生活中的化学
—化学与哲学
摘要：化学科学自身有着丰富的哲学内涵。因此，我们还应当从哲学的角度来观察、分析和认识化学，探讨化学的哲学价值、化学研究中的思维和方法，从而能更好的掌握化学，促进化学和哲学的发展。这里，仅从物质的化学组成，结构和反应等三个方面的理论问题做一哲学思考。
关键词：化学组成 哲学 元素 理论
在古希腊出现了许多不同的世界本原学说。人类第一位哲学家泰勒斯（Thales，前624—547）认为水是万物之源，阿拉克西米尼（Anaximenes，前560—500）则认为气是万物之源，而赫拉克利特(Heraklitos，前536—470)却认为火才是万物之源。恩培多克勒（Empedocles，前490—430）综合了各种观点，提出了“四根”说，认为万物的本原是水、火、气、土四种元素。留基伯（Leucippos）和其学生德莫克利特（Demokritos，前460—370）进一步发展了这种思想，他们假定一个虚空的存在，认为土、气、水、火四种元素的没有变化的“原子”在虚空中做不停的运动，这些“原子”有形状、大小，但颜色、味道和气味不是“原子”所固有的。后来，伊壁鸠鲁（Epikouros，前341—270）也赞同这个古代原子论，并肯定地认为“原子”有重量。然而当时古代原子论仅仅是思辨中的臆测，没有充分的事实根据，所以并不为人们广泛接受。毕达哥拉斯认为数是万物之源，而柏拉图（Plato，前427—347）则认为四种几何形状是构成世界的“元素”，并指出“元素”之间可以互变，而这一思想却对后来的炼金术有一定的影响。柏拉图的学生亚里士多德（Aritotle，前384—323）明确提出了构成万物的“四元素说”，他把元素看作是性质的载体，指出一种物质的性质皆可以归结为冷和热、干和湿四种原性，这些性质两两结合就形成了四种元素。亚里士多德还用人们最常见的自然现象和物质变化的事实来圆说起理论因而在当时几乎获得了普遍的承认，并且这一影响一直延续了近两千年。
约在公元前一世纪，古希腊的亚历山大里亚出现了炼金术，其理论基础是亚里士多德的“万物皆趋向于完善”的思想，认为金属中那些不完善的杂质（贱金属）总是力求变成象黄金一样尽善尽美，但须埋在地下经历长时间才能实现，而用人工炼制可在短时间内完成，因为根据亚里士多德的“四元素说”，若能改变物质中的四种原性的比例，就能使贱金属变成黄金。炼丹术和炼金术的出发点是荒谬的，其理论基础基本上也是错误的，但是在炼丹、炼金的过程中积累了大量的知识和经验，客观上推动了化学的发展。 化学是哲学的镜子，在大量丰富的化学现象中哲学能够更清楚地审视自己的面目，然而长期的困惑在于，哲学究竟是要相信自己的头脑还是相信镜中的影象？这就是唯理论与经验论之争。康德在《纯粹理性批判》中提出了“二律背反”以试图解决这个问题，但遗憾的是知道现在还仍然有人将他的思想视为唯心主义、不可知论，这是不公正的，也是不利于哲学的发展的。然而不管怎样，镜中的影象毕竟总是能激发头脑中的智慧的。下面就看看化学中的哲学影象吧。
系统与层次
整个化学世界构成一个庞大而复杂的系统，这一系统按照不同的角度又可划分为不同类型的子系统。如从研究对象上分，有无机化学、有机化学、分析化学、物理化学、放射化学等等领域；从研究方法上划分又分为理论化学、实验化学和应用化学。
从横向上看，系统与系统之间可以相互作用、相互交流、相互渗透。如理论化学往往需要引用实验的结果，而实验化学又时常借助理论的指导；化学中各领域现在已普遍出现了相互交叉相互渗透的现象，其界限已经变得比较模糊了，如有机金属化学，物理有机化学等等。甚至整个化学系统也于其他学科发生交流和渗透，近年来出现的分子生物学、计算机化学以及环境化学、宇宙化学等等都是极好的例证。
