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化学需要什么样的理论? 精选

已有 3376 次阅读 2017-3-13 10:16 |系统分类:观点评述

前不久应知乎邀请,给 “理论化学” 话题整理了索引,随之触发了一个思考已久的问题:化学需要什么样的理论?

什么是化学的理论

科学采用可证伪的逻辑方法研究知识,把我们的认识上升为逻辑和规律。科学的内容总是包括来自直接认识的知识(实验)和来自系统总结的知识(理论)两大部分,后者来自对前者的正确归纳,又可以演绎地得到前者,并对未知知识给出可证伪的预言。科学发展的过程一般是从实验得到知识,对知识进行正确归纳得到理论,再由理论指导实验发现新知识。这种科学研究的方法论是从 Francis Bacon 在 1620 年发表的 Novum Organum(新工具)开始发展至今的,并一直显示出其强大的生命力。

人作为自然界的臣相和解释者,他所能做、所能懂得只是如他在事实中或思想中对自然进程所以观察到的那样多,也仅仅那样多;在此以外,他是既无所知,亦不能有所作为。 ——F. Bacon,《新工具》第一卷第一章,商务印书馆 1984 年版,许宝骙译

研究自然世界而非人类社会的科学是自然科学。由于科学发展历史的原因,自然科学依其研究领域不同被划分为数学、物理学、化学、生物学、天文学、地理学等门类。但究其本质,自然科学各门类之间是紧密关联的,只有一个自然界,因此也应当只有一个统一的自然科学。其中化学是研究不同物质的组成、结构(从原子尺度到宏观尺度)、性质及其变化规律的自然科学。

因此,依照化学的研究内容,化学的理论部分应当包括物质组成理论、物质结构理论、结构-性质关系理论和化学反应理论,其研究方法主要是数学和物理学理论。由此也可见,理论化学这一学科(主要是量子力学和部分统计力学)并不等于化学理论的全部。

对化学理论的意义有不同理解

历来在化学工作者中,对化学理论有何意义存在着很多不同意见,有些还影响很大。主流化学教育从一开始就强调这样一种观点:“化学是一门以实验为基础的科学”,把这一命题推向极端,便是一种非常典型的化学理论观:化学不需要理论,有实验积累的知识就够了。

第二种观点相比而言稍微弱一些,他们认为化学家的主要工作不是研究理论,而是研究合成和实验,研究理论是物理学家的事情。换句话说,化学理论即使有意义,但对于化学家而言仍是可有可无的。

第三种观点持有者可能更多,他们认为化学理论是有存在必要的,化学界也需要研究理论,但不是每个化学家都要来关注理论,那些做一般无机和有机的化学家只要关注实验就可以了,“初中数学和物理足矣”。

第四种观点再让一步,他们支持化学理论的意义,也认为化学家都有必要关注理论,但化学的主要任务是在实验中应用和验证理论,而不是发展新理论。

第五种观点则另辟蹊径,他们指出化学理论需要化学家来研究,但化学理论具有不同于物理理论的特征,不能使用(或者至少不能完全)数学和物理方法,而要发展化学自己的逻辑和话语。

化学家不能回避化学理论

       没有理论不成科学。正如前面阐述过的那样,科学的发展固然离不开实验知识的积累,但仅有实验知识也无法让一门自然科学成立起来。化学不可能脱离理论而存在,如果只有实验知识的积累,它将很快变为纯粹的博物学。事实上,化学学科得以建立,就是来自于化学理论的重大突破。近代化学成为严格意义的自然科学,肇始于 Lavoisier 建立的燃烧学说和质量守恒定律,把燃素说等中世纪迷信的残留赶出化学界;完成于 Dalton 的新原子论,让化学有了自己的理论架构和话语体系。那种化学不需要理论的观点显然是错的。

Lavoisier 的燃烧实验装置

对于当代的化学家而言,化学理论也并非是可有可无,而是不可或缺的。理论高度决定了化学家对实验知识的理解深度,直接导致他们的创新工作落入不同的档次。当化学家缺少必要的理论视野时,即使极有意义的实验事实放在他们面前,他们也不能从繁芜丛杂的现象中提取出重大发现来。人们早就观察到各种具有五次和十次对称花样的晶体衍射结果,但大都囿于传统和知识缺乏,不能给出合理解释,或者将其归因为孪晶等因素。直到 Shechtman 历史性(同时也是极具争议性)地发现准晶之后,各种后知后觉的报道才迅速涌现出来。

即使是从事基础合成工作的无机和有机化学家,足够的理论高度也会帮助他们提升工作层次和效率,并将合成的苦工上升为科学知识。众所周知的例子是有机合成大师 Woodward 同时也是理论有机化学家。如果象不少人错误以为的那样、基础无机和有机领域的发现只能依赖运气,那么这个行业势必将成为劳动密集型、而非知识密集型的工种,这样的化学也就难免被贬低为 “伪科学” 了。


有机实验室实验装置的典型密度

化学理论并不特殊

科学界的共识之一,是我们只有一个统一的自然界。自然科学的各科目之间也没有先验的区别,不存在几种独立的自然观。对于化学学科而言,除了其研究对象具有专门性之外,它的逻辑、思维、方法不可能与其它自然科学、尤其是作为自然科学理论基础的数学和物理学有着本质区别。

