物理是化学的前提吗？ | 袁岚峰

最近，有网友提问：物理是化学的前提吗？其实我的专业就是“化学物理”，即化学与物理的交叉学科（https://weibo.com/3710258141/OlFl2jRXx）。因此，我对化学与物理的关系比较有了解。

简单的回答是：化学的理论基础确实就是物理。具体一点的回答是：化学的理论基础是量子力学与统计力学，有时还要用到相对论。

更具体一点的解释是，原子是由原子核与电子组成的，化学研究的就是原子核不变前提下电子的重新组合。准确描述电子、原子、分子体系的理论，就是量子力学。量子力学有很多内容，在化学中用的最多的就是薛定谔方程。它是一个微分方程，通过解这个方程可以确定任何一个微观体系的状态，由此可以确定任何物理量的期待值。我的专业中有很大一部分，就是寻找各种方法，来精确地或近似地解薛定谔方程，这叫做量子化学，或者叫做第一性原理计算。

以上说的是如何得到单个原子、单个分子的性质，而如果要得到大量原子分子的体系的性质，例如固体、液体、气体，那么又需要一个层次的理论，叫做统计力学。统计力学的基本思想是，描述一个体系的宏观状态只需要几个参数（如体积、温度、原子数），而描述一个体系的微观状态需要大量的参数（每一个原子在每一个瞬间处于什么状态），因此有大量的微观态都对应同一个宏观态。然后统计力学引进一个关键的假设：属于同一个宏观态的所有微观态都具有相等的概率。请注意这里的关键词是概率，这是牛顿以来概率第一次回到了科学的中心位置。基于这个等概率假设，统计力学就可以发展出一整套理论，做出很多定量的预测，例如某种物质在某种条件下是固体还是液体，有没有磁性，熔点、沸点是多少……因此，统计力学是微观与宏观之间的桥梁，通过统计力学我们才能预测物质的宏观性质。

你可能想问，量子力学跟统计力学之间是什么关系？回答是，它们俩是不同层面的理论。统计力学需要对应某种微观的力学，这个微观的力学既可以是量子力学，也可以是经典力学，相应地有量子统计和经典统计。当然，经典力学是量子力学的近似理论，所以经典统计也是量子统计的近似理论。

那么，相对论又是个什么性质的理论呢？往大里说，它是描述时空的理论。根据广义相对论，有质量的物体会导致时空弯曲，而时空的弯曲又会改变物质的轨迹。不过在化学中，大部分时候用不到广义相对论，用到狭义相对论的机会倒是不少。狭义相对论告诉我们，物体的速度接近光速时，会发生一系列现象，质量会增大，时间会变慢，长度会缩短等等。在化学中，重元素的内层电子速度很高，接近光速，因此这些狭义相对论效应会很显著，需要考虑相对论修正。由此会导致一些有趣的现象，例如镧系收缩。稀土之所以难以分离，原因就在于此。

在物理学中，相对论跟量子力学是同一层面的理论，它们都是当今物理学的基础。仔细想想，就会发现这是个奇怪的状况，——基础理论怎么会有两个呢？如果是真正基础的理论，应该只有一个才对。所以一直有很多人在努力把量子力学跟相对论融合起来，但还没有成功。

最后，我们回到网友的问题：物理是化学的前提吗？这又需要多一重考虑了。如果前提指的是，物理是化学的理论基础，那回答肯定是的。如果前提指的是，没有物理就不能有化学，那回答肯定是并非如此。历史上，物理跟化学在很长时间内是平行发展的。在发现量子力学之前，普利斯特列、拉瓦锡、道尔顿、门捷列夫等人已经对化学做出了杰出的贡献。

甚至在有了量子力学之后，我们在很多时候也并不需要精确求解薛定谔方程，仅仅通过近似的定性理论，就可以得到很多重要的结果。例如我的博士后导师Roald Hoffmann教授，就是因为提出一种定性分子轨道理论，用它解释了电环反应中的立体选择性（在大学学过有机化学的同学应该知道，Woodward-Hoffmann规则），获得了1981年诺贝尔化学奖。

这对我的科普也有巨大的启发：很多时候，并不需要把全部的细节都告诉读者，也能让读者对一个领域的大图景获得很多了解。

更广而言之：只要是你真正理解的，你都能够解释得让别人理解。