新的DNA分子中都保留了原来DNA分子的一条链。这种复制方式被称为半保留复制。1958年，科学家以大肠杆菌为实验材料，运用同位素标记法设计了巧妙的实验，实验结果与根据假说-演绎推导的预期现象一致，证实了DNA的确是以半保留方式复制的。
4.遗传密码的破译是继DNA双螺旋结构模型提出后，现代遗传学发展中的又一个重大事件
自1953年提出DNA双螺旋结构模型后，科学家就围绕遗传密码的破译开展了一系列探索。美籍苏联物理学家伽莫夫提出了3个碱基编码1个氨基酸的设想。克里克和他的同事通过大量的实验，以T4噬菌体为材料，研究其中某个基因的碱基的增加或减少对其所编码的蛋白质的影响，结果表明只可能是遗传密码中的3个碱基编码1个氨基酸。但是他们的实验无法说明由3个碱基排列成的1个密码对应的究竟是哪一个氨基酸。两位年轻的美国生物学家尼伦伯格（Nirenberg Marshall Warren，1927-2010年）和马太（Johann Heinrich Matthaei）转换设计思路，巧妙设计实验，成功地破译了第1个遗传密码。在此后的六七年中，科学家破译了全部的遗传密码，并编制出了密码子表。
5.蛋白质如何“死亡”的研究蛋白质是包括人类在内各种生物体的重要组成成分，科学家关于生物体中蛋白质如何“诞生”的研究成果很多，但关于蛋白质如何“死亡”的研究却相对较少。蛋白质是由氨基酸组成的，氨基酸如同砖头，而蛋白质则如结构复杂的建筑。最初科学界普遍认为蛋白质的降解不需要能量，这如同一幢大楼自然倒塌一样，并不需要炸药来爆破；后来的研究发现，同样的蛋白质在细胞外降解不需要能量，而在细胞内降解却需要能量，这成为困惑科学家很长时间的一个谜。Aaron Ciechanover（1947-）、Avram Hershko（1937-）和Irwin Rose（1926-）对蛋白质分子的降解进行了探索，他们通过实验发现生物体内存在着两类蛋白质降解过程：一种是不需要能量的，比如发生在消化道中的降解，这一过程只需要蛋白质降解酶参与；另一种则需要能量，它是一种高效率、指向性很强的降解过程。这如同拆楼一样，如果大楼自然倒塌，并不需要能量，但如果要定时、定点、定向地拆除一幢大楼，则需要炸药进行爆破。一种被称为泛素的多肽在需要能量的蛋白质降解过程中扮演着重要角色，它就像标签一样，被贴上标签的蛋白质会被运送到细胞内的“垃圾处理厂”，在那里被降解。后来很多科学家的大量研究证实，这种泛素调节的蛋白质降解过程在生物体中的作用非常重要，它如同一位重要的质量监督员，细胞中合成的蛋白质质量有高有低，通过它的严格把关，通常有30%新合成的蛋白质没有通过质检而被销毁。但如果它把关不严，就会使一些不合格的蛋白质蒙混过关；如果把关过严，又会使合格的蛋白质供不应求。泛素化蛋白质降解研究对于探索一些疾病的发生机理和治疗手段具有重要意义，这三位学者的工作获得了2004年诺贝尔化学奖。
2.4 科学研究中的计算机数值计算方法
如第一章所述，当前科学研究的课题，已经从单一的简单问题过渡到复杂的体系问题。对这些多层次的复杂问题，要进行多次重复性实验，不仅费用很大，而且难以保证实验条件的一致性。因此，对于这类课题，在进行真实实验之前，通过一些方法对结果进行预测是十分重要的。近年来，随着高速计算机的出现和普及，以及科学理论的进一步发展，一些基于高速计算机的计算方法被广泛提出来，研究者可以面对这些复杂课题，提出更严格和更全面的模型，来定量研究这些复杂体系的性质。这些计算方法逐渐演变成一些稳定的计算机工具软件，在理论研究和实际实验之间建立起一座重要桥梁。
它不仅能够弥补简单的解析理论模型难以完全描述复杂现象的不足，而且可以克服实际实验中遇到的材料、设备、数量、极端条件等许多困难，计算机数值计算方法已经渗透到科学研究的各个领域。
本节内容结合几个光学案例，说明计算机数值计算（下文中也称为计算机仿真）方法作为一种科学研究方法在科学研究中可以起到的作用，并初步介绍数值计算可用的工具，解决问题的一般步骤等。
2.4.1 科学研究方法中的理论研究，实验研究和计算机仿真研究
从研究方法的角度来看，目前的科学研究可分为理论研究、实验研究和计算机仿真研究这三种方法。其中，计算机仿真研究成为联系理论和实验的重要纽带，成为研究复杂体系问题不可缺少的方法。
在计算机出现以前，科学研究从方法上可分为理论研究和实验研究两类。理论研究是从一系列的基本原理（例如物理学中的牛顿定律、万有引力定律、麦克斯韦方程组等）出发，列出数学方程，并用严格的数学分析方法求出解析解，或者导出新的公式或者定理。基于数学推理的理论研究，具有高度的抽象性和普适性，其研究结果，可以达到实际实验所不能达到的深度与广度。但另一方面，为了得到形式简单的解析解，往往要对问题进行简化近似。所以，真正依靠理论推导就能够解决的实际问题仅为凤毛麟角。对于复杂的问题，即所谓“多维、多边界条件”的问题，要想通过数学推导得到解析解是十分困难的，有时甚至是不可能的。
实验研究则以实验和观察为手段来发现新的物理现象，寻找新的规律，并检验理论的正确程度及应用范围等。实验研究是理论研究的出发点与归宿。但是对一些多层次的复杂问题，要进行多次重复性实验，不仅费用很大，而且难以保证其实验条件的一致性。要想获得真实的实验结果，往往十分困难。
然而我们当前恰恰面对的是一些复杂的体系问题。如果采用理论研究方法，大多数问题将无法获得解析解；如果采用实验研究方法，构建复杂的实验体系，不仅花费巨大，而且很难成功。比如欧洲的粒子对撞实验，花费38亿美元，占地长达27km，深埋于100m的地下，这样的实验多次重复会造成巨大的人力、物力、财力的耗费，因此迫切需要一种区别于理论研究与实验研究的新方法。近年来，随着高速计算机的出现和普及，以及科学理论的进一步发展，一些基于高速计算机的计算方法被广泛提出来，研究者可以面对这些复杂课题，提出更严格和更全面的模型，来定量研究这些复杂体系的性质，从而在理论研究和实验之间建立起一座桥梁。
也许有人认为：一个小学生1分钟做1次乘法与计算机l秒钟作108次乘法只不过是速度的差别而已。然而事实是由于计算方法的发展，运算速度的量变引起了质的飞跃。特别是数值计算方法可以求解复杂的没有解析解的非线性微分方程组，使人们有可能用计算机完成过去可望而不可即的工作。通过数值计算的方法可以对复杂的物理过程进行数值模拟。这种物理过程要么无法用实验来实现，要么就是实验的代价十分昂贵。
