我自己是学化学的,从事学化学、教化学、研究化学也几十年了,但现在似乎有点儿不太认得了。我觉得世纪之交,大家要重新有一个认识,认识学科本位的问题。

一门科学的内涵和定义至少有四个属性:

整体和局部性科学是一个复杂的知识体系,好比一块蛋糕。为了便于研究,要把它切成大、中、小块。首先切成自然科学、技术科学和社会科学三大块。在自然科学中,又有许多切法。一种传统的切法是分为物理学、化学、生物学、天文学、地理学等一级学科。近年来又有切成物质科学、生命科学、地球科学、信息科学、材料科学、能源科学、生态环境科学、纳米科学、认知科学、系统科学等的分类方法。化学是从科学整体中分割开来的一个局部,它和整体必然有千丝万缕的联系。这是它的第一个属性。

学科之间的关联和交叉如果把科学整体看成一条大河,那么按照各门科学研究的对象由简单到复杂,可以分为上游、中游和下游。数学、物理学是上游科学,化学是中游科学,生命科学、社会科学等是下游科学。上游科学研究的对象比较简单,但研究的深度很大。下游科学的研究对象比较复杂,除了用本门科学的方法以外,如果借用上游科学的理论和方法,往往可以收到事半功倍之效。所以“移上游科学之花,可以接下游科学之木”。具有上游科学的深厚基础的科学家,如果把上游科学的花,移植到下游科学,往往能取得突破性的成就。例如1994年诺贝尔经济奖授予纳什,他在1950年得数学博士学位,1951-1958年任美国麻省理工学院数学讲师、副教授,后转而研究经济学,把数学中概率论之花,移到经济学中来,提出预测经济发展趋势的博弈论,因而获得诺贝尔经济奖。

发展性化学的内涵随时代前进而改变。在19世纪,恩格斯认为化学是原子的科学(参见《自然辩证法》),因为化学是研究化学变化,即改变原子的组合和排布,而原子本身不变的科学。到了20世纪,人们认为化学是研究分子的科学,因为在这100年中,在《美国化学文摘》上登录的天然和人工合成的分子和化合物的数目已从1900年的55万种,增加到1999年12月31日的2340万种。没有别的科学能像化学那样制造出如此众多的新分子、新物质。现在世纪之交,我们大家深深感受到化学的研究对象和研究内容大大扩充了,研究方法大大深化和延伸了,所以21世纪的化学是研究泛分子的科学。

定义的多维性一门科学的定义,按照从简单到详细的程度可以分为:(1)一维定义或X-定义,X是指研究对象。(2)二维定义或XY-定义。Y是指研究的内容。(3)三维定义或XYZ-定义。Z是指研究方法。(4)四维定义或WXYZ定义,W是指研究的目的。(5)多维定义或全息定义。一门科学的全息定义还要说明它的发展趋势、与其他科学的交叉、世纪难题和突破口等等。这样才能对这门科学有全面的了解。下面以化学为例加以说明。

化学的一维定义

21世纪的化学是研究泛分子的科学。泛分子的名词是仿照泛太平洋会议等提出的。泛分子是泛指21世纪化学的研究对象。它可以分为以下十个层次:(1)原子层次,(2)分子片层次,(3)结构单元层次,(4)分子层次,(5)超分子层次,(6)高分子层次,(7)生物分子和活分子层次,(8)纳米分子和纳米聚集体层次,(9)原子和分子的宏观聚集体层次,(10)复杂分子体系及其组装体的层次。

化学的二维定义化学是研究X对象的Y内容的科学。具体地说,就是:化学是研究原子、分子片、结构单元、分子、高分子、原子分子团簇、原子分子的激发态、过渡态、吸附态、超分子、生物大分子、分子和原子的各种不同维数、不同尺度和不同复杂程度的聚集态和组装态,直到分子材料、分子器件和分子机器的合成和反应,制备、剪裁和组装,分离和分析,结构和构象,粒度和形貌,物理和化学性能,生理和生物活性及其输运和调控的作用机制,以及上述各方面的规律,相互关系和应用的自然科学。

