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
最近，我读到一位著名化学家的评论，他说在化学中，直觉比物理学重要得多。这是一个奇怪的评论，因为直觉是那种难以定义的东西，但大多数玩游戏的人在看到它时都会欣赏它。毫无疑问，它在任何科学学科中都很重要，在物理学中当然也是如此；例如，爱因斯坦被认为是那个时代杰出的直觉主义者，他对物理现实的把握无需数学分析，无人能及。但在我看来，“化学直觉”这个词似乎比“物理直觉”更常听到。当谈到直觉时，化学家似乎更像金融交易员、地缘政治专家和心理学家，而不是物理学家。
为什么会这样呢？ 简单的原因是，与物理学不同，在化学中，纸上谈兵的数学运算和理论化只能带你走这么远。虽然纸上谈兵的推测和数量级计算当然非常有价值，但没有化学家可以通过简单地进行数学运算来设计沸石、预测复杂聚合物合成的最终产物或列出潜在药物可能具有的生物学特性。正如伟大的有机化学家 R B 伍德沃德曾经说过他决定追求化学而不是数学时所说的那样，在化学中，思想必须回应现实。化学比物理学更像是一门建立在严谨和经验模型基础上的实验科学，正如统计学家乔治·博克斯曾经令人难忘地讽刺的那样，所有模型都是错误的，但有些是有用的。正是化学直觉可以将好模型与坏模型区分开来。
那么，如何获得化学直觉呢？ 所有化学家都渴望直觉，但很少有人拥有它。它很难定义，但我认为一个好的定义是，它是一种品质，可以让人跳过许多细节，直接获得本质结果，通常是违反直觉的结果。这个定义让我想起哲学家丹尼尔·丹尼特最近写的一本书，他在书中描述了一种名为“直觉泵”的智力工具。“直觉泵”本质上是一种捷径——从语言技巧到思想实验——它可以让人绕过通常的严格而有条不紊的分析过程，直奔主题。许多化学思维都涉及到驾驭直觉泵的精妙艺术。这是提出简单而决定性的问题，直击问题核心的艺术。就像新颖的数学证明一样，化学直觉的瞬间蕴含着一丝惊喜。与真正巧妙的数学推导一样，它应该理想地引导我们拍拍脑门，问问自己为什么之前没想到如此简单的东西。
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最终，当涉及到驾驭直觉时，经验是无可替代的。然而，过去五十年来的艺术大师们已经传授了关于如何获得直觉的宝贵经验。以下是我注意到的三点，我认为它们同样适用于其他学科，也适用于化学。
1. 不要忽视显而易见的事实：化学作为一门科学最引人注目的特点之一是，颜色、气味、味道和元素状态等非常明显的性质与分子结构直接相关。例如，简单分子顺式-3-己烯醇的气味与新鲜割草的气味之间存在令人难忘的直接联系。一旦你分别闻到这两种气味，就几乎不可能忘记这种联系。以直觉著称的化学家永远不会忽视这些简单的分子性质，他们将其用作令人信服的过滤器，可以穿透复杂的计算和数百万美元的化学分析。
我记得一个关于加州理工学院化学家哈里·格雷（他是彩色化合物等方面的专家）的轶事，他曾经仅仅通过询问拟议化合物的颜色就否定了一些复杂的量子力学计算的预测；显然，如果该化合物具有特定的颜色，那么计算就不可能是正确的。当您沉浸在费力的化合物表征、计算建模和统计显著性中时，不要忘记您可以品尝、触摸、闻到和看到的东西。正如平克·弗洛伊德所说，这就是你世界的一切。
2. 培养对能量学的感悟：化学的本质可以归结为无数因素的殊死搏斗，这些因素要么支持，要么反对系统可以提供的有用能量——技术上称为自由能。从某种意义上说，整个化学就是一个大型多变量优化问题。当您设计分子作为抗癌剂、用于储氢或太阳能转换或作为酶模拟物时，最终决定它们是否会起作用的是能量学，它们如何能够稳定和被稳定，并最终降低系统的自由能。在这种情况下，对数字的深入了解可以有所帮助。培养对氢键、静电、空间相互作用和溶剂影响（本质上是决定化学系统命运的所有重要分子间力）所做的粗略贡献的感悟。这对于从事化学和生物学交叉领域的化学家尤其重要；请记住，生命是在3 千卡/摩尔的窗口内进行的游戏，任何让您能够确定此窗口内数字的洞察力都只能有所帮助。范德华半径和键长等其他参数也是如此。莱纳斯·鲍林躺在床上感冒时，他设法构建了蛋白质结构的精确模型，这主要基于他对这些数字的无与伦比的感悟。每位化学家都可以向恩里科·费米无与伦比的直觉学习，他抛掷了第一颗原子弹爆炸时空中的纸片，并使用它们落下的距离来粗略估算产量。
诺贝尔奖得主化学家罗尔德·霍夫曼讲述在最近一期《美国科学家》杂志上的一个故事，说明了通过思考能量学获得的见解的一个引人注目的例子。霍夫曼在理论上研究了石墨烯在高压下转化为石墨烷的过程，石墨烷是石墨烯的饱和对应物（其中所有双键都已转化为单键）。在进行了一些高水平计算后，他的学生走进他的办公室，传达了一个非常违反直觉的结果；显然，石墨烷比等量的苯更稳定。这是非常违反直觉的，因为每个化学专业的学生都知道，由于普遍存在的共振现象，具有交替双键的所谓芳香族化合物比其单键类似物更稳定。霍夫曼无法相信这个结果，他的第一反应是怀疑计算一定出了问题。
然后，正如他自己回忆的那样，他向后靠在椅子上，闭上眼睛，将半个世纪的化学直觉用于解决这个问题。最终，在完成所有账目后，结果证明这只是能量学的一个简单结果；形成强碳-碳键获得的能量超过了由于芳香性丧失而产生的能量。诺贝尔奖得主花了一些时间才弄清楚结果，这绝不是批评，而是对从简单能量学的角度思考的有力验证。化学充满了惊喜——即使对于罗尔德·霍夫曼来说也是如此——这就是它永无止境的令人兴奋之处。
3. 与基础知识保持联系，并向其他领域学习：这是一个经常被重复但很少实践的教训。我的一位老教授过去常常建议每天随意翻开一本基础化学教科书，并从中阅读十页。有时我们的研究变得如此专业化，我们如此迷恋我们化学世界的小角落，以至于我们忘记了全局。上面引用的部分教训只是涉及到不要只见树木不见森林，并且始终从更宏观的角度思考结构和反应性的基本原理。
这也涉及到与其他化学领域保持联系，因为有机化学家永远不知道他大学无机化学教科书中的一个基本事实何时会派上用场。大多数伟大的化学家都是化学直觉大师，他们可以无缝地在科学的不同子领域之间转换思想。在当今专业化变得如此深入以至于有时会导致对自身领域以外的领域表现出屈尊态度的时代，这一教训尤其重要。向其他领域学习的一个必然结果是合作；你没有的东西至少可以部分借用。正如奥本海默在担任普林斯顿高等研究院院长时谈到下午茶时所说的那样，“下午茶是我们互相解释我们不理解的东西的地方”。化学家和科学家通常需要学会更频繁地喝茶。
最终，如果我们想培养化学直觉，值得记住的是，我们所有喜爱的分子，无论是太阳能催化剂、抗癌药物还是肥料，都是同一化学宇宙的一部分，即使在不同的背景下也遵守相同的规则。最终，无论我们正在研究哪种分子，Wir sind alle chemikers，我们每个人都是化学家。
这是一篇发表在“好奇波函数”博客上的文章的修订和更新版本。