化學學科最終是要劃歸回物理的嗎?

合浦仔林哥

每當我看到討論化學學科地位話題的時候都會想到一個觀點:我們生活在21世紀,千萬不要被19世紀的學科劃分束縛住。

這個觀點是加州理工大學的霍普菲爾德(J. Hopfield)提出的,原話是:

The whole problem is that we are living in the 21st century with these 19th century guilds.

霍普菲爾德(1933-),神經網絡研究的先驅,不過神經網絡能在最近大熱還是要歸功於計算科學的進展。

霍普菲爾德是神經網絡研究的先行者,他開創了用統計物理研究神經網絡的新範式。我們也許會好奇霍普菲爾德的研究到底屬於物理還是屬於生物,或問霍普菲爾德到底應該算物理系的還是算生物系的。

類似的觀點也可以拿來討論物理和化學的關係。

說到自然科學,最大的三塊就是物理、化學和生物了,作為成建制的物理系,化學系和生物系也一定是綜合性大學中歷史最悠久的系。同時,作為為我們每個人打下通用知識基礎的中學階段的學習,我們每個人也都學過物理,化學和生物這三門課。

除語文,數學,英語外,作為理科生,物理,化學和生物是最重要的三科,並且曾經是理科高考每個人必考的科目。歷史悠久,成建制就是這三門老大學科的特點,霍普菲爾德說的guild,字面意思是“行會”的意思,所謂行會是有點“利益集團”的意思的。

物理、化學和生物這三門學科的區分在19世紀是自然的,我們可以從研究對象,研究範式,和基本原理這些角度來考察。生物研究的是生命現象,研究範式是對動植物進行觀察、分類和統計,基本原理是進化論。化學研究的對象是化學反應,研究範式是做定量的化學實驗,基本原理是熱力學。物理研究的對象是力、熱、聲、光、電,研究範式是定量的實驗和理論建構,基本原理是牛頓力學,熱力學統計物理和電動力學。

我們發現即便在19世紀,化學和物理學就已經有不少本質的關聯了,化學的基本原理是熱力學,或者說熱力學本來就是在化學研究的基礎上建立的。儘管如此,化學和物理的區分也是明顯的,化學關心物質的變化,而物理關心的是運動,運動是質點位置的變化,是氣體氣壓的變化,是電場和磁場的變化。

正是研究對象的區分,研究方法的區分,在19世界物理、化學和生物學基本上是三撥人在研究,雖然互相有交叉,但交疊的部分不大。

物理化學家能斯特(1864-1941),能斯特的實驗室曾發現固體的比熱在低溫下會下降並趨於0,這個現象後來被愛因斯坦和德拜用量子力學解釋了。

到了20世紀之後,隨著量子力學的建立及其廣泛應用,化學的學科基礎已經變成了量子力學,原則上我們可以通過求解分子的薛定諤方程研究化學反應;另一方面生物學的基礎則變成了分子生物學,研究生物大分子的結構及其對應的在生命現象中的功能是現代生物學中的核心範式。

這些變化都導致化學——這個學科形象的模糊,化學家喜歡說化學就是原子的建築學,即用原子搭建具有特定功能的分子或結構,我們發現化學家在做這件事情的時候主要通過的是物理原理和物理方法,而要解決的問題要麼是生物學的問題,要麼是材料科學(凝聚態物理學的別名)的問題。

簡單說今天化學系的化學家一半可以稱為物理學家,另一半可以稱為生命科學家。如果我們考察一下迄今為止所有的諾貝爾化學獎得主的名單及其代表性工作可能會更明顯地看出這個趨勢。

很多諾貝爾化學獎發給了物理學家,還有很多獎發給了生命領域裡的工作。以得了化學獎的物理學家為例:

發現原子核的盧瑟福(1908),發現鐳的居里夫人(1911),合成新放射性元素的小居里夫婦(1935),提出固體比熱模型的德拜(1936),發現核裂變的哈恩(1944),研究化學鍵的鮑林(1954),研究不可逆熱力學的昂薩格(1968),研究非平衡態熱力學的普里高津(1977),發展密度泛函和從頭計算理論的孔氏和波普(1998)……

最近有個趨勢就是物理系喜歡說解決了某某問題雖然得不了諾貝爾物理獎但可以得諾貝爾化學獎,相反則是化學系的教授開始在物理期刊比如物理學評論上發表文章。

從頭計算(ab initio)的先驅波普(1925-2004),他喜歡說自己是個數學家,同時他還是計算化學流行軟件Gaussian的作者之一。從頭計算是量子化學和凝聚態物理學中十分重要的方法。

希望有志於化學研究的同學儘早打好自己的物理學基礎,同時也希望有志於物理研究的同學學好化學,學好化學就好比學好普通物理。


物理思維

化學學科其實很年輕,在元素週期表基礎上建立的。元素週期表又是建立在物理模型上的。由於物理的發展,化學也在發展。兩者現在發展的方向不一樣,物理追求真理,化學現在更像應用方面發展。不過大道至簡,未來是不是學科都會歸於計算機學科也未必,所有的知識都將歸於計算技術。


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