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
数学家赫尔曼·外尔对他的学科做出了许多不同的贡献，他曾经做出惊人的断言，即每当他必须在他的作品中在真理和美之间做出选择时，他通常会选择美。外尔在普林斯顿高等研究院工作，该研究院的印章体现了美和真理。数学家和理论物理学家尤其对美的概念敏感。他们当然有历史站在他们这边；一些最伟大的物理学方程和数学理论都闪耀着简洁、优雅和令人惊讶的普遍性，这些品质使它们变得美丽。像外尔一样，保罗·狄拉克也以赞美他的作品中的美而闻名，他曾说过，世界上没有丑陋数学的位置；以他的名字命名的方程是他对宇宙和谐的信念的证明。
你如何定义和调和化学中的真理和美？化学真理就是化学美吗？在化学中，情况比较棘手，因为化学比物理学更像是一门实验科学，它基于模型而不是普遍的、包罗万象的理论。化学家比物理学家更陶醉于他们学科的细节；在物理学家弗里曼·戴森的字典里，化学家将是青蛙而不是鸟。也许热力学的简洁方程最接近于定义化学中的美，但物理学也可以同样声称拥有这些方程。是否存在一种典型的化学美学概念，它与任何真理定义有何关系？济慈曾说过，“美即真理，真理即美”。这在化学中是真实的吗？
在这一点上，将化学中的美与一般科学中的美进行比较是有益的。虽然科学美可能带有主观性，但许多被认为是美丽的解释性科学框架似乎都具有某些共同的品质。这些品质中最重要的是普遍性和简洁性；更具体地说，是从简单性中解释复杂性创造的能力。例如，在物理学中，狄拉克方程被认为是美的极致典范，因为它用六个符号就基本上解释了电子的所有性质，并将其与狭义相对论统一起来。在数学中，一个证明——例如欧几里得关于素数无限性的证明——如果它结合了简洁、普遍性和令人惊讶的品质，就被认为是美丽的。美在生物学中也是固有的。达尔文的自然选择理论被认为是特别优雅的，因为它就像物理学中的方程或数学中的定理一样，用几句简单的话解释了现象的非凡多样性。
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在化学中不容易找到类似的美学概念，但如果我们仔细观察周围，我们确实会发现例子，即使它们听起来可能不像化学的姊妹学科那样深刻或普遍。也许化学中美的缩影是合成的科学和艺术，合成是化学科学的核心活动，并且在很大程度上负责现代物质世界的创造。没有人比美国有机化学家罗伯特·伯恩斯·伍德沃德更能体现这种艺术形式。伍德沃德在他的一生中磨练了化学合成——复杂的三维分子的艰苦、逐步构建——使其地位非常类似于不朽的建筑或绘画。他合成了分子——士的宁、利血平、叶绿素、维生素B12——它们的合成令人难以置信；诺贝尔委员会在授予他诺贝尔奖时将他比作自然本身。这些结构的原子级创造结合了沙特尔大教堂令人叹为观止的优雅和旧金山海湾大桥的实用经济性。今天，合成技术已经非常完善，以至于其中大部分已成为研究生的日常任务，但分子结构的丰富性和原子装饰的绝对多样性仍然令人叹为观止。
此外，合成——无论是在试管中还是在自然界中——都向我们展示了原子等同于芭蕾舞的优雅，电子从一个键和一个原子到另一个原子的优雅运动，这是许多大学生在期末考试周的祸根。这种优雅特别诱人的原因是它在很大程度上是虚构的；实际上，分子只是原子核和电子的集合，仅此而已，我们可能用来表示其行为的任何类型的键合和电子转移方案都是为了意义而在纸上精心制作的精巧外表。尽管如此，化学家熟悉的分子芭蕾舞每天都在他们的烧瓶和我们的身体中上演，酶以近乎完美的效率编排着令人难以置信的化学转化壮举。
