第二节 化学前沿发展的途径

现代化学前沿研究导源于一系列科学问题。为了解决这些问题，化学家们利用各种方法，提出假说，建立理论，对这些假说和理论进行检验、修正和发展，从而推动现代化学向前发展。这是一条创造的阶梯。

一、解决理论与实验的矛盾

现代化学基础理论是现代化学前沿领域的支撑点，而导致它们得以建立的那些问题最初产生于传统化学理论与现代物理实验成果的矛盾之中。众所周知，近代化学基础理论以原子—分子论、元素周期律和有机分子结构学说为标志，其根本的理论前提是原子不可分和元素不可变的观念。但是，X 射线、电子、放射性等物理学的新发现表明原子有结构、元素可以变。于是， 一系列问题便接踵而来：原子的结构是怎样的？根据原子结构（尤其是原子中电子运动的规律）怎样理解元素周期律的实质、分子结构的本质和化学反应的机制？

解决化学理论与化学实验的矛盾，这是现代化学前沿中问题产生的又一种途径。福井谦一提出前线轨道理论的起点就是发现了有机电子理论与芳香族碳氢化合物反应实验事实的矛盾。根据有机电子理论，分子中电子密度大的区域易与亲电试剂发生反应，电子密度小的区域与亲核试剂发生反应。但实验表明，像萘那样的芳香族碳氢化合物与亲电或亲核试剂均能在同样区域发生反应。如何解释这个矛盾？终于，福井谦一用量子力学的“轨道”概念， 取代了经典的“电子密度”概念，提出了“前线轨道理论”。

二、处理理论自身潜在的逻辑困难

化学前沿发展中还有一些问题是由化学理论自身潜在的逻辑困难引起的。可以说“悖论”常是新观点的生长点。例如，在描述分子现象方面，现代量子化学理论已取得令人瞩目的成功，但它是否就能成为化学的基础，迄今为止还是一个值得思索与探讨的问题。因为它是一个不完备的理论，是以量子力学的哥本哈根解释为基础的。哥本哈根解释是以经典描述水平为前提，假定在被观察的微观系统和宏观测量设备之间有一种不可还原的二象性。显然，这在讨论化学问题时，并不是一个好的或理想的出发点。而实际上，完全相同的客体在本质上同时涉及到量子性质和经典性质，是每种化学系统和分子生物系统的特征。生物分子及其稳定性、光化性质以及一级、二级和三级结构，就是一个范例。而传统量子化学并不具备讨论分子物质经典性质的能力。这是量子化学理论自身潜在的一个逻辑困难。

瑞士学者普赖麦（Hans Primas）由此提出了十个当前理论化学中悬而未决的问题。问题 1：孤立的量子系统的确存在吗？问题 2：泡利原理是一个普适的、不可违背的自然事实吗？问题 3：量子力学适用于大分子系统吗？ 问题 4：叠加原理是普遍有效的吗？问题 5：为什么那么多的定态不存在？问题 6：宏观物体为什么被束缚？问题 7：为什么量子力学用于解释化学自组织

（chemical systematics）时失效？问题 8：为什么近似解比精确解要好？ 问题 9：玻恩-奥本海默图景为什么会如此成功？问题 10：温度是可观察的吗？可以期望，对这些问题的思索会促进量子化学理论的完备和理论化学的发展。在这里，关键在于需要新观点，而不是致力于阐释和改良旧理论。

三、寻求多种科学理论的统一

寻求对实验解释的统一性，各化学理论的统一性以至同其它学科理论的

统一性，是解决现代化学前沿领域问题的又一途径。在电化学中，离子的水化数可通过各种实验方法来测定，然而采用的方法不同，则所得的数值大相径庭。如何对这些令人迷惑的实验事实作出统一的解释呢？这个问题引导着化学家们努力提出一种统一的离子水化壳层结构模型。例如，美国电化学家博克瑞斯（Bockris）提出了这样一个模型：紧挨离子近旁的初级水化层由按离子电场取向排布的水分子组成，这些水分子丧失了平动自由度；往外是由受到破坏的水分子组成的次级水化层，它们保持自己的独立运动，而不参与中心离子的运动；再往外则是具有正常结构的水。这一模型虽然尚未得到普遍认可，但它又引出了一系列重要问题。如：初级和次级水化层之间有无确定的界面？怎样确定实测水化数是初级或次级水化数？这两种水化数如何随离子所处环境的变化而变化？怎样设计一种实验来测定初级水化数而不受次级水化层影响等。

