1929年,量子力學(xué)創(chuàng)建者之一保羅·狄拉克(Paul Dirac)宣稱,人類已經(jīng)知曉大部分物理學(xué)和全部化學(xué)的數(shù)學(xué)理論所基于的物理定律。
在狄拉克看來,當(dāng)時(shí)唯一的困難是,直接應(yīng)用這些定律得出的方程過于復(fù)雜,難以求解。上述看法以及其他類似的宣言清晰說明,物理學(xué)家們野心勃勃地想要把所有化學(xué)現(xiàn)象還原至原子的量子力學(xué)。理由非常容易理解。原則上,化學(xué)范疇完全限定于薛定諤方程描述的電子分布中。有了已確立的原理,化學(xué)剩下的就是細(xì)節(jié)問題了??v然只知道像氫和氦這樣只有一個(gè)或兩個(gè)電子的簡單原子的薛定諤方程的精確解,但是物理學(xué)家們?nèi)匀挥欣碛烧J(rèn)為,隨著數(shù)學(xué)工具技術(shù)的提高特別是數(shù)字時(shí)代帶來的計(jì)算能力的極大提高,所有其他元素和化合物的近似解將越來越接近真值。因此,原則上講,化學(xué)至少可以從量子力學(xué)中推演出來。
我們或許會想,這些宣稱把化學(xué)還原至量子力學(xué)的主張肯定會激起望保衛(wèi)學(xué)科自主性的化學(xué)界的暴風(fēng)驟雨般的抗議,但實(shí)際上當(dāng)時(shí)并沒有出現(xiàn)這種反應(yīng)。所以,比如帕內(nèi)斯,他就曾平靜地回應(yīng)道,雖然物理學(xué)家們或許試圖把所有的化學(xué)物質(zhì)還原至終極初始物質(zhì),但是化學(xué)家們“仍有正當(dāng)理由停留在把現(xiàn)象還原到化學(xué)上不可被破壞的物質(zhì)即元素這個(gè)層面而不會由此再進(jìn)一步深入,因此化學(xué)也就有理由保留化學(xué)與物理學(xué)在基本概念上的本質(zhì)不同”。似乎多數(shù)化學(xué)家并不特別抵觸狄拉克的還原論原則。當(dāng)他們于20世紀(jì)30年代開始引用狄拉克的這篇文章的時(shí)候,并未考慮其之前文章中的說教,而是試著應(yīng)用文章中提出的量子力學(xué)模型。我們或許會認(rèn)為,化學(xué)家們沒有給出抗議,要么是因?yàn)樗麄儧]有看到還原主義計(jì)劃的潛在影響,要么是因?yàn)樗麄円呀?jīng)接受了該還原主義計(jì)劃限定給化學(xué)的從屬地位。關(guān)于他們的沉默反應(yīng)也有另外的解釋,就是化學(xué)家們根本沒有把還原成量子力學(xué)這一計(jì)劃看成是可靠的計(jì)劃。畢竟,他們有充分的理由對此計(jì)劃產(chǎn)生懷疑。首先,原子物理學(xué)的出現(xiàn)很大程度上基于化學(xué)。不僅門捷列夫的元素周期表是解釋原子結(jié)構(gòu)的指南,而且正如我們討論“同位素”一詞的引人時(shí)所說,玻爾(Bohr)的原子模型,其中帶負(fù)電的電子圍繞帶正電的核做軌道運(yùn)動,也是基于化學(xué)現(xiàn)象。沿軌道運(yùn)動的電子能夠通過吸收或者發(fā)射光子從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道,這種畫面是根據(jù)化學(xué)吸收和發(fā)射光譜構(gòu)想的,并且從熟悉的元素化學(xué)模式。
所以,被狄拉克的還原主義計(jì)劃震驚的不是化學(xué)家們,而是他的物理學(xué)家同行們,他們責(zé)備說以這種方法為基礎(chǔ)提出的原子模型違反了物理學(xué)的定律。的確,他們以輕蔑口吻所指的”第二量子論”看上去倒不像是要把化學(xué)還原成物理學(xué),而是要嘗試重新定義物理學(xué)以使其與化學(xué)相一致。但是狄拉克的物理學(xué)家同行們也不是太過于擔(dān)心,因?yàn)榈依说挠?jì)劃并未闡述如何確立計(jì)算和近似步驟這樣的實(shí)際問題。除了氫和氦之外,任何人在對原子或分子進(jìn)行量子力學(xué)分析之前首先都需要克服上述問題,更不用說原子或分子之間的相互作用問題了。
