化學的終極問題是什麼？

題圖來自Nature,2015,528, 327, 繪製者 David Parkins

作為一位化學專業博士生，筆者常常聽到身邊有人提到這個觀點：化學沒有 「終極問題」，甚至有人以此為據否定化學的一級學科地位。物理學的終極問題是 「How did He create the world」，生物學的終極問題是 「How did He create us」，那麼化學呢？與其他自然科學相比，可能化學的終極問題確實並不那麼人盡皆知。但如果化學家自己都覺得化學沒有終極問題，這就有些尷尬了。事實上，化學的終極問題應當是通過對分子層面的操縱創造新物質，如果用類似於物理和生物的句式來表達的話，那就是 「How to create the world as Him」。

化學史的主題是創造新物質

化學的歷史，有別於認識世界的天文、地理、生物和理解世界的物理，其主題是創造新物質。歷史學的常識告訴我們，對金屬的發現、使用和冶煉是文明斷代的標誌，石器時代、青銅時代和鐵器時代是人類文明發展的標準分期，而其中核心科技——冶金無疑是化學問題，青銅與鋼鐵都是人類創造的新材料，其中孕育了早期的化學知識。除了冶金之外，釀酒和發酵工藝是原始的食品化學工藝，藥物發現和提純工藝是早期藥物化學，這些都是各文明共有的化學萌芽。

2015 年江西南昌海昏侯墓出土的青銅蒸煮器（約公元前 60 年）。本器是該墓中體型最大的青銅器，具有複雜的內外雙層結構和類似蒸餾頭的部件（圖中右上角），被發現時其中尚有芋頭和栗子等澱粉類食物殘餘。專家猜測其可能是早期發酵與蒸餾酒的器具，這將把蒸餾酒的歷史提前一千年。也有人提出可能是一種水鍾。無論如何，這件複雜精巧的青銅器本身就說明了冶金技術的發達。照片攝於首都博物館。

中世紀的鍊金術尤其體現了化學的創造新物質特點，以至於其名稱Alchemistry成為現代化學一詞Chemistry的來源。科學革命以後，化學成為一門科學，其中一個不可割裂的貢獻來自於鍊金術的研究範式。鍊金術將經驗事實與客觀規律結合起來，超越了冶金、食品、藥物等領域純技術的限制，試圖從實驗事實中發現某種客觀規律，並以之指導新的實踐。鍊金術士們追求的、能夠點鐵成金的 「哲人石」（Philosopher"s stone，拉丁文作lapis philosophorum） 固然是不經之談，但他們在煉製哲人石的過程中使用的思維範式構成了化學科學的部分基礎。他們提出的一些基本概念，例如元素、酸鹼、溶劑，仍在化學領域中使用，甚至他們總結的某些規律（例如 「相似相溶」，拉丁文作Similia similibus solvuntur）仍具有一定現實意義。將化學稱為現代 「鍊金術」，不是完全沒有道理的。

近代以來，合成與創造新物質更是化學發展的主線。氧氣的製備（1774，J. Priestley）為推翻燃素說奠定了基礎。尿素的合成（1828，F. W?hler）開創了有機化學。進入現代以來，合成化學在無機、有機、催化、高分子和超分子等領域得到了蓬勃發展，其產物在現代社會的各方面獲得廣泛應用。徐光憲院士曾經在長文《21 世紀是信息科學、合成化學和生命科學共同繁榮的世紀》中有過詳細的論述：

報刊上常說 20 世紀發明了六大技術：(1)信息技術；(2)生物技術；(3)核科學和核武器技術；(4)航空航天和導彈技術；(5)激光技術；(6)納米技術。但卻很少有人提到包括合成氨、合成尿素、合成抗生素、新藥物、新材料和高分子的化學合成（包括分離）技術。

上述六大技術如果缺少一二個，人類照樣能夠生存。但如果沒有 Haber 在 1909 年發明的用鐵作催化劑的高壓合成氨技術，世界糧食產量至少要減半，60 億人口有 30 億要餓死。……