对化学理论统一性的追求还可举出有机量子化学为例。在此领域，目前主要有三大理论：前线轨道理论、能级相关理论、芳香过渡理论。这三种理论在阐述协同反应历程时所得结论基本一致，均符合分子轨道对称守恒原理。既然如此，三者有何内在联系呢？也就是说，它们能统一吗？我国化学家唐敖庆 1975 年发表的重要论文“分子轨道对称守恒原理的新发展”就是关于这个问题的研究成果。

在这里，有一点值得注意，那就是当我们寻求化学理论的统一性时应避免用牛顿方式去理解问题，即用量子力学方程取代牛顿运动方程，结果只不过是牛顿物理学的一元论换上了由薛定谔方程所支配的新的一元论，从而导致不切实际地继续追寻一种客观的单一参照框架。这种框架企图从某种统一的基本原理中（至少在原则上）推导出一切化学现象。应该看到，如今考察化学现象的经典方式不再是绝对可靠的，化学主题也已经改观了。我们不应片面地或用单一模式去追求化学理论的统一，而应该允许化学理论多元的存在与探索，否则会适得其反。

化学与其它学科的内在联系是什么？现代化学前沿十分重视对此问题的研究。这种研究集中表现在：化学与物理学是统一的吗？化学与生物学是统一的吗？许多学者对此持肯定态度，认为化学热力学、化学动力学、化学统计力学和化学量子力学（量子化学）四大理论化学分支表明了化学和物理学在理论上的统一；也有人认为基本粒子化学、色化学等表现了化学和物理学在研究对象上的统一。同样，有人认为对生命起源、生命本质和生物进化的化学研究也表明了化学与生物学的统一性。我国学者（如金松寿）甚至将反馈概念及一系列控制论观念引入化学研究，寻求化学与控制论的统一，并建立起崭新的控制论化学。我们赞同这样一种见解：当今理论化学最重要的任务就是推进化学各部门间，以及化学与相邻学科间的相互理解与沟通。因为化学作为一门科学，其生命力是以其各部门的联系为条件的。各个独立部门的进步，使化学高度分化以至陷入支离破碎状态。这种状态使高度抽象的简洁、统一和预见能力成为必要。而要将这种必要转化为现实，离开与相邻学科（主要是物理学和生物学）的联系与渗透是不可能的。

四、运用假说做出试探性解答

现代化学发展及其前沿领域中科学问题产生的途径及形式是多元化的， 不存在单一的途径及模式。面对如此丰富的化学问题，我们需要的是创造性探索，而不仅仅是批判式的继承。科学问题的提出是科学研究的开始，科学

研究的进一步深化，需要对科学问题作出试探性解答——这就是假说。它是创造性探索的一个重要阶梯。如恩格斯所指出的那样：“只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说。”现代化学的发展形式也不例外。它们的发展形式就是化学假说。任何科学假说都有两块基石：事实和理论。试以化学振荡研究为例，其实验事实主要是一些均相溶液中的振荡现象，普里戈金

（Prigogine）提出了化学振荡是一种“耗散结构”的假说。他既离不开已有的实验事实，也离不开不可逆过程热力学、化学反应动力学和量子化学的一些理论。化学振荡研究面临的一个迫切课题是根据已知实验事实，以热力学、动力学及量子化学的普遍原理为指导，设计出新的化学振荡系统。1981 年， 爱泼斯坦（Epstain）等设计出了亚砷酸盐—亚氯酸盐—碘酸盐均相系统，在无表型流动的情况下，可从碘灵敏电极氧化还原电位值或淀粉-三碘代物络合物吸收值上观察到周期性的振荡现象。他们还根据自己的研究经验，提出在设计新的化学振荡系统时必须遵循以下三条方法论规则：（1）必须维持化学系统处于远离平衡的状态；（2）必须有自催化步骤和复杂的反馈效应；（3） 必须与物理学定律和物理化学原理相容。最后一条规则明显地体现出现代化学前沿研究的一个特点：提出假说所依赖的理论基石在很大程度上具有“物理化”的性质。其实，作为假说的另一块基石的实验事实的获得往往也必须借助物理学提供的实验技术。这就涉及到物理学的概念、原理和方法向化学移植的方法论问题。