对称与守恒
对称不仅是化学中非常普遍的一种现象，而且也是很重要的一种思想。例如：晶体无论在宏观外形上还是在微观结构上都具有很高的对称性，并由此，人们利用群论方法专门来研究晶体的对称性。在量子化学中，人们常常利用分子的对称性将“久期方程”化简，从而大大降低了计算量。对称性破缺也受到化学家的重视，如半导体中的掺杂正是利用了晶体发生缺陷时的特殊性质。又比如说，具有生物活性的分子很多都是不对称的，具有光学活性，因此有机化学中的不对称合成已经成为一个重要的研究领域。 对称性导致了守恒。物理学中的内特尔定理指出：如果运动规律在某一变换下具有不变性（即有某种对称性），必然相应地存在一个守恒定律。如：时间平移不变性导致了能量守恒，空间平移不变性导致了动量守恒，空间旋转不变性导致了角动量守恒，规范不变性导致了电荷守恒。在化学中也有类似规律。如晶体的对称性导致了晶面交角守恒；在化学反应中，分子轨道对称性在反应过程中的不变性导致了分子轨道对称守恒。
平衡与有序
平衡反映了事物矛盾双方势均力敌，处于暂时的相对的统一。恩格斯曾指出：“平衡是和运动分不开的。”“相对静止即平衡。”化学反应平衡非常直观地表明了这一点。当一个可逆反应处于平衡状态时，并不意味着正反应和逆反应都同时停止了，事实上正反应就逆反应仍然在进行着，只是它们的速度相等，相互抵消罢了，所以从表观上看反应物和产物在量上没有发生变化。
平衡与非平衡正如恩格斯所说的是“活的统一”，它们之间在一定条件下可以相互转化。如在一定的温度、压力下，具有一定的配比的反应体系达到平衡时，如果改变温度压力或量的配比诸条件中的任何一个，都能使化学平衡破坏，但只要不再改变条件，那么经历足够长的时间后，反应体系将会再次达到平衡。
平衡与非平衡在化学上都有广泛的应用。如能保持溶液PH值的缓冲溶液就是利用了化学平衡的性质；而在化工生产中则利用化学的不平衡，即让生成的产物不断地从反应体系中分离出去，从而使反应不断地向正方向进行，从而提高反应转化率。
非平衡和有序是相关联的。普里高津（Ilya Prigogine，1917—）的非平衡态热力学指出，只有在远离平衡态的条件下系统才有可能形成有序结构。如果系统处于平衡态，那么最终只能形成相对静止的混沌状态。在生物化学当中，蛋白质、DNA分子等都是高度有序的结构，这是因为生物体是个开放系统，而且永远处于非平衡的状态，从而避免了生物分子处于平衡无序的状态。
有序和非对称也有关联。如在晶体中，其结构的有序性导致了取物理性质的不对称性——各向同性，而非晶体结构的无序性导致了其物理性质的对称性——各向异性。另外，生物分子也是高度有序的，有人认为这是由于生命物质在其演化过程中丧失了大量的对称性所致，这正如比埃尔·居里（Pierre Curie，1859—1906）所说的：“非对称创造了世界。” 然而，应当注意，非对称和有序的这种关系必须是针对同一个对象而言的，否则就没有上述结论了。如在统计热力学中，分子的对称性使得其能级的简并度降低，从而使得分子所能采取的微观状态数目减少，因而分子的无序程度减少，即有序程度反而因为对称性而增加了，但应看到这里的有序度是大量分子所组成的系统的有序度，而对称性则是针对于单个分子的，二者不是同一个对象。
由此可见，非平衡导致了有序，而有序又与非对称相关联，所以非平衡也导致了对称性的破缺。现在有人认为万有斥力的破缺源自宇宙演化过程中对称性的丧失，而我个人认为正是由于宇宙演化过程是不可逆的，才造成了对称性的丧失。
