前段吃飯時(shí)，有同事拋出一個(gè)問題：什么是化學(xué)？

細(xì)想來，這確實(shí)是一個(gè)不太好回答的問題。

很多人認(rèn)為化學(xué)只是“試管和燒杯”的科學(xué)，但實(shí)際上，它是一門關(guān)于“變化”的哲學(xué)。從這個(gè)角度來說，中文的“化學(xué)”二字的確很好的體現(xiàn)了它的精髓。

但這里所謂“變化的哲學(xué)”該如何理解呢？

1

什么是化學(xué)？

若用一句話來定義化學(xué)，那么它就是——研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化規(guī)律的科學(xué)。

但這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義看起來太教科書式了！能否在通俗定義的同時(shí)，厘清化學(xué)和物理以及生物的區(qū)別呢？

當(dāng)然沒問題！

通俗地說，如果說物理學(xué)研究的是宇宙的游戲規(guī)則（力、能量、時(shí)空），生物學(xué)研究的是游戲里的高級(jí)玩家（生命體），那么化學(xué)研究的是如何用樂高積木（原子）搭出整個(gè)世界，以及這些積木如何重新排列組合。

化學(xué)（Chemistry）這個(gè)詞，據(jù)考究，很可能源自古埃及語“Khem”（黑土），它的意思是指尼羅河畔肥沃的土壤，象征著生命的孕育和物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。

化學(xué)的原型是煉金術(shù)（Alchemy）。古代的各國的貴族、方士和術(shù)士們一般都?jí)粝胫鴮?shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)：長生不老和點(diǎn)石成金。

所以，他們就紛紛投身曠日持久的煉仙丹和熬黃金活動(dòng)中，就像《百年孤獨(dú)》中的梅爾基亞德斯那樣，當(dāng)然還包括大神牛頓——他一生中大部分時(shí)間都在搞煉金術(shù)。

雖然他們所做的事普遍都帶有巫術(shù)和迷信色彩，甚至很多都是荒誕不經(jīng)的，但在漫長的搗鼓過程中，他們逐漸掌握了蒸餾、結(jié)晶、升華等核心技術(shù)。他們是人類文明史上最早試圖“改變物質(zhì)身份”的人。

隨著人類文明進(jìn)入17-18世紀(jì)，化學(xué)開始逐漸擺脫煉金術(shù)的巫術(shù)色彩。這個(gè)過程中，有四位重要人物起了重要的推動(dòng)作用。

羅伯特·波義耳

第一位是羅伯特·波義耳（Robert Boyle，1627~1691），英國物理學(xué)家和化學(xué)家，近代化學(xué)的奠基人。他提出“元素”的概念，打破了“地火水風(fēng)”的四元素說。

安托萬-洛朗·德·拉瓦錫

第二位是安托萬-洛朗·德·拉瓦錫（Antoine-Laurent de Lavoisier，1743~1794），法國化學(xué)家，被后世尊稱為“近代化學(xué)之父”。他開始使用天平定量研究，提出了“質(zhì)量守恒定律”。他告訴世界：物質(zhì)不會(huì)憑空消失，只會(huì)換個(gè)形式存在。這標(biāo)志著近代化學(xué)的誕生。

約翰·道爾頓

第三位是約翰·道爾頓（John Dalton，1766~1844），英國化學(xué)家。他提出物質(zhì)是由微小的、不可分割的原子組成的，化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)上是原子的重新排列組合。道爾頓將“原子”從哲學(xué)猜想變成了科學(xué)模型，讓化學(xué)家第一次能在腦海中構(gòu)建微觀世界的圖像。

德米特里·門捷列夫

第四位是德米特里·門捷列夫（Dmitri Mendeleev，1834~1907），俄國化學(xué)家，他繪制了化學(xué)的“藏寶圖”——元素周期表。從此，化學(xué)家有了預(yù)測未知的指南針。