但是，如果要真正将化学与物理学或数学进行比较，我们可能会关注更概念性的进展。这些例子中的许多例子在化学键理论中最为明显，因为这些理论原则上是所有化学的基础。当我学习晶体场理论时，我当然看到了优雅。晶体场理论使用分子轨道能量分裂的一些简单概念来解释数千种化合物的颜色、磁性和电学性质；它会告诉你为什么红宝石是红色的，祖母绿是绿色的。晶体场理论不是一个定量的框架，它并不完美，但它可以教给高中生，并且具有充分的定性解释能力。另一个以其纯粹的简洁性给我留下深刻印象的次要化学概念是VSEPR（价层电子对互斥理论）。VSEPR 根据分子的价电子数预测简单分子的形状。使用 VSEPR 计算分子的几何形状的后果实际上是一项草稿纸上的练习。这是一种人们可以称之为“可爱”的想法，但在其自身的有限方式中，它当然是优雅的。键合领域的另一个范例是休克尔理论。休克尔理论旨在预测不饱和分子（如乙烯和苯）的轨道能量和性质。例如，它会告诉你为什么西红柿是红色的，以及当光子击中你的视网膜时会发生什么。同样，该理论不如随后出现的一些高级方法那样严格，但就其简洁性而言，它既优雅又非常有用。
顺便说一句，任何想要了解化学美的人都应该阅读莱纳斯·鲍林的地标性著作“化学键的本质”。这本书仍然是关于如何通过应用一些简单、优雅的规则来理解无数种现象和分子结构的终极范例。这些规则是通过经验数据和严格的量子力学计算相结合而得出的。这个事实可能会立即导致纯粹的物理学家谴责化学中任何美的暗示，但他们是错误的。化学不是应用物理学，它的经验主义和理论的独特结合构成了它自己的一套解释性基本原理，在各方面都与狄拉克方程或爱因斯坦的场方程对物理学一样具有基础性。
提到经验主义和理论之间的差异让我想起我曾经与一位同事的谈话，这与我们讨论化学中的优雅和美有关。我们正在争论使用分子力学和量子力学计算分子性质的优点。分子力学是一种简单的方法，当使用经验实验信息进行参数化时，它可以给出准确的结果。量子力学是一种复杂的方法，它可以给出严格的、第一性原理的结果，而无需任何参数化。问题是，量子力学还是分子力学更“优雅”？量子力学确实从头开始计算一切，原则上是化学的完美理论，但对于现实分子系统的真正严格和准确的计算，它的方程可能会变得复杂、笨拙，并且可能占用好几页。另一方面，分子力学可以用几个简单的数学术语来表示，这些术语可以潦草地写在餐巾纸的背面。与量子力学不同，对参数化良好的分子进行分子力学计算只需几分钟，并且可以给出与更严格的对应物的精度相当的结果。当然，该方法需要进行广泛的参数化，但有人可能会争辩说，其简单的表示使其比量子力学更“优雅”。此外，在实际基础上，人们甚至可能不需要量子力学的精度来进行他们的研究。根据上下文和需求，不同程度的精度可能足以满足化学从业者的需求；例如，相对能量的计算可能不受每个计算中的恒定误差的影响，但绝对能量的计算将不能容忍这种误差。讨论清楚地表明，虽然优雅的定义在某种程度上是主观的和哲学性的，但在化学中，优雅的定义可以像完美理论框架和极端严格一样，由实际的可访问性和便利性来定义。在化学中，“真理”可以等同于“效用”。从这个意义上讲，化学家类似于木匠，他根据是否有人可以舒适地坐在上面来判断他的椅子的“真理”。
