本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
现代科学发展四百年以来，科学越来越被视为理解和改善世界的工具，以及一种艺术形式。科学的发展经常被实践者描述为“美丽”和“优雅”，不同类型的科学家使用不同的标准。科学中优雅的概念在二十世纪物理学的鼎盛时期尤为明显。少数使用强大的数学工具探索亚原子世界和浩瀚宇宙的科学家们对优雅有自己的定义，这些定义通常与数学美联系在一起，尽管不乏优雅的实验，原则上可以驳倒这些美丽的理论。例如，保罗·狄拉克就以坚持方程必须美观而闻名。他自己的狄拉克方程是美的独特例子；它只有半行长，却完全解释了电子的行为，同时考虑了狭义相对论并预测了反物质。
作为一名化学家，我想知道科学作为艺术的这些概念如何应用于我自己的领域。化学比物理学更像是一门实验科学，那么这是否意味着对优雅和美的真实或感知的幻想在化学中毫无意义？大多数化学家会以响亮的“不”来回答，尽管每位化学家可能对此主题都有自己的看法。
化学作为艺术形式的最佳体现是在黑板和实验室笔记本上绘制的精确分子结构，包括键和原子、楔形和虚线。这些结构有时反映了伟大的艺术，以既能启发又能迷惑的方式代表了人类对现实的最佳诠释。但在有机合成的科学和艺术中，这门科学最接近建筑学，您可以在这里找到最被接受的化学优雅定义。有机合成涉及构建复杂的三维分子，类似于建造大教堂。有机化学家会告诉您，当一个复杂的合成只需几个步骤即可完成，并具有最大的纯度、产率和立体选择性（即，仅产生所需量的特定分子的几种可能的镜像形式之一），使用最温和条件下最良性的试剂时，它是优雅的。诺贝尔奖获得者约翰·康福思说得好：他将完美的合成定义为单臂科学家可以通过将化学物质混合物倒入排水沟并在另一端以百分之百的产率和立体选择性收集产物来完成的合成。产生许多必需化合物（如激素和神经递质）的生物合成反应特别适合优雅的定义。
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在这些反应中，您通常可以获得真正优雅的键形成和断裂级联，只需一步或几步即可安装多个立体化学中心，这是大自然花费数十亿年才完善的复杂舞蹈。但有机化学家在模仿这种舞蹈的至少基本步骤方面并不落后。罗伯特·罗宾逊的阿托品合成是一个受自然启发的简短而优雅的结构的经典例子。威廉·约翰逊通过惊人的仿生级联合成性激素孕酮也是如此。我记得这两个例子在我本科时都让我感到冷淡。
有机合成无疑已经确立了对化学优雅的宏伟愿望。但在超分子化学时代，优雅正在以另一种方式定义，即通过自组装。传统的有机合成处理复杂分子的逐步构建，基本上一次构建一个键。但在超分子化学中，简单的构建块仅通过将试剂混合在一起即可自组装成高度复杂的化学结构和纳米材料。一个有说服力的例子是简单的草酸钠和氯化钙在水热条件下混合产生的复杂、对称、笼状网络。超分子化学家和固态化学家正在追溯化学的旧时代，那时您只需将简单的化学物质以不同的比例组合在一起即可获得有趣的结果。此外，自组装引导的化学在生命的化学起源过程中至关重要。这种合成的建筑对应物将是预制砖，这些砖可以简单地自组装成所需的摩天大楼。
但优雅的含义绝对不仅仅是复杂分子的合成构建。有机化学家可能会在产率、立体选择性和温和条件下来定义优雅，但这种定义对于研究酶的生物化学家来说用途不大，因为对于几乎所有酶来说，在它们存在的每一刻完成这个目标都是小菜一碟。碳酸酐酶、固氮酶和过氧化物酶仅仅是酶的三个例子，它们在室温下漫不经心地进行着它们的工作，其惊人的效率会让有机化学家永远感到羞愧。对于生物化学家来说，这种优雅已经过时了。或者这是一种日常的奇迹，这取决于您如何看待它。相反，对于生物化学家来说，信号转导级联，其中单个分子的结合会引发一系列精确的分子事件，涉及数十种生物分子，最终导致基因表达，这一定像是一个真正的奇迹。肾上腺素与β-肾上腺素能受体的结合以及随之而来的完美编排的生物分子音乐交响曲，导致明显的生理反应（如战斗或逃跑），这肯定显得很优雅。
在化学的其他领域，优雅的定义可能既更棘手又更有趣。例如，考虑我自己的理论和计算化学领域。理论化学家使用量子力学来描述化学系统。由于量子力学适用于，嗯，一切，原则上你可以用它来分析任何化学或生物化学系统。在实践中，给定一个相对简单的系统，可以使用高水平的量子化学理论非常准确地描述它。使用这些技术，您可以获得精确到小数点后十二位的答案，让您感受到理论物理学家有时沉浸其中的那种绝对可靠的感觉。这优雅吗？乍一看，似乎是这样，因为您正在使用自然界中最基本的理论来获得前所未有的精确度。此外，这种方法似乎满足了数学家和物理学家提出的最重要的优雅标准之一，即普适性。但是请仔细考虑一下，您通常可以使用经过明智参数化的力场和一种称为分子力学的技术，获得相同的结果，精度较低（但仍然非常准确）。力场只是一组描述分子中各种力和相互作用（例如键的拉伸和弯曲以及原子之间的静电吸引和排斥）的术语，以及一组通常从实验数据中导出的参数。
如果在大量的复杂数学和数天的计算机时间之间，以及几分钟的计算机时间和您可以写在鸡尾酒餐巾背面的极其简单的分子力学方程之间进行选择（下次您在聚会上时，在潜在的约会对象身上尝试一下；他们会印象深刻的），您会说哪个更优雅？诚然，后者是用实验测量值参数化的，并且不如前者准确和普遍，但它仍然足够好。更重要的是，如果简洁是优雅的标志之一，那么后一种方法难道不会被认为是更优雅吗？值得思考。
从这次讨论中可以清楚地看出，毫不奇怪，优雅是情人眼里出西施。但最终，科学中重要的不是优雅，而是发现新事物的能力。使化学与众不同的一件事是它制造以前不存在的新物质的能力。如果化学家能够找到更有效地实现这一目标的技术，那么他们可以被原谅没有过多考虑优雅。毕竟，一位著名的物理学家本人曾经说过，“优雅的事情应该留给鞋匠和裁缝......”。作为化学家，我们（部分）同意。
这是对之前帖子的修订和更新版本