长久以来对于化学总是有一个理论疑惑

aabceedop

睡觉不打鼾 发表于 2026-5-13 00:10
那就是周期性咯，1 mol的分子，它们在某一时刻都所有运动，都可以通过研究一个分子的不同运动状态进行描 ...

化学反应进行的这个体系是非平衡系统，遍历性假设应该不成立吧

khemja

在现代物理学当中，“微观”和“宏观”指的是具体研究对象的空间尺度；具体是多少数量级，则没有严格的尺度规定。
比如，以万有引力定律所描述的两个物体之间的相互作用力，只有在这两个物体的质量和相互距离必须满足一定程度的数量级的前提下，才能在人类现有的观测水平上被表征和研究，否则关于这一物理对象的讨论是没有意义的。当代计算化学的许多问题中，我们在绝大多数情况下就不考虑分子或原子之间的引力相互作用。
但是注意，前面所讨论的是物理对象，在现代物理学中往往表现为具有特定数学规定性的物理量。没有一种物理对象不是被数学对象所描述的。比如，牛顿力学下的质点可以被描述为欧氏空间下的零维几何点，而相对论力学下的质点运动则被描述为闵氏时空当中的事件集合，量子力学中则变成了希尔伯特空间中的矢量。这种关于物理对象定量描述的概念规定直接来自于伽利略；如果一定要再往前追溯，还可以涉及到毕达哥拉斯学派“万物皆数”的哲学命题。
化学对象并非如此。化学对象是元素，即element，是对物质的持存高度抽象化的规定。这个概念的前身可以直接上溯到古希腊哲学时期关于物质本原或者essence的讨论，以及古埃及原始手工业积累的生产经验。所有化学教材或多或少都会介绍早期朴素唯物主义学说中类似的理论，最有代表性的就是Aristotle的四元素说和《尚书·洪范》中提及的五行理论。每一个元素往往被规定了或者囊括了一系列特定的外在表现的性质或者property。比方说，金属汞可以在室温下就变成液体，而铁、银等常见金属就要很高的温度来熔化；金刚石特别的硬，而滑石、石墨就特别的软；木头可燃，而沙子不可燃……炼金术时期使用的element的概念和规定就是在这种基础上使用的。你一定会觉得这非常含混不清，因为外在表现的性质是多样的。诚然，你或许可以规定一种物理量来定量描述这些种种的property上的区别。但是，这种用纯粹同一性的量的描述来悬置本质差异的描述，并不能说出比纯粹同一性的量更多的知识或者综合判断——正如同你可以用一套完备的三角函数基对任何常规函数进行傅里叶展开，但纯粹的一堆展开系数并不能说出比函数解析式本身更多的信息量。化学变化就是关于元素或者元素构成的变化。
注意：在描述“化学对象”这个概念的时候，我们并没有引入宏观和微观的区分，而是性质和元素的区分。
而到了18世纪发展出来的现代化学，道尔顿为了解释气体性质而从德谟克里特引入的原子论，以及拉瓦锡引入的相对原子质量的理论，取代了炼金术时期含混不清的元素定义；培根的《新工具》提供的科学归纳法取代了炼金术时期的神秘主义和象征主义。但是，学科的核心仍然是对element的描述。原子论并没有取代元素。这个时期的化学家确定了这样一个共识：化学变化无法破坏原子，但可以破坏原子的组合方式；原子这种无法进一步分割的单元，既然无法被肉眼所看到，那么只能是极小的颗粒。
所以，化学的重点并不是“微观决定宏观”，而是“元素决定性质”；这句话在现代化学革命之后，element变成了特定的元素原子的组合结构，所以这句话又变成了“结构决定性质”。化学科学的核心是“这种组合结构之间是如何发生变化的？”这样的问题，而不是“结构如何决定性质？”，所以在一个小尺度的空间里搭建原子团模型、或者一个小尺度但满足周期性边界条件的单元格子里搭建模型，然后模拟其运动变化或者参数变化，是完全符合化学科学传统的范式的，或者说是在化学科学的论域当中的。
至于你想探讨的这种贯穿空间尺度的还原或者层展机制，更像是“结构如何决定性质？”这个问题。而这个大问题在当今的学科分工中一般是材料科学工作者做的事情。比如高分子物理中，我们会讨论结构单元的化学组成对整条高分子链的柔性，继而是整个高分子块体的杨氏模量、泊松比、蠕变特性的影响。但是这跟化学变化就没什么联系了，化学家也不主要关心这些东西。化学家在高分子这个领域中关注的则是合成问题，比如嵌段共聚、交联或者乳液共聚这样的事情。

xiaowei2022

exity 发表于 2026-5-12 16:38
谁写过一篇论文，more is different来着？

凝聚态物理学家菲利普·安德森于1972年8月4日在《Science》杂志上发表的一篇科学论文，其完整标题为“More is different: Broken symmetry and the nature of the hierarchical structure of Science”

萧瑟

khemja 发表于 2026-5-25 17:06
在现代物理学当中，“微观”和“宏观”指的是具体研究对象的空间尺度；具体是多少数量级，则没有严格的尺度 ...