虽然这些对化学键理论中美的阐述是抽象的，但在自然界通过进化精心制作的奇妙的小型分子机器中，化学的美还有更鲜明和明显的体现。这对于一般的晶体结构，尤其是蛋白质结构来说是真实的。已经揭开关键蛋白质秘密的 X 射线晶体学家都非常清楚这种美。考虑几乎任何沉积在蛋白质数据库 (PDB) 中的蛋白质结构——世界上最大的蛋白质结构存储库——人们立即意识到自然界构件的绝对多样性和令人敬畏的空间排列。作为一个以查看蛋白质和配体结构为生的人，我可以花几天时间盯着这些实体的规律性和精确的结构。像核糖体这样一种极其重要的生化物体的结构当然令人赏心悦目，但更重要的是，它包含极少的冗余元素，并且由恰好足够数量的组成部分组成，足以使其执行其功能。它就像莫扎特的歌剧，只包含必要的东西。此外，这些结构通常显示出对称元素，这始终是任何领域中考虑美的重要标准。因此，优雅的分子结构，尤其是蛋白质结构，跨越了数学家和生物学家对美的概念；它是简洁性的响亮范例，并且类似于生物学家在甲壳类动物和硅藻等生物中发现的几何和谐思想。
随后的讨论可能会让人觉得化学缺乏宏大的解释性理论的普遍美，并且必须将自己降级为通过特定模型对优雅和美的有限展示。但化学也具有物理学、数学或生物学所没有的美的特征。这在很大程度上体现在分子结构的绘制中，分子结构的绘制是化学家日常工作中不可分割的一部分。这些笔迹展示使化学与视觉艺术和建筑处于同一水平，并赋予它一种独特的艺术元素，几乎没有其他科学可以声称拥有这种元素。它们构成创造行为，而不仅仅是对现有现象的欣赏。还有哪种科学家会花费大部分工作时间观察和操作线条、圆形、多边形及其交点？只有在化学中才可能存在罗伯特·伯恩斯·伍德沃德，他可以用令人惊叹的美丽彩色手绘结构填满整个黑板，并将这块化学画布作为他三个小时演讲的主要焦点。
在思考这些优雅的结构时，我们最初的问题再次出现：这些图纸中的美是真理吗？在这种情况下值得重申的是，化学家绘制的几乎所有结构都是纯粹方便的虚构！考虑典型的原型芳香烃苯，用其交替的双键绘制。实际上没有双键，甚至没有代表部分双键的虚线。我们画在纸上的每一个其他分子也是如此，在这些分子中，一维几何表示完全无法胜任与真实实体对应的任务。就像化学中的几乎所有其他事物一样，这些都是模型。然而，想想这些模型是多么有用。它们已经进入每一位雄心勃勃的化学学生的教科书，并构成了世界各地化学家将原油等原材料的糟粕转化为制药、塑料和催化剂等极其有用的产品的黄金的主要工具。伟大的物理学家尤金·维格纳曾写过一篇有影响力的文章，题为“数学在自然科学中不合理的有效性”。维格纳对纸上数学符号的人为涂鸦与自然世界的真实基本构建块（如基本粒子）之间不可思议的对应关系表示敬畏。化学家需要对他们的箭头推动、分子椅和船以及这些操作的表现形式（即烧杯中的真实固体、液体和气体）之间的对应关系表示类似的敬畏。一种箭头推动导致癌症药物的产生，另一种箭头推动导致更好的石油精炼催化剂。在这种情况下，分子结构的美非常壮观地对应于真理。
最后，是否像外尔那样，化学家必须为了美而牺牲真理？与数学和物理学中的方程在解释世界方面异常强大不同，在混乱的化学世界中，这种牺牲可能会浪费和危险得多。伍德沃德在他的科普演讲中最好地表达了这一点，他承认了化学与数学相比的特殊挑战
“虽然在数学中，大概一个人的想象力可以不受限制地驰骋，但在化学中，一个人的想法，无论它们本身多么美丽、逻辑、优雅、富有想象力，都毫无价值，除非它们实际上适用于我们拥有的唯一物理环境——简而言之，它们只有在有效时才好！我个人非常享受这种对幻想的物理约束所带来的非常特殊的挑战。”
伍德沃德谈到的“对幻想的物理约束”使每位化学家都不会因追求美而牺牲真理。美仍然占据主导地位，并且是化学家计划合成、解析 X 射线结构、计算分子性质或将两种简单的化学物质混合在一起并期望它们形成奇妙而复杂的晶格时的指导力量。但与济慈不同，化学家知道真理可能是美，但美可能不是真理。正如伍德沃德所说，“在化学中，想法必须回应现实”。而现实往往以自己的方式定义美。
这是最初发表在 The Curious Wavefunction 博客上的帖子的修改版本。