2

化學(xué)、物理和生物

很多人會(huì)感到困惑：既然世界萬物都是原子組成的，那化學(xué)、物理和生物到底該如何區(qū)分呢？

首先來看化學(xué)和物理，簡單地說，它們研究的尺度與焦點(diǎn)的不同。

物理（Physics）喜歡走兩個(gè)極端。要么研究極大的（宇宙、黑洞），要么研究極小的（夸克、膠子、量子場論）。物理學(xué)家關(guān)心“力”和“原理”。

化學(xué)（Chemistry）關(guān)注的是中間層——分子和原子層面。化學(xué)家不關(guān)心夸克是什么顏色的，他們關(guān)心的是：當(dāng)電子在兩個(gè)原子之間共享或轉(zhuǎn)移時(shí)，會(huì)發(fā)生什么？

打個(gè)比方，物理學(xué)研究這一記重拳的力學(xué)原理（F=ma）和肌肉纖維的彈性；而化學(xué)研究為什么兩個(gè)人見面會(huì)從“陌生人”變成“朋友”——化學(xué)鍵的形成，或者為什么點(diǎn)火后汽油會(huì)爆炸——化學(xué)反應(yīng)。

它們的核心區(qū)別在于， 化學(xué)的核心是電子的互動(dòng)（化學(xué)鍵），而物理涵蓋了從原子核內(nèi)部到宇宙邊緣的所有相互作用。

再看化學(xué)和生物，簡單的說，它們是硬件與軟件的區(qū)別。

生物學(xué)是軟件，關(guān)注生命現(xiàn)象（遺傳、演化、生態(tài)）；而化學(xué)則是硬件，它是生物學(xué)的“底層語言”。

它們的結(jié)合體——生物化學(xué)（Biochemistry）則告訴我們，DNA不是神秘的生命螺旋，而是一堆碳、氫、氧、氮、磷原子按照特定化學(xué)鍵連接起來的大分子。

3

為什么“核變化”屬于化學(xué)？

按照現(xiàn)代定義，化學(xué)反應(yīng)只涉及核外電子的重排，原子核是不變的。一旦原子核變了（比如鈾變成了釷），這就是核物理范疇。

那為什么會(huì)有“核化學(xué)”？為什么盧瑟福拿了化學(xué)獎(jiǎng)？

這需要回到20世紀(jì)初，那個(gè)科學(xué)分類尚未定型的“混沌年代”。

在19世紀(jì)末20世紀(jì)初，判斷一個(gè)科學(xué)家是物理學(xué)家還是化學(xué)家，主要看他在干什么。

如果你在測定重力、光速、電磁波，你是物理學(xué)家。如果你在提煉新物質(zhì)、分離沉淀、測定原子量，你就是化學(xué)家。

在當(dāng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)新元素（Element）被公認(rèn)為是化學(xué)的最高榮耀。

瑪麗·居里

當(dāng)放射性被發(fā)現(xiàn)時(shí)，居里夫人（Marie Curie）、盧瑟福（Ernest Rutherford） 等人面對(duì)的是未知的放射性礦物。為了搞清楚里面是什么，他們必須使用化學(xué)方法（溶解、過濾、沉淀、結(jié)晶）來分離物質(zhì)。

歐內(nèi)斯特·盧瑟福

盧瑟福被譽(yù)為“核物理之父”。他提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型，是個(gè)徹頭徹尾的硬核物理學(xué)家。他甚至說過一句名言：“科學(xué)只有物理一個(gè)學(xué)科，其他不過是集郵�！保ㄒ庵钙渌麑W(xué)科只是在收集現(xiàn)象，不如物理觸及本質(zhì)）。

然而，1908年，瑞典皇家科學(xué)院決定給他頒發(fā)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

理由是： 他證明了放射性是元素的蛻變（Transmutation）。 在當(dāng)時(shí)的人看來，把一種元素變成另一種元素，這實(shí)現(xiàn)了千百年來煉金術(shù)士（Alchemist）的夢想！既然涉及到了“元素身份的改變”，評(píng)委會(huì)認(rèn)為這理所當(dāng)然是化學(xué)的范疇。

盧瑟福在領(lǐng)獎(jiǎng)致辭時(shí)幽默地說：“我處理過許多不同的變化，但在這一瞬間，從物理學(xué)家變成化學(xué)家，是我一生中經(jīng)歷過的最絕妙的變化”。