化学的三维定义化学是用Z方法研究X对象的Y内容的科学。化学的研究方法和它的研究对象及研究内容一样,也是随时代的前进而发展的。在19世纪,化学主要是实验的科学,它的研究方法主要是实验方法。到了20世纪下半叶,随着量子化学在化学中的应用,化学不再是纯粹的实验科学了,它的研究方法有实验和理论。现在21世纪又将增加第三种方法,即模型和计算机虚拟的方法。化学的四维定义化学是用Z方法研究X对象的Y内容以达到W目的的科学。化学的目的和其他科学技术一样是认识世界和改造世界,但现在应该增加一个“保护世界”。化学和化学工业在保护世界而不是破坏地球这一伟大任务中要发挥特别重要的作用。造成污染的传统化学向绿色化学的转变是必然的趋势。21世纪的化工企业的信条是五个“为了”和五个“关心”:为了社会而关心环保;为了职工而关心安全、健康和福利;为了顾客而关心质量、声誉和商标;为了发展而关心创新;为了股东而关心效益。

化学的多维定义———21世纪化学研究的五大趋势

1、更加重视国家目标,更加重视不同学科之间的交叉和融合在世纪之交,中国和世界各国政府都更加重视国家目标,在加强基础研究的同时,要求化学更多地来改造世界,更多地渗透到与下述十个科学郡的交叉和融合:1数理科学,2生命科学,3材料科学,4能源科学,5地球和生态环境科学,6信息科学,7纳米科学技术,8工程技术科学,9系统科学,10哲学和社会科学。这是化学发展成为研究泛分子的大化学的根本原因。所以培养21世纪的化学家要有宽广的知识面,多学科的基础。

2、理论和实验更加密切结合

1998年,诺贝尔化学奖授予W.Kohn和J.A.Plple。颁奖公告说:“量子化学已经发展成为广大化学家所使用的工具,将化学带入一个新时代,在这个新时代里实验和理论能够共同协力探讨分子体系的性质。化学不再是纯粹的实验科学了。”所以在21世纪,理论和计算方法的应用将大大加强,理论和实验更加密切结合。

3、在研究方法和手段上,更加重视尺度效应

20世纪的化学已重视宏观和微观的结合,21世纪将更加重视介乎两者之间的纳米尺度,并注意到从小的原子、分子组装成大的纳米分子,以至微型分子机器。

4、合成化学的新方法层出不穷合成化学始终是化学的根本任务,21世纪的合成化学将从化合物的经典合成方法扩展到包含组装等在内的广义合成,目的在于得到能实际应用的分子器件和组装体。合成方法的十化:芯片化,组合化,模板化,定向化,设计化,基因工程化,自组装化,手性化,原子经济化,绿色化。化学实验室的微型化和超微型化:节能、节材料、节时间、减少污染。从单个化合物的合成、分离、分析及性能测试的手工操作方法,发展到成千上万个化合物的同时合成,在未分离的条件下,进行性能测试,从而筛选出我们需要的化合物(例如药物)的组合化学方法。

5、分析化学已发展成为分析科学分析化学已吸收了大量物理方法、生物学方法、电子学和信息科学的方法,发展成为分析科学,应用范围也大大拓宽了。分析方法的十化:微型化芯片化、仿生化、在线化、实时化、原位化、在体化、智能化信息化、高灵敏化、高选择性化、单原子化和单分子化。单分子光谱、单分子检测,搬运和调控的技术受到重视。分离和分析方法的连用,合成和分离方法的连用,合成、分离和分析方法的三连用。

化学的多维定义———21世纪化学的四大难题(中长期)(从略)

化学的多维定义———21世纪化学的十个突破口(10-20年)(从略)