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為什麽化學極其缺乏具有數學意義的定理和公式?

郭敦清回答道:

作為壹個高壹學生,妳能提出這麽深刻的問題,真的難能可貴,妳走在了時代的前面。

誠然,許多數學定理和公式是從物理學的研究中獲得的,特別是壹些高等數學定理和公式是從高等物理學的研究中獲得的;相反,高等數學的研究和應用促進了物理學;所有的自然科學和經濟學都與數學密切相關,數學是其他自然科學和經濟學的基礎。

化學、物理、數學關系的討論與探討-

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深夜談論數學、物理和化學的關系

問題2:化學反應的物理表現

說起來,還有很多喜歡找茬的童紙。他們有壹個理論:“所有的化學反應本質上都是粒子之間的相互作用,所以可以用物理來解釋。”理論上是這樣的,但是沒有人通過量子物理研究出氫氧為什麽會得到水。用數學表達物理要容易得多。有什麽問題?

因為數學、物理、化學是三種不同的語言,所以在表達上必然存在壹個“翻譯”的問題。如果兩種語言有相似的語法結構和詞匯,那麽兩者之間的翻譯就會容易壹些——比如法語和西班牙語之間的翻譯基本不是問題。但是如果兩種語言的語法差別很大,那麽翻譯就會很困難——比如漢語和英語;而且,這裏更嚴重的問題是,此時的翻譯有時會使結果比原文更復雜,甚至不可避免地改變了原文的壹些細膩表達。

好在數學和物理都有公式化表達的語法結構,所以數學不僅非常容易表達物理,而且非常自然——妳能想象壹個沒有數學表達的書面物理定律嗎?

不幸的是,化學和物理的語法結構完全不同。雖然它們之間的翻譯在理論上是可行的,但是現在的翻譯家再聰明,也翻譯不出最簡單的等式——未來可能會有這樣的翻譯家,但是這樣的翻譯真的有實用價值嗎?當物理學家花壹個月的時間精確計算壹個反應的產物時,化學家已經花了壹個星期的時間進行實驗和分析來了解產物。

在這種情況下,物理定律所表達的化學反應是沒有實際意義的。

所以化學永遠不能歸入物理之下。為什麽?兩個學科無論是分離還是合並,最終目的都是為了讓研究更簡單——也就是盡可能減少“能量”。當化學被物理合並後,使得化學的研究更加糾結。這樣的合並有什麽價值?

問題三:學科突破與偉大精神

在試圖理解以上兩個問題之前,這只鳥也很困惑化學突破的最終方向在哪裏。的確,物理電磁學家可以用麥克斯韋方程組高度概括電磁學——結果簡單而美好。化學呢?似乎除了熱力學和動力學,真的沒有壹個數學表達式可以概括化學的壹個分支。

這個理論在化學中被多次提及,這個理論持有者爭論的結果是化學不會有本質的突破。

但是為什麽壹定要有數學表達式呢?因為物理學的數學表達高度簡潔,所以引起了各種突破?因為海豚作為哺乳動物經過多年進化可以在水下呼吸,那麽人類作為哺乳動物進化的終極目標就是在水下呼吸?

這顯然不靠譜吧?海豚和人類通常都是哺乳動物,但動物分類學上的相似性也就到此為止了。之後他們走了完全不同的進化道路,所以他們有完全不同的特征。

前面說過,物理和化學是兩種表達自然的語言,語法結構完全不同。這種差異至關重要。

讓我們回到熟悉的人類自然語言,看看這種差異意味著什麽。Je t'aimerai是壹個法語句子,是西方許多屈折詞的代表。在最顯眼的動詞aimerai中,前三個字母aim已經表達了動詞本身的意思——愛——那麽艾爾是什麽呢?這種結構只表示動詞發生在將來,動詞以第壹人稱單數發出,動詞未完成。妳不需要任何時間助詞。這個句子只通過動詞本身的變化來表達未來的意思。這是壹種簡潔——但這種簡潔只針對懂法語的人。妳無法想象壹個完全不懂法語的人,查字典就能知道這句話是將來時。事實上,妳不可能在字典裏找到它。語文呢?剛才那句話的中文翻譯是我以後會愛妳。註意這裏的“未來”這個詞——句子中的動詞雖然沒有詞尾變化,但還是通過時間詞來表達將來時的意思。這不也是另壹種簡潔嗎——雖然增加了壹個單詞,但卻讓語言初學者通過簡單的查字典活動來確定句子的意思。

相比之下,物理學更像前者——所有的物理定律都是由壹個非常抽象的代碼組成的。妳不僅要明白這個代碼每個字母的意思——是磁感應強度還是電場強度,還要明白這個代碼是由什麽樣的語法組成的——是點積還是叉積還是別的什麽。毫無疑問,化學更像後者——沒有精彩的語法,卻用簡單的圖片和箭頭表達了深刻的內涵。例如,妳需要做什麽來理解壹個有機反應的機理?只看圖上箭頭的方向

這種差異意味著什麽?意味著物理學將有壹個嚴格的數學表達式——這就產生了著名的麥克斯韋方程組、薛定諤方程、牛頓力學和相對論。但是化學很少用數學表達,大多數情況下是機理圖,給人壹種化學沒有物理精致的錯覺——但是有多少人知道,鹵代烴的取代、羥醛縮合等反應是在親核機理提出前幾十年發現的,親核機理是對這些反應的高度凝練概括——這和符合電磁理論的麥克斯韋方程組有什麽本質區別?

物理學的突破方向在於找到更多的數學表達式來完善自己的理論。化學的突破方向在於找到更多的機理圖來完善自己的理論(雖然現在元素化學中似乎沒有簡單的通用機理,鳥都相信有,只是沒找到,壹旦找到就驚天動地了)。只是兩種不同的語法。

很多人只看表面,極其膚淺,強行表達自己的宏大觀點,看不到太多深層次的東西。

化學中很多東西都是獨立的,不依賴於他人。如果黑化學是因為化學部分是基於其他學科的,真的呵呵。

這個東西,高中生特別喜歡討論,大三本科生也是。可悲的是,兩人的特點都是涉世不深,學習技能不精通,也沒見過化學、物理、數學等學科的博大精深。提出的論點相當膚淺,毫無根據。

上面提到的薛定諤方程是化學中壹個重要的數學公式(妳需要大二才能理解,而妳現在才大壹)。

先說幾個高中化學中與數學相關的重要公式:

PH=-lg[H+].