雖然研究型化學(xué)家們沒有感受到狄拉克宣言的威脅,但是似乎化學(xué)教師們卻感覺到了威脅,現(xiàn)在依然如此。來自化學(xué)教師圈子的批判者認(rèn)為物理學(xué)家的野心是一種威脅,因而尋求把化學(xué)向著傳統(tǒng)上作為化學(xué)基礎(chǔ)的宏觀現(xiàn)象方向重新定位。他們小心提防著他們眼中的這項(xiàng)霸權(quán)性的哲學(xué)計(jì)劃。的確,狄拉克的宣言與長久以來的以找到所有自然現(xiàn)象的終極解釋為前提而一統(tǒng)科學(xué)的哲學(xué)雄心相呼應(yīng)。大部分人認(rèn)為,這項(xiàng)覆蓋范圍甚廣的計(jì)劃——也是邏輯實(shí)證主義的核心項(xiàng)目——讓物理學(xué)扮演基礎(chǔ)科學(xué)的角色,而化學(xué)只是物理學(xué)的衍生科學(xué)。
懼怕把化學(xué)還原成物理學(xué)的這種擔(dān)心最近又重新浮出水面,表現(xiàn)形式是在美國發(fā)生的化學(xué)哲學(xué)的復(fù)活。1999年,化學(xué)家埃里克·謝里(Eric Scerri)創(chuàng)辦了一份新的雜志,名為《化學(xué)的基礎(chǔ)》(Foundations of Chemistry),它闡述的正是上面提到的這些間題。確實(shí),雜志的名字剛好回應(yīng)的是美國邏輯實(shí)證主義者發(fā)表的一系列著名文章,大標(biāo)題為《科學(xué)統(tǒng)一的基礎(chǔ)》(Foundations of the Unity of Science),而這一系列文章對化學(xué)只字未提。埃里克·謝里本人把化學(xué)哲學(xué)視為與還原化學(xué)至量子力學(xué)行為作斗爭的主要武器,其目標(biāo)是,證明化學(xué)的基礎(chǔ)存在于化學(xué)本身而非物理學(xué)。
矛盾的是,還原到量子力學(xué)看上去已經(jīng)不再是那么緊迫的問題。通過還原一種學(xué)科理論成另一種學(xué)科理論而一統(tǒng)科學(xué)的計(jì)劃已經(jīng)遇到了無數(shù)的阻礙,受到了至少數(shù)代哲學(xué)家的抨擊。那些想要討論量子力學(xué)和化學(xué)之間關(guān)系的人以非常謹(jǐn)慎和微妙的方式進(jìn)行著,比狄拉克要謹(jǐn)慎得多。莫妮克·利維(Monique Lévy)在對該問題的研究中表不示,這種還原滿足不了思斯特·內(nèi)格爾(Ernst Nagel)所列舉的所有標(biāo)準(zhǔn)。因此,除了化學(xué)和物理學(xué)之間可能有某種不對稱關(guān)系之外,從量子力學(xué)推演出化學(xué)或者基于量子物理學(xué)對大部分化學(xué)現(xiàn)象作出可檢驗(yàn)預(yù)測也都是不可能的。事實(shí)上,量子力學(xué)僅僅可以潛在地闡釋化學(xué)中的一小部分問題。
如果我們把化學(xué)范疇限制在從物理學(xué)中推演出來,那么這門科學(xué)的整個(gè)領(lǐng)域都將消失(動力學(xué)、有機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)、非平衡過程)。
