關于這個問題,我首先引用霍金《大設計》一書中的觀點:化學是一種有效的理論; 因為我們不能用很多很多的量子力學方程來描述化學反應的過程,所以我們需要像化學這樣有效的理論。 在宏觀層面描述化學反應的理論。 所以目前來說,化學不能統(tǒng)一到物理中化學物理專業(yè)是什么,也是沒有意義的。
那么化學和物理有什么關系呢? 量子力學所描述的定律作用于微觀世界的粒子,因此任何粒子的行為都受到這一基本定律的制約。 那么化學過程中物質的相互作用是通過微觀視場中的許多粒子(原子核、電子等)來表示的。 化學反應的相互作用和出現(xiàn)是許多粒子行為的宏觀結果。 可以說,物理學是化學的理論基石,化學反應也無法逃脫物理定律的約束。
那么化學和物理學中對粒子的研究有什么區(qū)別呢? 首先,標題的解釋不恰當。 現(xiàn)代物理學的主要分支是宇宙學和量子力學。 宇宙學基于愛因斯坦的廣義相對論。 它研究星系演化、黑洞演化、宇宙起源、時空結構等,研究宇宙最大宏觀尺度上的現(xiàn)象。 引用我一個研究宇宙學的朋友的話:他對太陽系內的東西不感興趣。 研究粒子的物理學是量子力學。 量子力學最杰出的結晶是標準模型,它有三個分支:量子力學電動力學(QED)、量子力學角動力學(QAD)和量子力學色動力學(QCD)。 ),標準模型包含第3族的12種基本粒子(電子、中微子、一對夸克)以及由它們組成的各種粒子,如常見的質子、中子、介子以及四大信使粒子(光子-電磁相互作用、引力子 - 萬有引力,膠子 - 強相互作用,弱規(guī)范玻色子 - 弱相互作用)。 由此我們也可以看出物理學研究的粒子范疇是什么,即質子、中子尺度以下的粒子和基本粒子,而化學仍然停留在原子核、電子尺度以上。 從本質上講化學物理專業(yè)是什么,化學反應只涉及電磁相互作用及其現(xiàn)象,而物理學則關注四種基本力在微觀尺度上的表現(xiàn)。
所以,回到霍金的話,我們可以說化學反應是大量量子過程的集合,但我們不能用量子力學來描述化學反應。 化學是我們需要在更大范圍內描述物質相互作用的有效理論。 在宏觀尺度上,化學主要涉及熱力學定律,而物理學中的熱力學定律則是宏觀領域的理論,描述大量粒子運動的統(tǒng)計特征。 然而,我們不可能用量子力學來描述熱力學過程; 在微觀尺度上,也即物理化學涉及到量子力學。 由于薛定諤方程描述的勢阱的存在(當然理論解釋不止一種),電子云如何分布,電子如何獲得能量突破勢阱成為自由電子,如以及電子云的分布。 如何使元素分子(或原子)具有某些特性,可以揭示化學反應的本質,但物理學家只負責做方程,并不關心解元素方程的結果。
那么終極理論(的)會取代或能夠取代化學嗎? 我的回答是,不。 正如B.格林在《優(yōu)雅的宇宙》中所說,終極理論不會是所有科學的終點,而是所有科學的起點。 這將是人類文明真正進入文明狀態(tài)的開始。 它是科學、技術的開端,是蓬勃思維的起點。