确定性与可逆性
现在有两种理论使“确定性终结”了，一个是量子力学，一个就是混沌理论。前一理论被用于处理化学物质的结构和变化中，后一理论则被用于化学振荡就非平衡态热力学中了。但就目前为止，确定性或决定论似乎对化学家并不重要，因为当前人们研究的是大量分子或原子的集合，所涉及的时间也是远较分子的变化瞬间为长，所以统计规律掩盖了这一问题。然而将来情况是否会变化，还很难说。但我们不要忘了，正是由于不确定性才导致了复杂性，可以想象，正是多体问题的无确定解，才使得天文学家不得不利用摄动理论和变分法来解决天体问题；同样，微观粒子状态的不确定性也使得化学家面对复杂的薛定谔方程望而却步，不得不求助于微扰理论和变分法等手段来解决分子的结构问题。 值得一提的是，不确定性究竟来源于什么？难道世界上真的不存在因果制约关系？根据量子力学理论，不确定性来源于人们观察一个系统所带来的扰动，这个扰动对于微观粒子来说是相当敏感的。根据混沌理论，不确定性来源于一个系统的状态对其初始条件的极度敏感，“蝴蝶效应”对天气的影响就是一个生动的比方。但是，值得质问的是，这些并没有说明因果关系不存在！即使一个微分方程组的解对其初始条件是多么的敏感，但只要其初始条件是确定的，那么就必然对应一个唯一确定的解。无论是量子力学还是混沌理论，用来解释其不确定性的机制都是基于因果关系的，否则，没有因果关系的解释也就不成其为解释了，非因果性不可能靠因果关系来解释。我还想强调一下人的理性因素对不确定性的影响。如果世界上从来没有而且永远不会出现具有理性思维的动物，那么只要宇宙给出其第一初始条件那么对于宇宙这个最大的孤立系统而言，其演化过程中的每一个状态，是完全有可能确定的。然而，当象人这样的理性生物产生之后，人的理性支配了人对宇宙这个系统的影响，继而影响了宇宙的状态，而人的理性有的时候应当说是不受因果关系制约的，比如说，人可以自由地任其思维驰骋，而不一定非要有个什么原因才会想到某个东西。所以，我认为在人的理性思维中是存在着所谓“绝对自由的原因”的。正是由于理性世界的不确定性，才使得人类的活动的不确定性扰动了宇宙的状态。应当指出，尽管不确定性普遍存在，但导致不确定性的根本机制还是受因果制约的；尽管不确定性是绝对的，但在一定的范围和程度上，也存在相对的决定性，否则科学也就不复存在了。 绝对的不确定性导致了绝对的不可逆性。历史上著名的“可逆佯谬”最先由开尔文既而由洛喜米脱（J.Loschmidt，1821—1895）与1876年提出，他们说，体系的宏观过程是不可逆的，但构成体系的单个分子的运动却是可逆的，因为它们遵循具有时间反演不变性的牛顿运动方程。目前关于“可逆佯谬”有各种各样的解释，而我认为，不可逆性源自不确定性。试想，如果体系只由一个遵循牛顿运动定律的分子构成，那么只要让这个分子可逆运动，体系自然会发生可逆变化；然而，实际体系是由大量的分子构成的，尽管对于每个分子，它们仍然服从牛顿定律，但这已经形成了一个多体问题，因而任何一个想让所有的分子一致地可逆地运动回去的企图都必将不可避免地成为对体系的一个微扰，无论它有多么小，这都会使体系的最终状态不可预测性地远远偏离体系最先的状态，因而人们永远不可能使体系发生可逆变化。 尽管不可逆性的客观存在，化学家并未放弃对可逆性的追求和逼近。如他们在理论上首先研究了可逆过程的性质，然后再以此为基础去研究不可逆过程；而在实验方面，他们设计了“可逆电池”（非常接近与可逆过程），进行了电化学的理论和应用研究。
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