能否把化學反應看成是微觀上物理變化的結果？

01-29

化學反應有化學鍵的斷裂和形成，還有離子的結合等等，這些在微觀上不就是物理變化嗎？

原則上是這樣，但是試圖用物理學去解釋整個自然界就像用機器語言去編程實現整個計算機與網路世界一樣，不可能

化學可以看成是物理的一個「封裝」，但是不要認為化學的一切問題都要用物理學的角度去解釋、解決，那樣你會累死的。化學在這個封裝的基礎上，總結出了一套自己的研究方法。只有這些方法規律不管用的時候，才會拆開這層皮，到更底層的層次，用物理學的方法進行研究。比如化學家把一些原子的集合叫做官能團，然後總結這個官能團有什麼樣的性質，可是出現反例的時候，才會用物理學的方法進行分析和計算，解釋這個反例和一般情況的區別。

同理，生物也可以看成化學的「封裝」，任何一本生命科學的教材里，都會把生命的新陳代謝歸結於一系列有序的化學反應。但是生命科學依然有自己的研究方法，不可能從化學反應的尺度去研究生命現象，否則生物學家會累死的。只有已知的規律出現bug的時候，才會去探究這些有機大分子的反應機理。

就像你的高級語言的解釋器出現bug的時候你才會去查實現源碼一樣。

給樓上答案的邏輯跪了。。。

「原則上能......但是......不可能。」

--p且非p

他們看起來是想說：（1）理論上是可以的，但是實際操作中因為運算太過複雜龐大，目前實現不了--但做不到不代表不可能啊。（數學上不可能是另一個問題，詳細見下。）或者：（2）看起來好像是可以，但是深究起來會發現理論上就是不可能的--但他們又沒說為什麼不可能。

這個問題展開說來有很多個層面，並且不僅僅局限於化學，對於生物學、心理學、經濟學、流行病學等等，甚至物理學內部（熱力學、凝聚態等）都適用。

關鍵詞：reduction, emergence, supervenience, holism, special sciences, and fundamental laws of physics

首先，為什麼理論上是可能的呢？如果你相信physicalism（物理主義），認為這個世界上everything is physical（所有東西都是物理的），一些看起來非物理的--比如生物的，心理的，經濟的--實際上都supervene on the physical（附隨於物理對象）。通俗的來說，我們的世界是由基本物質組成的：在牛頓力學中，基本物質是elementary particles（基本粒子）；在quantum field theory（量子場論）中，基本物質是場。在量子力學中，基本物質是啥不清楚。也就是說，在牛頓力學的語境下，桌子細胞星球和汪其實就是一大堆elementary particles在空間中運動過來~~運動過去~~ 但這並代表除基本物質之外的其他東西並不存在，而是說如果知道這個宇宙中所有基本粒子在某一時刻的狀態，以及fundamental laws of physics（基本的物理法則），就能知道關於這個宇宙在這一刻之前和之後的所有事情，比如恐龍是如何滅亡的，比如肯尼迪是誰殺死的，比如女神到底喜不喜歡你，當然也包括laws of special sciences（化學的、生物的、心理學的、經濟的等等等等的法則或定律）。

這樣一種觀點一般被稱為reductionism（還原論）這其中其實涉及了幾個需要澄清的問題，也正是樓上答案所混淆的地方。

1. Ontological reductionism（本體的還原論）：這個世界上只有基本物質和物理屬性。由於人類認知上的局限性，我們也許能知道，也許永遠也無法知道這個世界是如何由其本體結構所還原的。

2. Epistemological reductionism（認知的還原論）：在知道最基本的物理事實和物理法則的情況下，我們能夠推導出special sciences（其他科學）的理論或法則。

3. Methodological reductionism（方法的還原論）：即便2成立，並不代表單獨研究其他科學（化學生物經濟等等）是沒有必要或是沒有意義的。從方法論的角度來講，其他科學的研究能夠提供更為簡潔的信息，這些信息雖然是近似的，但只有在追求完全準確的情況，我們才需要考慮物理的情況。