如果沒有合成各種抗生素和大量新藥物的技術，人類不能控制傳染病，無法緩解心腦血管病，平均壽命就要縮短 25 年。如果沒有合成纖維、合成塑料、合成橡膠的技術，人類生活要受到很大影響。信息技術的核心是集成電路晶元，這是化學合成硅單晶片上經過光刻生產的，計算機的存儲器材料也是化學合成的，其它部件用了大量合成高分子材料。又如核電站的關鍵是核燃料，而核燃料鈾、鈈等的生產和後處理、廢水處理等都是化學工業。激光、航空、航天、導彈和納米等技術無不需要化學合成的高新材料。所以如果沒有化學合成技術，上述六大技術根本無法實現。這些都是無可爭辯的事實。

——化學通報，2003，66(1)，3-11

化學理論與實驗的關係

作為一門科學，只有經驗和技術是不夠的。化學的主題是創造新物質，並不是說化學不需要理論，而是在創造新物質的過程中理解、豐富和更新理論，並用理論指導創造新物質的過程。這裡的理論指的是對於化學領域的實踐有指導意義的科學原理，並不完全等價於所謂 「理論化學」。基於物理和數學方法的計算化學本質上是一種數值實驗，它與化學理論還有不同。

真正的化學理論不能完全還原為更低層次上的物理（例如量子力學），這是由複雜系統的特點決定的。從某種意義上說，化學理論可以是看作粗粒化的物理理論。現代化學研究的分子以及超分子體系固然在量子力學討論的範疇之內，但並不是量子力學原理的簡單應用，其原因是分子組成、結構、構型、構象的複雜性使得原子的量子性質被分子整體的性質 「遮蔽」 了，而分子的量子性質，特別是大分子和超分子，現在還難以得到可靠的從頭計算結果。這並不是說分子的結構與運動沒有規律，但這種規律是在底層原子組合的基礎上湧現出來的規律，可以脫離量子力學的語言獨立存在，這就是 「粗粒化」 的物理理論的含義。

化學鍵理論是上述 「粗粒化」 理論的一個很好例子。早期化學家並沒有量子力學的指導，但他們已經獨立得出了化合價（1803，J. J. Berzelius）、分子立體結構（1848，L. Pasteur；1874，van"t Hoff）、共價鍵與八隅體（1916，G. N. Lewis）等概念和理論。在量子力學的發展推動下，二十世紀的化學家深入了解了共價鍵的本質。但這並不意味著化學家從此就一定要使用物理語言描述化學行為，事實上這也被證明是繁瑣而困難的。化學家採用自己的理論和語言，例如雜化、共軛、前線軌道等方式解釋和預測化學鍵的行為。這些理論之所以能夠成立，根本原因是量子化學的細節在分子層面上可以被忽略，而新的規律自然湧現出來。

氫分子的分子軌道圖形和能量關係。化學家使用 H—H 表示這根共價鍵，這並不妨礙化學家對共價鍵、對氫原子化學性質有更深入的理解。

上面的討論並不是證明化學理論可以離開物理而發展，而是說明化學理論的發展需經過一個 「歸納—演繹—再歸納」 的歷程。在化學領域中也存在其它許多經驗理論，它們來自化學經驗的總結，在特定情形下具有一定指導意義。這並不意味著我們要滿足於此，而是要通過努力建立其與物理本質的關係，之後再行抽象，才能真正認識這些規律。這方面一個著名的例子是軟硬酸鹼理論（Hard-Soft-Acid-Base theory），1963 年 R. G. Pearson 最初提出 HSAB 理論時（JACS，1963，85，3533），它是一個純粹經驗的規律。1968 年，G. Klopman 提出了解釋 HSAB 理論的量子力學模型（JACS，1968，90，223），在此基礎上，1983 年 Pearson 從分子能量與電子數的關係角度定義了嚴格的化學硬度（JACS，1983，105，7512），得到了 HSAB 序列的最佳解釋。今天，HSAB 理論已經不再是一個經驗規律，而是有嚴格量子化學基礎的可靠理論，並衍生出最大硬度原理等化學理論。

HSAB 理論的發展歷程

化學理論與實驗的關係是交相促進的。理論指導實驗的例子很多，而實驗也能有助於理論。化學家研究化學理論的獨特方法是合成新物質。在有機化學發展的早期，確定未知物質結構的方法之一就是採用已知化學過程和立體化學的路徑將該未知物質合成出來，開創了今天的全合成（Total Synthesis）學科。二十世紀中期，圍繞碳正離子經典與非經典展開了長期爭議，問題的解決是靠 G. A. Olah 等人用超強酸在低溫下得到降冰片正離子的方法，2013 年的Science上報道的合成出低溫非經典碳正離子[C7H11]+Al2Br7]?，並得到了它的晶體結構（Science, 2013,341, 62），為這一問題划上了句號。

