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物理系的同學們是如何看待化學理論的?

2018年11月08日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 1 ℃ 次

【明媚的回答(220票)】:

我高中的時候是化學競賽保送進的物理系, 所以對兩方面都或多或少有一些瞭解.

首先據我瞭解絕大部分物理學家都是尊重化學理論的. 大家對化學的誤解, 在我看來, 很大程度上來源一個誤區: 只有演繹科學才是科學.

化學理論相對於物理理論更注重歸納, 而非演繹. 但無論是歸納科學還是演繹科學都是科學. 稍微瞭解一些物理學史的人都知道, 物理學在早期也是歸納科學. 開普勒三定律完全是基於第谷的觀測數據"找規律"得來的. 開普勒的工作不屬於物理學嗎? 開普勒的歸納沒有價值嗎? 說化學研究基本上"靠瞎猜", 其實物理學研究很大程度上大抵也是如此的. 只不過寫在課本上的內容已經高度凝練, 比較乾淨而已.

由於化學的歸納特性, 導致化學的很多理論無法從第一性原理導出. 這有點像張睿同學所說: "化學的理論是一種妥協". 但妥協的根本原因, 在我看來, 是物理學的無能: 物理學家們雖然有量子力學, 但面對具有宏觀數量粒子的系統卻無能為力, 甚至連三體問題物理學家們不能精確求解. 化學正是彌補了物理學的這一缺陷, 使人們跳出了物理學的理想模型, 面對真實的自然世界. 從這個角度說, 理論化學本身就比理論物理學困難得多. 也正是因為化學難化學家們才需要各種歸納, 各種近似. 如果批評化學的這些特性, 問出"要不要把化學理論改造的講理一些"這樣的問題, 是不是因為不瞭解化學這門學科及其定位而顯得本末倒置了?

當然, 任何事情都過猶不及. 化學說到底還是一門科學, 不是古代的煉金術. 我之前的論述想要強調的是: 化學中的很多基本原理不能從第一性原理導出. 並非說化學不需要邏輯演繹. 評論中 @余曠 的論述十分精彩, 這裡引用作為補充:

我不是很贊同歸納科學和演繹科學的二元劃分,我個人認為這是一種對科學方法的人為割裂。還是拿中醫舉例。中醫是典型的以歸納為主,但缺少演繹能力的理論體系,其根本原因在於其使用的語言本身就缺少嚴格性,不可能進行嚴格的邏輯演繹,這顯然不是科學。古典化學理論就有一點類似於中醫,造成的後果就是同一套理論,正著說反著說都行,你可能有一點模糊的概念,但你永遠不確定哪個是對的,只能不斷地引入需要強行記憶的反例甚至是反例的反例。這和"More is different"無關,純粹是研究方法的問題。開普勒的結果是歸納出來的,這沒有問題,但開普勒的結果中涉及的概念都是嚴格定義的,結果本身也是高度數學化的。只有這樣牛頓才可能以此為基礎建立力學體系。

題主的另外一個觀點: "迄今為止,現代化學沒有本質性的新發現,也不存在終極性的理論問題". 有關"本質性的新發現"和"終極性的理論問題", 其實物理學家們反而有比較深刻的認識. 這種"化學本質上是物理學"的天真想法, 大概和"凝聚態物理化本質上是粒子物理"的想法很類似. 凝聚態物理學家 P.W.Anderson 提出了 "More is different" 的口號. 他在其1972年具有里程碑意義的發表在Science上的文章指出

The ability to reduce everything to simple fundamental laws does NOT imply the ability to start from those laws and reconstruct the universe.

The MORE the elementary particle physicists tell us about the nature of the fundamental laws, the LESS relevance they seem to have to the very real problems of the rest of science, much less to those of society.

物質世界按照複雜程度形成不同的層次, 理解每個層次的規律確實需要上一個層次的理論做支撐, 但複雜性的升高導致背個層次都演生出全新的"基本"規律. 學科 X 遵循學科 Y 的規律, 但這不意味著學科 X 是學科 Y 的應用. 化學理論的基礎是物理理論, 但這不代表化學就屬於物理學的範疇, 也不代表化學理論"不本質". 化學理論完全可以建立在獨立的基本假設之上, 只需要其符合實驗現象, 具有普適性. 至於"終極性的理論問題", 物理學就有嗎?

上面是從科學和學科之間的大角度來說的, 下面再談談化學本身.