--方法論的有效性並不能證明認知的還原論是錯誤的。

關於還原論討論的焦點一般在於意識（consciousness or mind）。很多人認為意識並不是物理的，也不遵守嚴格的物理定律。因此一旦有人類意識的涉入--經濟學、心理學、社會學、政治等這些學科的理論是無法由物理法則推導出來的，相比自然科學來說也更難準確的預測。也有很多人認為這是純扯淡，意識就是大腦，心理學就是神經科學。

另外一個層面在於生物。有的人認為有生命的物體和無生命的物體有本質上的區別，一棵樹就是比一塊石頭在本質上多了點什麼神奇的東西。但是到目前為止也沒有人能說清這神奇的東西是什麼。

還有一個爭執點在holism（整體論）。有的人認為整體並不等於其各個部分相加起來。這個問題一般的討論點在quantum non-separability。

至於化學是否能夠reduce到物理，討論的人就比較少了，很多人都覺得這是理所應當的。就舉兩個我覺得比較有說服力的反對reductionism的論證，但它們也不局限於化學。

第一，即便我們知道所有基本粒子的物理狀態和基本物理法則，僅僅由此我們無法知道每個特殊科學的概念。比如光看著一堆粒子動來動去，你怎麼知道什麼是喵，什麼是國家，什麼是超級賽亞人（咦。。好像有什麼奇怪的東西混進來了。。）

舉個例子來具體說明。一個個別的分子有其物理上無法解釋的個別的分子結構。methyl ether（甲醚）和乙醇的Hamiltonian（the quantum mechanical description of their energetic properties）是同樣的，但它們是非常不同的分子。

第二，Hilary Putnam和Jerry Fodor由multiple realization（多重實現）指出，存在這樣的possible worlds（可能世界，具體內容參見什麼是「可能世界」(Possible World)？ - 與光同塵的回答），它們有著和我們的世界不同的基本的物理法則，但是在這些possible worlds中，我們的生物學、epidemiology（流行疾病學），或者經濟學的定律或法則依舊成立。也就是說這些特殊科學包含著一些物理學所不具備的信息。

在我看來支持還原論的人對此都有很好的回應，在這就不展開說了。反對還原論的人認為我們還從來沒有發現任何straightforward reductions（簡單直接的還原），更別說複雜情況了。而支持還原論的認為由thermodynamics（熱力學）到statistic mechanics（統計力學）的還原則是非常好的例證。比如說，Reductionists（還原論者）認為溫度這個概念可以還原為分子的平均動能（當其滿足Boltzmann distribution）。但是反對還原論的人則認為，由於Boltzmann distribution本身又和溫度緊密聯繫在一起，這其實是循環定義。Reductionists對此的回應與the direction of time有關，這就扯遠了，詳細請見哲學和物理學有聯繫嗎，在物理學中有哪些地方體現了這種聯繫？ - 與光同塵的回答。

我個人是傾向於支持物理主義和還原論的。因為反對這兩種觀點，在一定程度上是承認這個世界有一些神奇的東西是非物理的，而反對者又說不清楚這非物理的東西是神馬。但是我承認，物理主義和還原論本身其實並沒有很好的positive（肯定的）證明，在某種程度上確實是一種faith（信念）。尤其是我們的意識具有一些很特別的屬性（比如intentionality，reasoning，和qualia）目前沒有特別合理的物理解釋。所以我挺好奇物理系化學系生物系的小夥伴是怎麼想噠（技術水平達不到不算很好的理由ORZ）

*還原論並不等於物理主義，還原的最基本層不一定非是物理的。

*reduction，emergence和supervenience這三個概念聯繫非常緊密，在這裡沒用emergence是因為物理學家和哲學家常常用emergence表達不同的含義，容易造成混淆。