如果將化學理論與實驗的發展比作 「摸著石頭過河」 的話，那麼石頭是理論，河就是創造新物質的實驗。大部分時間裡理論與實驗的發展程度不相符合，化學的發展靠兩條腿走路：有時候理論走在前頭，要靠實驗驗證；有時候實驗走在前頭，要靠理論配合。沒有摸清楚河裡的石頭就過了河，下次再過的時候就不好辦。光顧著摸石頭而忘了過河，又會失去了化學創造新物質的本意。化學理論與實驗的關係應當是互相支持、互相進步的。

創造新物質的導向

前面已經說明，只要涉及分子層面的操縱而創造新物質的研究都是化學。如果我們不囿於傳統學科分類，那麼實際上有大量的科學領域都是化學，例如合成生物學、一部分凝聚態物理學、材料和納米科學的很多部分等。更廣義一點，創造新物質、創造有利於 「創造新物質」 的物質以及創造 「創造新物質」 的方法，或者說對合成、合成方法和合成條件的研究都應當屬於是化學。

什麼樣的合成研究才是好的化學？當然從最直接的角度來看，合成的物質是新物質的才是化學，否則就是技術與工程。那麼，新物質一定要是從未有過的物質嗎？不一定。如果從統計力學角度做一極端思考，任何物質組成都可能在宇宙中漲落出來過，例如為人熟知的 Boltzmann 大腦。化學家要合成的新物質或探索的新方法是改變物質在現實世界中的布居，讓我們想要的時候它就有，想不要的時候它就沒有。當然後者更難。前者的具體表現是各種合成化學工業，而後者的一個現實應用是環境污染的治理。

新物質一定要有用嗎？2015 年，P. Ball 在Nature上發表的Why Synthesize一文（Nature, 2015,528, 327）中討論了這個問題。首先，有必要釐清一下什麼是 「有用」。具有現實的社會經濟效益是有用，具有驗證理論或挑戰理論的意義也是有用。有用的創造自然重要，但沒用的也不是不重要。如果有趣，也是值得嘗試的。「有趣」 與 「有用」 是兩個不同的概念，不應當也沒有必要用未來可能有用來為現實的有趣尋找意義，可能有的東西就是只有有趣的意義。有趣反映了化學家的審美取向和智力高度，就像新奇的建築設計一樣，有趣本身就有意義。

具有空間拓撲手性的三葉結（Trefoil knot）分子（Angew.Chem. Int. Ed.1989,28, 189），一個有趣而沒有明顯現實意義的化學合成實例。

談到建築，那麼建築是不是化學？答案當然不是，因為建築雖然也是創造新物體，但沒有分子層面的變化。然而諸如納米粒子合成、超分子組裝等化學家研究的過程也可能沒有分子的變化，它們是化學研究嗎？答案應當是肯定的，因為納米粒子的合成和超分子的組裝本身需要從分子層面予以操縱。那麼一個自然的問題是，會不會出現不需要分子層面的操縱、又能 「合成」 出某種新物質的學科？當然有可能，比方說納米粒子之間的組裝可能就會有這樣的效果，但目前實踐似乎證明，其自組裝仍然與分子層面的調控有關（Adv. Mater.2013,25, 4829）。這裡化學規律的 「湮滅」 和更高層次上規律的湧現一如量子化學規律在原子和分子層面上的演化。如果新物質的尺度已經大到分子層面的調控失去意義，那麼這正是將分子 「粗粒化」 的結果。其結果有可能進入的是宏觀領域，也有可能進入的是其他未知領域，它們都會有適用於自身的規律。我們不將其稱為化學，因為化學規律已經不再適用，但它們仍然可以是創造新物體的科學。

面向創造新物質目標的化學研究與教育

化學科研的模式是近兩個世紀之前 J. vonLiebig 創造的。學徒-導師制符合當時的化學發展需求，但過去化學家依靠經驗和天才單槍匹馬創造新分子的時代已經落幕，今天的化學界面臨許多挑戰：