请问您上述的内容是不是可以理解成，物理是从微观具象到宏观具象的研究方式，所以微观到宏观是有一个比较清晰可辨的分界，所以对于分界区域也需要严格自洽的桥连来链接两个尺度；而化学更多的是微观具象到宏观抽象的研究范式，它并没有一个明确清晰的分界能让我们来定义如何连接两种尺度的对象，所以我们用到的计算化学通常只是用微观的性质来类比宏观特性的方式进行研究分析？我感觉从古至今的研究中物理对象一直是比较具体的，而化学的发展从一开始就是大杂烩性质的集合体，只是现在随着发展学科内部在不断理清相关概念。总结一下就是物理研究的理论发展就是聚沙成塔的累积，而化学研究的理论发展是拨云见日的逐步探明理论的。现在没办法解释的内容更多是因为现在的观测研究能力有限之类的原因吧。

白糖050626

先用高精度量子化学计算（比如DFT）产生关于分子结构和能量的微观数据，然后用这些数据训练机器学习模型，拟合出一个能快速、准确预测分子相互作用的势能面。有了这个“降本增效”的模型，就可以对包含大量分子的宏观体系进行长时间动力学模拟，从而从微观的分子行为总结出宏观的化学性质。我的理解

khemja

萧瑟 发表于 2026-6-10 11:32
请问您上述的内容是不是可以理解成，物理是从微观具象到宏观具象的研究方式，所以微观到宏观是有一个比较 ...

化学的研究目的聚焦在化学对象上，而非物理直观的原因。
举一个具体的例子吧。汞（或者水银，Mercury）是东西方早期朴素化学共同涉及的一个研究对象，而且几乎被双方共同视作一个独立的化学元素。原因很简单：它是第一个可以在早期技术水平下使用灼烧——蒸馏法制备的金属，而且表现为（represented as）「具有金属光泽效果的液体」，这是在其它物质那里无法被直观到的。葛洪和Zosimos都提出了汞和硫反应生成丹砂的化学命题，原因也在于汞和硫磺反应之后生成的物种不再表现（represent）出汞特有的物理直观。
这里出现一个十分重要的概念，就是表征（representation）。表征这个动作是朴素化学以及后期炼丹术或炼金术经常出现的行为，也就是利用你说的「宏观抽象」的综合来对属于「微观具象」层面的化学元素进行判断。物理直观在这里是一种用来判断化学元素的工具，因而表征在这个研究范式下必然是一种经验积累（这也是为什么十七、十八世纪期间化学科学的建立不是物理学家推动的，而必然建立在炼金术士形成的学术共同体的基础上，因为关于这些表征判断的经验记录只在炼金术士当中用炼金术的语言流通和传递）；至于这种宏观层面的物理直观之所以被用作判断化学元素的原因，则不是化学家主要关心的问题；等物理学的研究逐渐获得更多的认识的时候，这些经验才逐渐获得物理学的诠释——比如上述提到的汞在室温下表现为液态的原因，它确实在相对论框架下得到了诠释（Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 1–4），但这仍旧是个物理问题而不是个化学问题。
化学科学的问题域是化学元素的变化。计算化学对于化学家的意义仅仅在于我们用以描述化学元素运动变化的语言可以变得定义清晰和框架完备（量子力学）。再举个例子：量子力学之前，我们处理元素或者化合物之间的还原性和氧化性问题的时候，大概率会翻出一张相对还原电势表，通过比对φ的相对数值（复杂情况的话可能会用表中数据结合其它性质的平衡常数通过Nernst方程换算）来判断谁氧化性更强；但是，相对还原电势仅仅是一种作为测量结果的现象，它不是用来诠释、而只是表征氧化还原性相对强弱的依据（我曾见过有高中老师用酸性平衡常数Ka作为理论上的原因来诠释酸性大小，而不区分表征和诠释的区别，这是一种逻辑层面的混淆！）。所以，你掏出来的理论依据大概率是元素周期律——这是一种定性而非定量的说明，且理论完备性弱。但是，计算化学出现之后，你用来诠释这个问题的思路也就变了。你可能会干脆抛弃氧化性和还原性的概念，以电离能和亲合能这种定义明晰的物理量概念取而代之，然后通过合理的模型和模拟计算对同一个化学反应进行更定量的诠释。
但是，表征的经验并没有因为计算化学的发展而被取消。比如有机化学当中常见的解谱（FTIR、NMR、MS等等），这仍旧是无法被经验所替代的一个环节，而且计算化学无法完全取代这一块。现实的讲，擅长解谱的工程师大概也不愿意分享自己的经验用来给人工智能当训练集（？）。这里可能有大量的经验都是当前没办法解释的东西。所以它确实就是你说的「大杂烩」。而且，相比于宏观性质，它的作用确实就是一种「类比」。我对此的态度是：化学的意义在于发明一种能够符合当下人类物理直观或物理图像的语言（如酸、碱、氧化、还原），并利用这套语言尽可能高效地给出关于化学对象变化运动过程的描述（如酸碱中和、氧化还原、取代、消除、加成等）、以及对这个过程的原因进行尝试性地诠释（如质子酸碱理论、电子交换理论、八隅体理论等），而非对现象给出一种以广泛适用性、理论完备性为目的的微观——宏观的诠释。正如维特根斯坦所说的「语言是世界的边界」，化学语言在相当程度上决定了实验室中的新物质合成实践所能达到的边界。各种无法诠释的「大杂烩」是必要的代价，但无法言明才是更可怕的事情。