化學歸納出的理論之所以能存在, 很大一個原因是這些理論能預言實驗現象並且指導人們的生產生活. 從這個可能略顯功利的角度說, 這些理論的存在是合理並且有價值的. 一個物理學家對薛定諤方程的各種解瞭如指掌, 也不會有一個化學專業的本科畢業生懂得應該怎樣設計有機合成路線. 只有物理學理論, 我們使用不到特效的藥物, 製造不出特殊的材料. 除此之外, 現在的化學歸納出的很多規律, 比如: 對角線規則, 惰性電子對效應, 次級鍵, 有機合成的電性和位阻等等, 基本上都可以用量子力學等物理學理論定性解釋(這在如何評價文章《9評化學:自然科學裡最垃圾的學科之一》? - 匿名用戶的回答中有簡單介紹). 這種印證也說明了化學理論不是憑空臆測.

當然, 正如上面所說的那樣, 化學面向真實世界, 因此太難了, 總結概括出精妙的理論不太容易. 乾淨的理論少, 骯髒的理論多, 大家也就自然覺得化學不靠譜. 化學太難造成的另外一個結果是計算化學的興起. 純理論難做, 計算總是可以做的. 我覺得這也是現在化學還有什麼重大的未解問題嗎?中會出現"理論化學的發展,基本上都可以被認為是求解這幾個基本方程的數值方法的發展"的原因. 但誰也不知道沿著這條路人們是否能走下去. 正如物理學十幾年來都沒有巨大突破, 可能需要新的思想一樣, 化學也許也需要注入新的思路.

總結來說, 《9評化學》這篇文章很幼稚. 我不好評價作者懂不懂化學, 但是可以肯定地說作者不懂物理學. 《9評化學》的作者之所以說化學理論憑空臆測, 很大程度上就是因為他的物理知識幾乎不超過高中水平. 徐宇超同學說"化學=原子物理學+量子力學+電動力學+...", 這也實在太高估現在的化學系學生的水平了. 我在化學系的同學, 可以說對這三門課幾乎一無所知. 由於老師水平等各種原因, 他們上了一個學期的量子力學, 連皮毛都沒有學到. 也許本科化學加強數學物理等基礎學科的教育以及對演繹思維的訓練, 持有像《9評化學》的作者類似觀點的人就會少得多.

【白如冰的回答(73票)】:

其實我的觀點恰好相反,學化學的人基本都知道自己在學自然科學,學物理的很多都以為自己在學解方程。

【王二錘的回答(119票)】:

生物學:我是自然科學 []~( ̄▽ ̄)~*

化學:樓上是搞應用的! ╮(╯▽╰)╭

物理學: 樓上是搞應用的! ╮(╯▽╰)╭

數學:呵呵,你們在說啥? ╮(╯▽╰)╭

上面的鄙視鏈可能有一些道理,很多生物現象可以用化學反應解釋,而化學反應又有更深層的物理解釋,而物理離不開數學。我將在下面跟你們摘述一下物理學家(特別是高能物理學家)的終極理論之夢。對此感興趣的同學,還可以進一步參閱溫伯格的《終極理論之夢》:

很多生物現象不過是受化學反應的左右,就像多巴胺可以使你興高采烈,荷爾蒙使你春心蕩漾;化學反應則可以用物理學去解釋,就像化學鍵的形成和斷裂不過是電子的相互作用。這裡的表述也許太簡單粗暴了,我絕沒有鄙視生物學或化學的意思,每個領域的理論都有它的適用範圍,所謂某一個領域的「高深的理論」並不一定能解釋其他領域的稍微複雜的現象。

正像史蒂芬-溫伯格所說,我們今天的理論只有有限的意義,是暫時的、不完備的。但是,我們總會隱約看到在它們背後的一個終極理論的影子,那個理論將有無限的意義,它的完備與和諧將完全令人滿意。我們尋求自然的普遍真理,找到一個理論的時候,我們會試著從更深層的理論推出它,從而證明它、解釋它。想像人類的各種科學理論有一個個箭頭將它們相連,它們都關聯著,逆著箭頭望去,它們似乎源於一個共同的起點,那個能追溯所有解釋的起點,就是所謂的終極理論。

一個科學原理「解釋了」另一個科學原理是什麼意思?我們說一個真理解釋了另一個,如決定電場中的電子的物理學原理(量子力學法則)解釋了化學規律,並不是說我們根據量子力學的法則一定能推導出化學規律。有時問題很簡單,如氫分子的性質,我們確實能推導出來;但是氦呢?儘管氦原子的原子序數僅僅比氫多了1,計算的複雜性卻大大增加,量子力學勉強能給近似的解。那麼鋰呢?鈹呢?硼呢?臣妾辦不到啊!(╯‵□′)╯︵┴═┴