我们都知道 Rutherford 的名言,“All science is either physics or stamp collecting(一切科学,要么是物理学,要么是收集邮票)”。因此从某种意义上说,化学理论本就是物理学的一部分。承认这句话或许会在不少化学工作者心中引发轩然大波。事实上,我们没有必要用一种狭隘的沙文主义维护化学作为一门自然科学学科的独立性,这种潜意识除了人为制造出学科间的鸿沟、以致于自然科学整体发展受损之外,别无长处。

历史上,化学的理论本就与物理学紧密相连。Lavoisier 的《化学基础论》中把光和热都归入化学元素的范畴,Dalton 的《化学哲学新体系》花费了大量篇幅讨论气体和热学问题。最伟大的物理化学家 Gibbs 至今在物理学界仍有着巨大影响,以致于人们认为二十世纪大部分的统计力学都是在为 Gibbs 做注脚。承认他们是化学家还是物理学家,对于科学本身来说毫无意义,要紧的事他们为化学学科的发展提供了理论基石,指引了正确的方向。后来者要做的不是汲汲于门户之见,而是起而继之。

Gibbs 晚年照片

需要补充说明的是,化学理论确实也有其特殊性,但这种特殊性是建立在化学研究的体系之上的,而不是在认识世界的思维模式上与物理学或者其它学科有着本质不同。量子力学适用于原子,自然也应当适用于分子和超分子体系,但物理学家对后者并不感兴趣,这时化学家接过了这一工具,发展自己的理论。量子化学自然不会完全等同与量子力学的结论,但并不意味着化学因此有了自己的独立理论体系(事实上也没有必要有)。

我们自当在化学领域内发展数学和物理学方法、使之更适合化学研究的对象,但不是闭门造车,搞化学自己的 “化学逻辑”。一个失败的例子是 Lewis 结构式。在它 1916 年诞生的时候,化学界还不清楚物理学界正在突飞猛进地发展量子力学和相对论,因此 Lewis 只能使用来自经验的八电子稳定规则来构建他的学说。但很快量子力学就证明,物理学可以更好、更准确地解答分子结构的问题,Lewis 结构式就落后于时代了。独特的 “化学逻辑” 终究可以通过理论的发展被归化入自然科学整体的框架之内,这本身就是化学理论应当完成的任务。

化学需要什么样的理论

近半个世纪以来,化学学科在科学事实领域积累了大量知识,而在理论上则没有更大的突破,学科知识体系尚未发展到完善的地步,至少体现在:

  • 从空间尺度上看,对分子及其结构认识已经比较完善,但对于分子间、大分子、超分子和纳米尺度的物质结构认识还很不完善。对固体/晶体的结构认识比较清楚,非晶体、液体结构认识还不清楚。

  • 从时间尺度上看,受制于对分子运动和分子所处环境运动(扩散、分离与碰撞)的不了解,传统唯象理论和统计理论都有缺陷,还没有一个足够完善的化学动力学基本理论。对于化学过程的时间尺度的从头预测精度还不能与热力学平衡能够准确从量子力学和统计力学出发计算相比。

  • 结构与能量、空间与时间的基本关系不够满意,热力学与动力学间的关系没有深刻阐明,二者本应当是某个更一般的理论(能够处理含时和不含时的体系)的组成部分。

在这种困难下,已经造成了化学及相关学科发展的一些不平衡、不协调情况:

  • 有机化学以及一些简单的高分子化学一枝独秀,学科逻辑和理性较完备,而无机化学、超分子化学等领域多还停留在探索与发现阶段。其原因是,有机化学对象是分子,研究得比较清楚;而无机、超分子等体系的结构与性质关系尚不完全明确;

  • 无机晶体材料、分子材料(功能主要依赖于分子功能的材料)发展迅速,非晶体材料和软物质发展缓慢。对一些基本科学问题,如水的微观结构,目前还没有可靠答案。

  • 生命科学的化学本质未完全阐明。生物化学的静态部分,尤其是结构生物学发展迅速,但动态部分还在摸索,复杂生化通路之间的相互作用尚待深入研究。

上述问题只列出了化学理论发展的一部分,门类和方向都很不全面,但也足以看出化学理论并非成熟,而是充满问题和挑战的。化学家应当明白的是,化学理论不可能等待物理学家或者其他什么人来解决,因为化学的体系只有化学家自己才最了解、也最关心,因此其相关理论也最好是由化学家来发展。具体到每个化学工作者身上,对化学理论的贡献可大可小,但这种意识的广泛传播和实践势必推动化学学科整体的更大进步。

功利一点来说,充满问题与挑战的化学理论也是化学学科自身发展的一片空间,意识到化学界还有这么多课题可做,也免得有识之士与青年才俊自己都会怀疑化学有无发展前途。可不要忘了,把物理学以外的科学都归为集邮的 Rutherford,自己都没有得到 Nobel 物理学奖,拿的偏偏是化学奖呢。

Nobel 官网截图


(原载于微信公众号“听石先生的文字”)




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