運(yùn)用電子、質(zhì)子、軌道和能量水平等概念解釋化學(xué)現(xiàn)象只有在明智而審慎地使用互補(bǔ)假說時(shí)才會取得成功。按照量子理論,碳應(yīng)該是二價(jià)的,但是這并不會阻止它在大部分結(jié)合物中為四價(jià)態(tài)。軌道雜化假說可以為該四價(jià)態(tài)提供解釋,雖然這種解釋與量子理論是相容的,但它仍然屬于權(quán)宜性解釋。而且,物理學(xué)理論在系統(tǒng)化過程中也許已經(jīng)成功融合了某些化學(xué)元素,但這不是結(jié)東化學(xué)理論的發(fā)展。這是為何莫妮克·利維最后贊成“通過綜合來進(jìn)行還原”,這種還原形式保留了被還原學(xué)科的根本角色。
如果我們看一看埃里克·謝里對還原論問題的處理方式,我們會發(fā)現(xiàn)他不僅拒絕接受企圖以量子力學(xué)解釋所有化學(xué)現(xiàn)象的“強(qiáng)硬的”還原論主義,而且也拒絕退而尋求“懷柔”立場,即在解釋水平不要求還原的情況下假設(shè)本體依賴性。埃里克·謝里提出了第三種選擇,這種選擇主要在于保衛(wèi)化學(xué)自主權(quán),它宣稱爭論所涉及的是不同水平的“具有自主性卻相互關(guān)聯(lián)的”現(xiàn)實(shí)存在。他特別強(qiáng)調(diào),化學(xué)家所使用的軌道與物理學(xué)家在量子理論中所用的軌道之間存在區(qū)別。謝里持有的觀點(diǎn)是,化學(xué)教師應(yīng)該確鑿明確說明他們所說的軌道不同于現(xiàn)代量子力學(xué)所指的軌道。然而,有可能這種“雙語”模式帶來的危害要多過益處,因?yàn)樗遣唤?jīng)意間對一種偏見的再次確認(rèn),即化學(xué)是落后于物理學(xué)的一門科學(xué)。這種雙語模式無異于把18世紀(jì)化學(xué)革命詮釋為化學(xué)遲來的一場革命,其意義等價(jià)于一個(gè)世紀(jì)前出現(xiàn)的天文學(xué)和機(jī)械學(xué)革命。按照這種理論,17世紀(jì)的“科學(xué)革命”創(chuàng)建了現(xiàn)代物理學(xué),而化學(xué)不得不等到18世紀(jì)末才由拉瓦錫帶來化學(xué)的現(xiàn)代化變革,即所謂“推遲的革命”。對歷史的錯(cuò)誤解讀無異于,現(xiàn)代觀察者們認(rèn)為現(xiàn)代化學(xué)家們還仍然困于第一量子理論,還在盡力表述玻爾的簡單軌道模型,而物理學(xué)家們在很早以前已經(jīng)放棄了這塊領(lǐng)域以尋找更好的、更加先進(jìn)的模型。
為幫助化學(xué)發(fā)展自身的哲學(xué),化學(xué)家們需要走出對還原主義的恐懼并把注意力集中在其他問題上。通過解釋如何以及為何各種元素的化學(xué)性質(zhì)遵循一個(gè)總體模式,量子理論顯然為化學(xué)的教學(xué)特別是為元素周期表的演示提供了相當(dāng)多的優(yōu)勢。但這并不意味著化學(xué)家們可以利用量子力學(xué)獨(dú)自應(yīng)付化學(xué)問題。為了了解某種物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì),化學(xué)家們需要在實(shí)驗(yàn)室對它進(jìn)行某些操作和測試:它導(dǎo)電嗎?它會形成什么樣的氧化物?其硫酸鹽溶于水嗎?宣稱所有這些性質(zhì)可以從所涉原子的電子結(jié)構(gòu)知識推演出來的化學(xué)家往往會使用“原則上”這個(gè)詞來開始闡述,以便讓他們的斷言顯得合理。這是因?yàn)?,化學(xué)家們在深入研究元素和物質(zhì)性質(zhì)的時(shí)候,往往總會有意外發(fā)現(xiàn)。更進(jìn)一步說,對這種非預(yù)期性質(zhì)的探索已經(jīng)導(dǎo)致形成了20世紀(jì)一些最有趣的化學(xué)研究。