是的,儘管我們認為我們能夠推導出來,但是有時候問題太複雜了,計算量非常之大。在19世紀,即使物理學家和天文學家還不知道精確計算行星間的相互吸引,他們仍理直氣壯地相信行星那樣的運動完全是因為牛頓力學和萬有引力定律在發生作用。今天,儘管我們還不能預言化學家可能觀測到的一切事情,但我們相信,原子和電子之所以在化學反應中表現出那樣的行為,是由相關的電子和電力的物理定律所決定的。這一點很難說清楚,因為我們確實沒有能夠從量子力學推導出化學規律。我們卻仍然要說:量子力學可以解釋化學反應的各種現象。當然,如果我們真能進行某些計算,並能把結果與觀測對比,那麼我們會更加自信。至少,在氫那裡是這樣的,雖然更複雜的化學物質的性質我們還算不出。

第一個終極理論的夢想,是在20世紀初隨著量子力學的發現而產生的。在那個遍地黃金的年代,一個二流的物理學家也能夠做出一流的工作,比如一個廣為流傳的謠言說,法國某部長的兒子德布羅意憑著官二代的身份跟著郎之萬做博士,說什麼他的博士論文只有一頁多,紈褲子弟不懂物理靠家裡權勢才拿到學位,物質波的觀念也只是他「山寨」別人的觀點,東拼西湊出來的。這當然是謠言,這裡不深究。

量子力學建立起一個全新的物理框架,用波函數和概率取代了牛頓力學的粒子和力。量子力學一下子使人們不僅能計算單個原子和電子之間相互作用的性質,而且還能計算結合在分子裡的原子性質。至少,人們看清了化學現象之所以那樣,完全是因為原子的電子發生相互作用的結果。

這倒不是說大學的化學課程從此該由物理教授來講,也不是說化學家應該加入物理學會。用量子力學方程來計算最簡單的氫分子的兩個氫原子的束縛力就夠困難的了,對於更複雜的分子,特別是生物學和化學裡遇到的分子和它們在不同環境下的反應,還是需要生物學家和化學家的特殊經驗和洞察力。但是,量子力學在計算極簡單分子的性質時獲得的成功,清楚地表明了正是因為物理規律的作用,化學反應才表現那樣的行為方式。狄拉克甚至在1929年宣稱:「大部分物理學和整個化學的數學理論所需要的基本物理學定律就這樣完全知道了,困難只是這些定律的應用帶來了太複雜的計算,現在還沒法解決。」

狄拉克得意沒多久,物理學家發現了一個奇怪的新問題。原子能級可以用量子力學很好地計算,但是當把計算運用到電磁場的時候,計算結果表明原子將有無窮大的能量……此外,在其他的計算裡也出現了無窮大的結果。

狄拉克( ̄ε(# ̄)☆╰╮( ̄▽ ̄///)

於是人們發現,量子力學還不是終極理論,被打哭的狄拉克不信邪,將量子力學和狹義相對論結合,搗騰出了相對論性量子力學,這成為後來量子場論中的量子電動力學的基礎。於是,我們發現,一個「終極理論」可以追溯到另一個「終極理論」。實際上,當量子場論還在發展中的時候,另一部分物理學家已經在研究弦論。儘管粒子加速器的實驗目前還沒有得到任何弦論的證據,但是很多人相信它將成為終極理論的一部分。

目前我們知道,世界上一共有四種相互作用:電磁相互作用、弱相互作用,強相互作用和引力。

高能物理領域當前的權威理論是標準模型,儘管有很多不完美之處,比如不能精確計算Higss粒子的質量,不能解釋中微子的質量,不能解釋暗物質暗能量,但是它卻統一了四種相互作用中的3種,只有引力遲遲不肯歸位。在物理學家看來,只要能量足夠大,電磁相互作用、弱相互作用和強相互作用會沒有任何差別,它們將統一成一種力,所以我們要製造更大能量的加速器。

我們期待,有一天能讓引力也乖乖聽話,找到「最後的終極理論」,愛因斯坦泉下有知,會非常欣慰的。

儘管如此,化學家完全不必擔心物理學家會搶飯碗。就像前面說的,能解釋不表示能推導。在化學領域,我們仍需要各種化學理論,量子力學對複雜的化學現象是無能為力的。生物學也是如此。

END

【MarkYoung的回答(1票)】:

就和西醫看待中醫一個感覺。

【韓藍毅的回答(2票)】:

今天準備presentation的時候瞎看知乎,正好可以借用一下。物理學和化學,就好比機械語言和高級語言。用高級語言編程肯定方便又快捷,但是底層出了bug,還是要用機械語言去修改。

【jacktang的回答(0票)】:

其實我一直很好奇為什麼有絲分裂會自動發生

【TroyZhang的回答(0票)】:

方法論不同!