*關於數學上解不出來的問題：

首先，是可以得到近似解的。很多還原論者認為近似解就可以了，所以這並不能作為反對還原論的理由。

當然這裡還牽扯到應該如何理解數學和物理之間的關係。如果你並不相信數學實在論（mathematical realism），也就是不相信現有的數學對象是真實存在於這個世界的，那麼是不是有可能發展出另外一套有解的數學體系呢？這樣的話，原則上還是能推出的。不過這個就扯遠了，簡單的說，即便數學上無解，在某種程度上屬於技術問題，而非原則問題。

我想問的是，如果要反對還原論的話，是因為相信這個世界並不完全是物理的嗎？如果相信物理主義的話，有什麼原則性的原因使得物理主義成立而還原論不成立？

謝謝小夥伴們提問和幫忙回答~

@Andy Lee@周子涵是噠~在這裡為了方便討論考慮的是牛頓經典力學，但即便在量子力學概率的情況下，並不影響討論，因為概率是多少是可以知道的。

@Anastasia Karynne 在這裡指的是我們最終得到的完備的物理法則。

*最後吐個槽。看到好多人提凝聚態，想起搞凝聚態的小夥伴跑來問我哲學上對非還原論怎麼看。另一個小夥伴吐槽說，非還原論在物理學的興起很大原因在於看不過眼particle physics太火了。23333333

*化學的部分我不大了解，所以參考了Philosophy of Chemistry (Stanford Encyclopedia of Philosophy)

原則上是……但是算！不！出！來！

量子力學薛定諤方程本身就不好解，放到化學研究的範圍內，在多體問題的條件下更是各種混沌現象都出來了。

物理學能夠給化學提供一個描述物質反應本質的方程，但是這個方程解不出來也是白搭！（這裡的解不出來不是人們解方程的能力有限，有很多是數學上可以證明無法得到解析解的）P.S.感謝 @Murry C.B 的提醒，現在還是有很多有用的近似處理方法的，比如密度泛函理論（DFT）

好在這個世界不同層面的現象分級明顯，在基礎方程解不出來的情況下，我們仍然可以在各種近似和實驗測量的基礎上得到一個可以用的理論——這就是化學。

社會科學是不是屬於生物，至於生物是不是屬於化學，化學是不是屬於物理，我持否定觀點，參見（層展，Emergence）

讀了幾遍題目，總覺得彆扭，然後隨手搜了下維基百科才恍然大悟：

根本就沒有……【物理反應】……這麼一個詞啊！！！

嗯，我又想掏出那句萬能的話了：

「世界上百分之九十的爭論都是名詞的爭論。」

化學反應： chemical reaction，很好理解

物理反應： physical reaction，雖然能在很多地方搜到，但嚴格來說這是什麼鬼東西……

化學變化： chemical change

物理變化： physical change

初中化學書上區分的，貌似是一般後兩者吧。

更進一步，這後面兩個，都是宏觀層面的吧。至少是高於量子尺度的。

所以這個問題我的答案很明確：不能。因為不存在【微觀上物理反應】這麼一個說法。

話說這四個裡面，唯一一個有嚴謹定義的，也就是化學反應了。其它三個，基本上都只是個泛泛的概念。

你問氫離子和氫氧根離子電子轉移生成水算不算化學反應，一萬個人都會說是。

你要問質子吸引了一個電子到它附近，電子云發生疊加，算不算物理變化，算不算物理反應？

量子物理學家絕對糊你一臉。

（內心活動應該是這樣的：哪來的初中生？）

化學反應本來就是可以用物理的理論去解釋的。這也是很多物理學家一直在嘗試的事情。

在很多學科都可以發現如果分解到足夠合適的尺度，你都可以使用物理來理解和解釋其研究的系統。

可以，但是你不能指望全靠第一性原理來研究化學反應。我認為你的問題和物理學家們對凝聚態物理的看法有些像。凝聚態物理髮展中也不被認為是一門真正的物理，因為做粒子物理、原子分子物理的人說這些就是粒子運動的體現。不過Anderson有過經典的一句話，More is different，我認為這對於化學也適用。化學反應的確只是簡單物理過程的組合，問題在於反應的體系很複雜，反應分子的結構也很複雜，計算雙原子分子就要引入奧本海默近似來迴避硬碰硬的直接求解解析解，所以你要靠計算的方法研究要求你的計算能力很強，用蒙特卡羅法模擬反應中的碰撞、密度泛函研究結構等等是很吃計算的。計算化學確實因為演算法和計算能力的提升而發展，但是還沒能到替代傳統化學理論的地步。

