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中科院院士吴征铠:自然科学需要重新分类

http://www.sina.com.cn 2000年4月10日 13:12 光明日报

  在最先的时候,并没有分学科。“一事不知,儒者之耻”、“上知天文,下知地理”就是明证。渐渐地,知识累积得 愈来愈快,就有了分工,学科也分别成长。大概在二三百年前形成了各种学科。在认识自然方面,有六大学科,数、理、化、 天、地、生,一直沿用到今日。

  学科是发展的。以化学为例,自从有了原子分子学说以后,化学的任务是认识分子,变革分子。在化学变化中,原子 是守恒的。在变革分子的量的关系中人们可以定出分子的原子组成,当时认为认识分子的组成就可以认识分子。自从发现了同 分异构以后,知道分子的性质不仅决定于它的组分还要看它的结构。研究结构用物理方法比化学方法更好。不仅如此,化学反 应受外界条件影响的研究也牵涉到属于物理的热、声、光、电、磁等,于是产生了许多新学科,如热化学、电化学等新的物理 化学学科。到了上世纪末,发现了电子和原子核,于是物质不灭定律就变成为原子核和电子守恒定律。但是化学家最关心的问 题,“原子如何形成分子”?还没有解决,因之而有各种、各样的猜测,如八隅说、电子对说等,但都是些想象。到本世纪初 ,量子学说出现了,那是一个革命的学说,很难接受,但与实验符合。后来出现了量子力学,也叫波动力学。人们用它解决了 氢原子的光谱问题,后来又用它解决了氢分子离子问题,最重要的是用近似法求得氢分子的能级,尤其是它能算出电子在分子 中的分布。于是,电子不再是粒子而是像云一样地分布在两个氢原子中间,和化学家所想象的一样,这就开始了人们对化学键 的了解。随着计算技术的发展,量子化学学科开始形成,并且发展得很快,这一学科是物理和化学的共同产物。

  不仅这一个例子,事实上现在已经找不到一个纯粹的化学变化或物理变化,水从气态变成液体时,产生许多氢键,因 之它同时具有物理变化和化学变化双重性质。可以说,原来的分类已经发展了。再从这两种变化中的守恒关系看,物理变化中 ,本来假定分子守恒,而化学变化中,电子和原子核守恒。而水在液体时不是H20,是多种缔合物,分子并不守恒。因此, 在分子问题中,化学和物理几乎都是并肩工作的。分子中主要作用力是键力,但除它之外,还有许多种力。分子间就有van derwaals力,那是使分子从气体转变成液体的主要的力,范(vanderwaals)氏力的本质也是电的,也可 以从量子力学求得,分子中除了键力之外还有好多类似于范氏力的相互作用,这些作用都随着距离的加大而有不同程度的迅速 减少。但在凝固态中,相互作用在概念上提出新的问题。什么是分子?分子最初是哲学家设想为用机械方法破分的最小单位, 这已经过时了,必须加以扩大,它应包括普通的化学键饱和分子,许多象金刚石那样的大分子,有不饱和化学键的自由基、离 子等。它们的共同特点是有一定的稳定性,由原子核和电子组成但不一定是电中性的,都可以用量子力学来处理的物质系统。 从这一定义出发原来的数、理、化、天(一部分)、地(一部分)、生都可以合并为一个科学---分子科学。这是一门基础 科学,是为了认识宏观世界的。认识世界的其他基础科学是核科学和亚核科学等。

  我国的教学计划不能再用老一套将物理、化学、生物分开,而必须合在分子科学的旗下,虽然可以有重点地培养,但 一定使学生了解它们的关系。所有学生都应有一定的数学基础,实验和理论计算也要有一定的训练,但可以有重点地让学生选 择。也就是说,学生必须具备宽泛的基础和对科学的发展的正确认识,才能适应学科新而快的发展。站得高,看得远并具有发 展的基础,学科的重新分类有利于人才的培养。

  提出新学科分类时,基础学科所提的分子科学是很大的,学校可以根据具体情况,开设专业,如化学物理、生物化学 等交叉原来学科的专业,也可以保留合成化学等专业。现代合成化学也要应用各种物理方法和量子理论而决不是单纯的古典的 实验方法。生物中的动物学、植物学也应用DNA等现代手段。总之,和打仗一样,各种现代手段都要用上。天文学是一个用 到物理、高能物理、化学、数学等知识的科学。

  它一部分是核科学、亚核科学,另一部分是分子科学。星际空间有许多分子,对它们的研究可能对宇宙演化、生命起 源有意义。




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