答主正宗物理生(求不揭穿)。對於認為物理化學必分高下的童鞋(雖然我曾經也天真爛漫過),只能說,任重而道遠啊。

首先聲明(≧?≦),化學或者物理都是自然科學的重要組成部分,因為現時還不可或缺(畢竟科學還在發展),根本沒有優劣之分。所以沒有必要像排名第一的答案那樣,看似指出物理「無能」,實則意指化學是附屬學科。化學和物理各有側重,互相涵蓋了對方並不囊括的內容。

其次,在其互相交疊部分(主要是分子原子層面,題主關心的應該也是這部分),目標大體是一致的,尋找微觀世界規律。但是,要指出的是,現代的物理和化學的指導思想,也就是方法論,卻是截然不同的。化學主要由客觀事實入手,歸納總結,尋找規律以解釋觀測到的事實;物理則更多的受某些現象啟發,假設理論,之後回到現實加以檢驗證實或證偽。猶如要打通隧道,物理和化學只不過分別從山陽和山陰兩側開始而已。

當然不否定有非常多的例外,但是大多數的「例外」,比如第一的答案所述開普勒三定律,一般都非兩學科交疊之處,而且大多是古代或近代而非現代的發現了。( ̄▽ ̄)。若僅從分子原子領域來看的話,方法論的不同還是很明顯的,儘管也許最後是殊途同歸,比如玻爾氫原子理論。(雖然現代科學已經超越該理論,但是因為較為人盡皆知,還是作為例子舉出)

作為物理生的答主樂觀地認為,這種方法論的不同,並不會使物理化學有高下之分,反而是加快了自然科學發展進程:當代隧道工程大多數兩頭開工。在分子、原子領域,物理和化學的並行研究恐怕只會讓Happy ending更早到來。(OvO)

總結結論,作為物理生,欽佩並尊重化學家們的毅力以及其成果,但並不採用化學家們的方法來做研究。(並不代表不認同,分身有術可以嘗試同時開工)

【JimSun的回答(9票)】:

化學系的表示,歸納邏輯太low了,沒法跟物理的演繹邏輯比。因為歸納幾乎不需要教也不需要鍛煉,從小就用,基本是被動技能。

但化學確實體系太複雜了,所以只有這麼辦,如果我們老是考慮本質,恐怕什麼藥物材料都出不來,所以就做實驗,碰運氣,然後把有成果的實驗重複就行了。

是不是科學不重要,研究客觀事物的都可以劃到科學裡面。但是對一個人而言,邏輯鍛煉很重要。

【EikZhang的回答(0票)】:

我大學預科時,物理化學統稱為物理。。。一本書裡面。

【孫大Q的回答(4票)】:

我室友學化學,天天問我特別弱智的偏微分怎麼算。

【謝米的回答(4票)】:

化學以這麼龐大繁雜的理論體系, 以及應用化學涉及方面的廣度, 我建議應用化學改名為

- 應用物理.

【雲天明的回答(3票)】:

想起盧瑟福先生得諾貝爾化學獎的時候,滿臉不情願,一臉的「我是個物理學家怎麼得了個化學獎」。後來說了句這樣的話:

「 科學只有物理一個學科,其他不過相當於集郵活動而已。 」

【bioXmed的回答(12票)】:

就不該有學科這種東西,人為的分離生物、化學和物理,是目前這個領域最大的毒瘤,如果一個人的物理基礎很好,他能夠更好的開展化學和生物研究,同理,如果懂得生物和化學的知識越多,就可以發現很多有意思的現象,並可以歸納出相應的物理理論,還可以通過進一步的化學實驗來驗證,相輔相成,本是一體啊。

作為過來人,真心奉勸各位不要有門戶之分,三個專業的知識都要涉獵,對科研工作幫助很大。

【朱子微的回答(4票)】:

化學比物理刷起題來更愉快

【木劍高懸的回答(1票)】:

極其有趣的有效理論。

【怕冷的扇子的回答(0票)】:

無論是演繹推理還是歸納推理,科學理論的作用都是解決實際問題。只要能與實驗數據吻合的很好的理論都是成功的。

【李鋮的回答(0票)】:

不懂也要說幾句,生物化學更像是靈魂系主攻意識很神奇,物理數學主攻物質性世界背後的抽像真理。。。。。。。

標籤:-化學 -物理學 -理論物理 -理論化學


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