五、通过移植促进化学前沿发展

物理学概念向化学移植主要有两种形式：直接移植和衍生移植。在量子化学中，量子化、波粒二象性，波函数、轨道等基本概念就是取自量子力学的直接移植之例。福井谦一用于取代“电子密度”的“轨道”概念也是直接从量子力学中移植来的。他认为轨道概念体现出对电子密度进行分割和组合的方法论特点，符合自然科学一般方法发展的方向。他指出：“近代自然科学一般是先把假设中的模型细而又细地分割开来，然后再把它们组合起来， 再现模型，用这种方法加深对模型的见解。”当他根据化学反应的实验事实进一步提出“前线轨道”假设时，一个衍生移植型的概念便诞生了。该假设既有可靠的实验事实作基础，又有坚实的量子力学理论为依据，因而较快得到普遍认可，并迅速发展成较为成熟的前线轨道理论。概念的衍生移植必须具备两个基本条件：一是化学领域的问题背景，二是物理学提供的概念基础

（这种概念往往是移植的结果，如“轨道”之于“前线轨道”和“杂化轨道”）。概念是原理的表述工具，因而概念的移植从一个侧面反映了原理的移

植。例如薛定谔方程、波的叠加原理、测不准关系等量子力学的原理就随着量子化、波函数、波粒二象性、轨道等概念的移植而成为量子化学的基本原理。这些基本原理为量子化学提供了理论框架，使量子化学的理论研究呈现出数学推演的形式化特征。同时，考虑到化学对象的特殊性，量子化学家们力图避免繁杂的数学计算，而采用各种近似的模型方法。量子化学基础研究中注重量子力学原理与化学实际相结合的方法论特点不仅使化学键理论、多体理论、计算方法的理论等量子化学基础领域不断取得进展，而且促使其应用领域也展现出广阔的前景。主要表现在合成具有指定性能的超导体、染料、炸药、催化剂、药物等材料的研究中；表现在光谱、波谱、能谱等各种谱图的分析上；表现在对化学反应微观机理的研究及对反应路线的设计和预测上。

除量子化学外，在其它理论化学学科（化学热力学、化学动力学、化学统计力学）中，也不同程度地表现出上述特点。与此相应，现代化学也呈现出一些新的特点：（1）作为对传统化学经验性的改造，现代化学的理论性得到加强。化学热力学和量子化学是具有公理化特征的演绎体系，这是传统化学所没有的。（2）物理学定量性和形式化语言的移植使化学从描述向推理、从定性向定量的过渡趋势得到加强。在理论化学中，状态函数的推演及定量参数的处理往往起着举足轻重的作用。（3）从研究对象看，化学研究的微观化趋势得到加强。这在很大程度上要归因于物理技术手段向化学的移植。长期以来，在反应动力学研究中，只能观测到化学反应作为浓度函数的总速率， 而不能确定其微观速率，更不能直接获取有关化学键断裂和形成过程的信息。如今，分子束技术和激光技术的引入及联用，使人们能在原子、分子层次上观察化学反应，直接获取微观信息。

在现代化学前沿，既有演绎式的研究，同时也有归纳式的研究，物理实验技术的引入主要为化学研究提供了对物质结构进行归纳式研究的手段。依靠物理学中的原子光谱、分子光谱、质谱、能谱、X 射线衍射等手段测量物质内部原子排列、电子运动等的表征数据，归纳出一般性的结论。

尽管生物学向化学移植在广度和深度上都比不上物理学向化学的移植， 但其“整体”概念对化学反应体系的研究颇有启迪。模拟酶催化极大地促进了催化理论和化学键理论的发展，化学模拟生物固氮就是一个范例。通过对蛋白质、核酸等生命运动基础物质的研究而得到的规律，有助于我们对高分子物质化学运动规律的认识。