还原论思想在化学中的应用及其局限
2018-10-03 09:51阅读：
原文发于《中化参》2018第6期上，节选
还原论（Reductionism）一词最早由美国哲学家蒯因在1951年提出，它是一种主张把事物的高级运动形式分解简化为低级运动形式的哲学观点，认为现实生活中的所有现象和实体都可看作由更低级、更基本的现象和实体构成[1]。还原论是人类认识和应对复杂世界的一种重要思想方法，也是主导整个近代科学的主流思想，其贡献是如此巨大，以至于若没有还原论，可能就没有当今种类繁多、成效卓著的庞大自然科学体系。尽管它也有某些缺陷，但仍是现代科学的重要特点和基本原则之一。
1.把大千物质世界的组成构造还原成百十种元素及其原子
化学家已把琳琅满目的物质世界的基本构成分解、还原于一张比手掌大不了多少的元素周期表，并认为物质的各种化学现象和规律都可以还原到元素、原子和分子层面的行为。实事证明，这一解释机制是十分有效的，化学工作者
现已习惯从微观的原子分子行为去解释、预测和控制宏观物质的性质与变化。虽然科学的原子概念的诞生经历了极其漫长的历史演变和艰辛的科学探索，但其产生的源头正是基于这样一个古老而朴素的还原论思想：万物到底是由什么最基本的东西构成的？所以，“原子论”这一近代化学学科的基石性学说正是还原论思想成就的典范。
2.把化学中的各种作用力和性质还原为电子和电磁作用
如果说原子论是近代化学发展基石的话，那么原子核外电子及其变化规律则是整个化学关注的核心问题。我们对很多化学问题的解释都可以进一步还原到电子和电磁作用层面，如化学键和分子间作用力的实质是静电作用、化学反应的实质是原子之间电子的重新分配（即化学键重组）、分子立体结构是价层电子对互斥的结果、物质氧化性还原性的实质是得失电子能力等。这种把大量表面繁杂的各种化学问题还原为电子和电磁作用的做法，不仅可以加深我们对具体化学知识的理解，而且还能有效促进学科知识的内在统一性和系统化。关于电子和电磁作用在化学学科中的地位和具体应用，已有文章详论[2]。
3.把化学反应的方向、限度和过程还原为热力学和有效碰撞等物理问题
物理中的热力学定律基于大量实验事实，曾被爱因斯坦誉为“最不可能被推翻的科学定律之一”，其应用十分广泛，故化学家以这些定律为基础和工具来分析解决化学问题是很自然也很明智的。比如，我们现在可以很方便地用“吉布斯自由能”这一热力学状态函数的变化（即G=H
-TS）来预测化学反应的方向和自发性并计算反应的平衡常数等。又如，化学家曾把化学反应发生的过程（动力学机制）还原为物理中的碰撞模型（即有效碰撞理论），并从碰撞的方位、能量等方面进一步分析，最终将这一系列问题简化还原为著名的阿仑尼乌斯公式（即k=A·e-Ea/RT），并以此较好地解释了与反应速率有关的很多问题，这种简化与还原的方法在当时曾大大促进了人们对化学反应过程的理解。
4.把化学物质的立体结构还原为几何模型和数学问题
化学家在表达和解决化学物质立体结构的过程中，使用了大量几何模型和数学语言，从而把微观复杂的结构问题还原简化为直观明了的数学几何问题。如球棍模型、比例模型、键长、键角、空间点阵理论（包括14种具体空间点阵形式）、晶胞参数、原子坐标参数、对称性等，这些基于化学而简化、还原出来的数学模型和概念的使用极大地促进了结构化学的发展和教学。又如，关于分子和晶体结构的对称问题，著名化学家唐有祺教授曾如此解释：“如果说大自然总是喜欢把分子或晶体造成对称结构的话，那么醉翁之意不在酒，对称是有助于降低体系能量。”[3]