到了1938年，奧托·哈恩（Otto Hahn）發(fā)現(xiàn)了核裂變。這是一個(gè)純粹的原子核崩解過程（物理過程）。但他為什么拿的是1944年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)？

奧托·哈恩

因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)的過程是純化學(xué)的。 當(dāng)時(shí)物理學(xué)家（包括玻爾等大咖）都認(rèn)為用中子轟擊鈾，只能得到比鈾更重的元素（超鈾元素）。但哈恩和他的助手斯特拉斯曼在產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)了鋇（Barium）。

鋇的原子量只有鈾的一半左右。哈恩作為頂尖的放射化學(xué)家，用精湛的化學(xué)分析技術(shù)，無可辯駁地證明了那個(gè)產(chǎn)物就是鋇。這意味著原子核被“劈開”了。

這背后的邏輯是：物理學(xué)家提出了理論限制，而化學(xué)家通過對(duì)物質(zhì)的定性分析，推翻了物理理論，發(fā)現(xiàn)了新現(xiàn)象。因?yàn)槭菍?duì)“物質(zhì)組成”的鑒定做出的貢獻(xiàn)，所以頒發(fā)了化學(xué)獎(jiǎng)。

4

核化學(xué)與放射化學(xué)

眾所周知，原子核歸物理管，這導(dǎo)致了一個(gè)重要學(xué)科——核物理（Nuclear Physics），但為什么還有核化學(xué)（Nuclear Chemistry）和放射化學(xué)（Radiochemistry）學(xué)科呢？

這是因?yàn)槲锢砗突瘜W(xué)關(guān)注的側(cè)重點(diǎn)不同！

核物理關(guān)注的主要問題是，原子核內(nèi)部的力（強(qiáng)相互作用、弱相互作用）、基本粒子（夸克、中微子）和能量的來源等等。

而核化學(xué)關(guān)注的問題主要有以下幾個(gè)方面。

第一，元素的演化：恒星是如何像煉丹爐一樣合成重元素的？

第二，同位素的化學(xué)性質(zhì)：比碳-14和普通碳在化學(xué)反應(yīng)中幾乎一樣，但我們可以利用它的放射性來做“標(biāo)記”，追蹤藥物在人體內(nèi)是如何代謝的。

第三，分離與提純：核電站燒完的核廢料怎么處理？如何從一堆放射性湯汁里把有用的钚提取出來？這需要極其復(fù)雜的化學(xué)萃取工藝。

第四，合成新元素：周期表末尾那些只有幾毫秒壽命的人造元素，雖然是物理轟擊產(chǎn)生的，但鑒定它們是否存在、放在周期表哪個(gè)位置，依然是化學(xué)的邏輯。

5

量子化學(xué)與計(jì)算化學(xué)

隨著量子力學(xué)和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代科學(xué)進(jìn)入了一個(gè)新階段，出現(xiàn)了量子力學(xué)、計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)相結(jié)合的學(xué)科。

在化學(xué)中，主要是量子化學(xué)（quantum chemistry）和計(jì)算化學(xué)（omputational chemistry），前者是利用量子力學(xué)原理從微觀層面研究原子和分子的電子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵本質(zhì)及光譜特性的基礎(chǔ)學(xué)科。而后者則是將這些量子力學(xué)或經(jīng)典力學(xué)理論轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)算法，通過數(shù)值模擬來預(yù)測分子的穩(wěn)定性、反應(yīng)路徑及化學(xué)性質(zhì)的應(yīng)用學(xué)科。

在物理中，典型的就是計(jì)算凝聚態(tài)物理（condensed matter physics），它是利用高性能計(jì)算手段，在量子力學(xué)框架下模擬并預(yù)測固體、液體等宏觀物質(zhì)在原子尺度上的集體行為、電子能帶及其物理性質(zhì)的科學(xué)。