絕大多數一線化學研究人員是碩士生或博士生，導師很少親自參與，而這些研究生畢業又大量不再從事研究工作，而是進入技術領域工作，實際上造成了學術研究訓練的無意義：既沒有顯著提升化學學科研究的人員素質（要麼不再繼續研究，繼續研究的也很少自己親自從事研究），也沒有提升研究生自己的職業競爭力。

研究者集中在高校和研究所，研究內容常常脫離實際需要，而需要化學研究的企業和市場反而沒有足夠科研實力進行研究，在發展中國家尤甚，而恰恰是這些地方的企業需要深入開展化學研究。

學術交流方式仍然是傳統的期刊、會議等，評價標準單一，存在潛在風險。同行評議制度在化學領域可能導致匿名剽竊或抄襲，不正當競爭尤其常見。期刊論文的質量也因此存在隱憂。

跨領域、跨學科的學術合作日益增多，這不只是化學家們相互合作主觀行為，而常常是所研究課題的客觀要求。隨著專業知識的爆炸，具有專門知識的人才越來越多，而具有綜合知識的人才越來越少。

DE Shaw Research 在紐約市中心的工作地點。圖片來自其招聘廣告。

在學術出版和交流方面，數學和物理領域很早就普及了預印本方式（arvix.org），最近由冷泉港實驗室主導的生物預印本 BioRvix 也得到了快速發展（biorvix.org）。但化學領域的預印本交流模式始終沒有建立起來。類似預印本的在線學術交流方式將學術發明和發現的率先公布到學術共同體中，應當有利於提高交流效率，減少不當競爭，同時提高審稿可靠性。此外，搭建其它在線信息交流平台，也是跨學科交流和合作的重要方式。例如 2015 年，為了解決化學生物學研究中抑制劑和探針分子的文獻數據質量問題，數十位化學生物學家聯合倡議（Nature Chem. Biol.2015,11, 536）建立交流網站 Chemical Probes （http://www.chemicalprobes.org/），以提供可靠規範的數據來源。

二十世紀後半葉的化學理論和實驗都有很大發展，但化學專業高等教育的內容還沒有完全體現這些發展。例如前文所屬的軟硬酸鹼 HSAB 理論，至今還有大量化學工作者認為這是一個經驗規律，以至於被作為化學缺乏嚴格理論的反面例證。在基礎教育中值得全面整理現有理論，重新審視各部分的物理意義和化學意義，改變重科研輕基礎的風氣，對學生的發展和綜合素質的養成應當是長遠有利的。

結 語

「哲學家們只是用不同的方式解釋世界，而問題在於改變世界。」（K. Marx語）化學作為自然科學的一個重要組成部分，其核心技術和終極問題就是創造新物質，過去化學發展的歷程說明了這一主題的持久性，未來化學自身的發展、化學研究模式的轉變也應當圍繞著這個主題展開。化學的終極問題不會有確定的答案：因為新物質永無止境，化學的未來永不停歇。

物理學家通過認識世界來成為造物主，

化學家通過成為造物主來認識世界。

請您繼續閱讀更多來自 馬後炮化工 的精彩文章:

※企鵝娘吐槽：哲♂學問題！成為偽娘的終極目的是什麼？
※活著為了什麼？這是一個終極問題
※是什麼讓你變胖的？終極答案！
※終極問題！東西是什麼？
※性與愛，女人的終極選擇究竟是什麼？
※終極問題：一切都是怎麼來的？怎麼科學地回答？你相信無中生有嗎
※樊和平：「我們」的世界缺什麼？人類文明的終極問題到底是什麼？
※一個終極問題：什麼才是愛情最好的歸宿？
※鼻整形的終極境界是什麼？
※到底什麼是娛樂？終極的疑問
※這部尺度堪比AV的作品，卻在追問「我是誰」這個終極哲學命題
※跑步終極意義是什麼？
※如果不能尋找終極理論，物理學還有什麼意義？
※素食的終極目標是？
※養狗的終極用途是什麼？背鍋！
※女人成功的最大終極目標是什麼？
※一線藝人化妝台終極曝光，我想問，為什麼它這麼火？
※為什麼我們發展物理學終極理論？
※真的是所有男人的終極幻想嗎？