日报标题：数学、物理、化学、生物的关系，看来还要被人误解很多年 孙乾，去折叠 首先，数学是形式科学，物理与化学是自然科学。自然科学必须经得起自然现象的检验，而形式科学不必要，在自己的定义与公理以内自洽即可。形式科学可以应用于自然科学，还能应用于社会科学，甚至可以应用于现实不存在的世界。可以说数学作为形式科学之首，格局比任何一门自然科学都大，但自然科学的基础并不是数学，而是自然现象本身。 自然科学追求精确预测或控制自然现象，不用数学就做不到精确，所以数学几乎是自然科学中最重要的工具。不过，人类除了追求精确，还要追求效率，所以数学在自然科学某些领域不太管用，这类领域在化学中占比大于物理，在生命科学中占比更大。这很正常，受制于工程技术与计算技术的瓶颈，不能说孰优孰劣。嘲讽生化更 low 的基本等于在嘲讽整个人类的智慧，谁不想做到既精确又高效？要不你来试试？当然，精确的追求不会变，按照历史的进程，数学的渗透必然会越来越多。 接下来重点谈谈物理与化学的关系—— 先厘清不少人甚至化学工作者对化学的误解： ① 以为化学与物理是同源的 事实上化学发源于炼金术，物理学与天文学同源都来自占星术，理化在历史上并不同源。量子力学发现以前，物理与化学有一定联系但根基不同，直到量子力学的发现，这两门学科才彻底在理论上相通。不过由于化学独自发展了很长时间，在范式与侧重点上依然与物理有很大区别。 ② 认为化学研究的是化学现象，并以为化学现象等同于化学反应 化学反应是最典型的化学现象，但化学现象不止化学反应。电离、活化、电极反应等现象也是化学现象，然而这些现象不符合化学反应的定义。一般来说，物质的化学状态发生改变的现象都属于化学现象。除了动态的以外，静态的现象——物质以某种化学形式存在的现象同样属于化学现象。举个例子，氧气在常温常压下以无色气体的形式存在，这是物理现象，而氧气在常温常压下以直线型氧分子的形式存在，这就属于化学现象。同分异构现象就是一种典型的静态化学现象。总之，物质保持或改变其化学状态的现象都属于化学现象。 此外，化学侧重制备，与制备密切相关的现象和技术都是化学研究的对象。其中最典型的当然是化学现象，但仅仅研究化学现象是不够的，制备过程中的物理现象必须参透；分离、分析等技术必须掌握。由于种种制备刚需，化学逐步完善学科体系，逐渐形成各个分支，例如研究理化现象原理的物理化学、研究物质识别技术的分析化学等等。 从化学的定义就能澄清对研究对象的误解——化学是研究物质的组成、结构、性质和变化的自然科学。其中“物质（matter）”这个词不太明确，在化学中一般特指“化学物质（substance）”，包括化学元素、化合物等等。因此对定义稍作修改——化学是研究化学物质的分布、结构、性质和变化的自然科学。从定义中不难看出，化学的研究内容并没有单指化学现象，更遑论化学反应了，而且并不局限于原子分子水平，宏观现象同样会研究。其实化学完全可以中文命名为“化学物质学”，类似“生物学”，能直接从名称中明确研究对象。 误解没了，就能好好谈关系—— 有不少人觉得，如果技术成熟到能通过理论计算解释化学了，是不是化学就归入物理了？太天真了。 物理作为自然科学的领头羊，研究最基本的自然规律，其研究对象包罗万象，不仅原子分子凝聚态要研究，还要研究生物、天体等等，是不是天文学生物学也统统归入物理实现天下大同啊？非也！ 即使天文与物理起源相同、理论根基一致、研究范式相似得令人发指，依然分离成了两个一级学科，何况化学？人类的精力有限，一门学科太大是啃不完的，不利于人才培养。按照当今的分科趋势，只会根据工程技术需求越分越细。核科学与力学都快从物理分出去了，就别谈合并化学了。无论最终化学能否被物理彻底解释，more is or isn't different，化学都不会消亡。 诚然，物理学的广度是化学无法比拟的，与化学物质关系不大的领域是纯粹的物理，比如粒子物理、相对论、量子计算等等。那么理化交叉的部分就没区别了？并非如此。 类似天文相对物理更侧重天文观测，化学更侧重物质制备。大部分化学家更关心如何制备新奇结构、如何改进制备方法。所以化学的世界难题或终极问题往往不是大自然之谜，而是化学合成的极限等技术问题。这样看起来化学更像工科，不过区别于一般工科，化学家不一定关心他们发现的新结构、新制备方法是否有实际运用，仅仅是在探索，在与“造物主”切磋技艺。当然也有一部分研究现象的化学家，两门学科最大的联系也在这些领域，只不过化学家侧重化学现象与界面现象，物理学家侧重电磁现象与宏观量子现象。 言而总之，在“现象”层次化学几乎是物理的子集，重叠部分联系紧密而侧重不同，皆可大量应用数学工具；而在“物质制备”层次，基本是纯粹化学的菜，缘于此领域，化学比物理更重视动手能力，这个领域暂时还做不到高效利用数学工具。 阅读原文