同樣是基于量子力學(xué)的計(jì)算，物理和化學(xué)之間有什么區(qū)別呢？

首先是，它們 關(guān)注點(diǎn)存在明顯差異，簡單地說是普適性與特異性的不同。

計(jì)算凝聚態(tài)物理，側(cè)重于宏觀普適性。物理學(xué)家關(guān)注成千上萬個(gè)原子聚集時(shí)的行為，如超導(dǎo)性、磁性、半導(dǎo)體能帶。他們往往將模型簡化（比如把原子看作一個(gè)點(diǎn)），以尋找物質(zhì)狀態(tài)的統(tǒng)一規(guī)律。

量子/計(jì)算化學(xué)，側(cè)重于分子特異性�；瘜W(xué)家關(guān)心的是：這一個(gè)特定的分子（如某種抗癌藥）為什么有這種活性？電子云在特定空間如何分布？化學(xué)是關(guān)于“分子多樣性”的科學(xué)。

其次是，它們的目的驅(qū)動(dòng)不同，簡單地說，工具是物理的，而房子是化學(xué)的。

雖然量子化學(xué)家每天都在處理復(fù)雜的物理和數(shù)學(xué)問題，但歸根結(jié)蒂，他們的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)力是完全化學(xué)的。

一般說來，物理學(xué)家可能研究電子在晶格里的運(yùn)動(dòng)。進(jìn)而研究由此而帶來的力、熱、光和電磁性質(zhì)。

而化學(xué)家研究的是：化學(xué)鍵在這一瞬間是如何斷裂并重組的？之所以叫“計(jì)算化學(xué)”，是因?yàn)檫@些計(jì)算最終回答的是典型的化學(xué)問題：這個(gè)反應(yīng)快不快？這個(gè)分子穩(wěn)不穩(wěn)定？這種顏色是怎么產(chǎn)生的？

總的來說，當(dāng)工具箱里裝的是物理公式，但解決的是分子的“個(gè)性”問題時(shí)，它就屬于化學(xué)。

6

省流：到底什么是化學(xué)？

化學(xué)，是一門從物理學(xué)底層規(guī)律中演化而來、轉(zhuǎn)而探究物質(zhì)復(fù)雜性與多樣性的科學(xué)。它處在物理學(xué)與生物學(xué)之間，構(gòu)成了一座承上啟下的橋梁。

它不像物理那樣，總試圖通過層層剝離去追求“大統(tǒng)一理論”的至簡美學(xué)；也不像生物學(xué)那樣，直接面對(duì)生命系統(tǒng)那令人敬畏的涌現(xiàn)與復(fù)雜。化學(xué)的迷人之處在于，它總是專注于物質(zhì)的“個(gè)性特征”——它研究每一個(gè)原子、每一個(gè)基團(tuán)在吸附、取代和交換時(shí)，如何造就不同的物質(zhì)。

如果說，物理學(xué)為人類提供了透視世界的顯微鏡，那么，化學(xué)則為人類編寫了改造世界的說明書。

如今，隨著學(xué)科交叉越來越深入，學(xué)科標(biāo)簽不再重要。

各種科學(xué)期刊早就深諳這一點(diǎn)——不要說化學(xué)物理（JCP）還是物理化學(xué)（JPC），甚至物理化學(xué)化學(xué)物理（PCCP）早就成為經(jīng)典的SCI期刊了。這或許說明，在原子與分子的研究尺度上，絕對(duì)割裂 P（物理）與 C（化學(xué)）是行不通的。

也許在不久的將來，物理與化學(xué)的研究邊界將會(huì)越來越模糊，但正如上文所述，無論學(xué)科交叉多么深入，它們各自不同基因仍將長期保持。

物理學(xué)將繼續(xù)執(zhí)著于探尋那普適的、統(tǒng)一的物質(zhì)和能量相互作用的規(guī)律；而化學(xué)則將永遠(yuǎn)熱衷于在那千變?nèi)f化的排列組合中，去捕捉、去創(chuàng)造那獨(dú)一無二的新的物質(zhì)奇跡！

參考文獻(xiàn)

https://edu.rsc.org/feature/what-are-the-differences-between-physics-and-chemistry-in-teaching-and-thinking/4016897.article

來源：物含妙理

編輯：LogicMoriaty

轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅代表作者觀點(diǎn)

不代表中科院物理所立場

如需轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原公眾號(hào)