这其实还是一种还原论思想的表现，即把物质的结构对称问题还原为能量问题（能量最低原理）。
当然，上述例子主要是学科之间的“还原”。其实在化学学科内部，还原论思想同样应用广泛。比如在有机化学中，我们可把数目巨大的有机物的性质与反应“还原”成为数不多的官能团的性质及其转化，这一直是基础有机化学学习的主要思想方法之一；而在水溶液化学中，则可把不计其数的电解质及其反应“还原”成为数不多的简单离子和离子反应，这些“还原”的做法都极大地促进了人们对相关知识的深刻理解，促进了化学学科的发展，同时也饱含了前辈化学家的杰出智慧。
还原论思想的局限及其对化学教学的启示
1. 还原论思想在化学中应用的局限
还原论思想在化学中的应用如此广泛，以至于很多西方科学哲学家甚至想当然地认为化学就是物理学的延伸，认为化学理论原则上都可以还原成物理学定律[4]。当然多数化学家并不同意这一看法，因为这样一来，关于化学问题的特殊性和学科个性就被淹没了。比如，当我们把活生生的物质机械地还原为一堆抽象原子时，物质原本那些多姿多彩的个性就消失了。如果只有还原论，我们就很难理解由同种原子构成的石墨与金刚石性质为何大相径庭。只有当我们将大千世界还原为原子的同时，再辅以整体论的思想，即关注原子在构成物质时所具有的整体结构和相互作用，上述疑问才能得以解决。所以，在化学中我们看到了一种两难：不要还原论思想不行，但只有还原论思想又远远不够。
其实，一直以来都有很多化学家极力维护化学学科自身的个性和学科自主性，而对还原论思想在化学中的应用保持警惕。例如，关于化学中的热力学问题，我国物理化学家彭笑刚教授就特别强调其实质是巨分子体系的稳定性问题和概率统计行为，我们要尽可能从化学家的角度来研讨热力学，而放弃经典物理的“热机理论”特色，从而弥补热力学本身的“非化学”特性[5]。又如，化学诺贝尔奖得主洛德·霍夫曼也曾专文驳斥极端还原主义：“对一首诗的理解最终是不能全部还原为神经元放电的生理行为的……甚至在两个相近的“硬学科”之间（如关系密切到物理和化学那样），其间也会有个飞跃，不能把化学概念都还原为物理概念，只有化学家才思索像芳香性、酸碱性、官能团、取代反应等知识，化学面对的某些问题比物理学问题更加复杂。”[6]
2.还原论思想对化学教学的启示
化学教学有时容易走入一种误区：为了让学生更好地理解和记住某些规律和结论，结果教师采用一种过分还原、过于简化问题并急于总结规律的方式。比如，有些师生常把金属晶体和离子晶体熔点高低问题完全机械地简化还原为比较库仑力大小（即F=k·q1·q2
/r
2），即认为金属键或离子键强度与离子所带电荷量成正比、与离子半径反相关，并由此比较晶体熔点高低。这种分析对初学者当然有一定价值，可使他们掌握比较晶体熔点的一般方法，使其觉得化学问题有规可循且物理知识也派上了用场（利于学科间的交叉融合），但当其机械地用此法去比较诸如Mg与Ca的熔点时显然会碰壁，这是因为在将化学键的强度和熔点比较问题还原为库仑力模型时，往往忽略了很多其他因素，如各种键型的比例和键型变异、晶体结构差异等，即实际化学键强度并不是仅受形式电荷量和半径影响那么简单。
所以，在化学教学中一味依赖还原论思想不仅远远不够而且有时会有害。在分析化学问题时，应当多因素系统考虑并综合运用各种手段，尤其是要善于将还原论与整体论思想有机结合。其实，化学中融合还原论与整体论以成功解决复杂问题是有范例的，如在阐明化学键和分子结构时，靠的正是价键理论和分子轨道理论两者的互补，它们各有千秋，其中价键理论主要是基于电子配对和静电作用的还原论思想，而分子轨道理论则明显体现了整体论的思想。