凝聚態物理第一節就講：即使我們解析地知道所有微觀粒子的運動方程，相當於假設所有的薛定諤方程都有解析解，我們還是不能夠通過計算預測宏觀事實。因為從宏觀角度，單純考慮粒子間對相互作用，運算量就已經大得產生了質變，不是可以期待計算機發展就能解決的。何況薛定諤方程沒有解析解，數值解的複雜度都在N的2.5次方或更高

還原論

前面有人說搜了下維基百科：根本就沒有……【物理反應】……這麼一個詞啊！！！

好吧，我們看樓主的問題：

「化學反應有化學鍵的斷裂和形成，還有離子的結合等等，這些在微觀上不就是物理反應嗎？」

也許可以改寫成：「化學反應有化學鍵的斷裂和形成，還有離子的結合等等，是否可以藉助最基礎的物理理論來預測？」

如果問題如上，那麼答案是肯定的。現代量子力學（具體來說量子過渡態理論）已經可以在第一原理上精確預測實際的氣相/部分固相化學反應。這的確是像物理，所以有時我們稱之為化學物理。

當然，由於摩爾定律的存在，再藉助一些近似方法，我們可預測的反應數會迅速增長。

能

一般意義上講，是。

但其實如果考慮觀察者效應，就不能籠統的說宏觀微觀了。

再考慮耗散結構自組織，我記得化學上是有比較好的解釋的(凝聚態大神速來拍磚，我不懂亂講的，因為看過普利高津的書的很長的前言，還是四年前看的。。。)，在微觀物理中是沒有好的理論去講明白的，俗稱more is different.

物理學給了你理想的翅膀，可飛之前也得腳踏實地是不。

理論與現實的鴻溝，永遠比你想像中的要大得多。

所以，理論上講，化學反應過程以及原子的運動過程，都可以用物理進行對應的描述。但是，目前來看，量子化學的東西依然歸化學，從物理角度出發去描述還是很吃力的。

同理，生物層面上的運動，從化學的角度去看，也是吃力不討好的選擇。

所以，新的學科會不斷湧現，新的見解和工具也會不斷湧現，但是沒有舊的學科會消失一說。

互聯網時代的來臨，也沒有掃清所有的紙媒啊。

所以，理論再美好，也要一切從實際出發。現階段的物理學的發展，距離題主的目標，還差得太遠。

要是搞量子的那幫傢伙給點力，估計現在就沒化學這個一級學科了~~

看了上面的評論我才知道，原來化學只是一門經驗科學。當初差點當了化學家。

生物可以歸於化學與物理，化學又可以歸於物理，所以生物可以歸於物理？不，到目前，生理活性這東西我們還弄不明白，說明，即使物質構成一樣的東西，其性質也不一定一樣。

如果把化學歸於物理，那麼意味著至少目前看來是抓住了化學的本質，但是，卻忽略了量變引發的質變，很多東西的性質並不同於其組成單位的性質，比如原子構成的生物體有著原子不具有的宏觀的性質。所以就需要有研究比較宏觀的現象與規律的學科，比如生物、

化學（把生物歸於完全物理或者化學至少對於應用而言意義不大）。

再者，應用科學裡本質並不是很重要，能不能、容不容易才是重要的，現在就有用量子力學計算化學反應的過程的，但計算過於繁雜。

於是有很多做化學相關的物理學家都獲得了諾貝爾化學獎。。。參考普里戈金，盧瑟福，DFT的發明者等等。。。

物理化學這門學科就是在做這項工作，利用物理公式對反應過程進行計算，目的在於把化學反應精確化以便應用到實際生產中

這個問題，物理學家 Philip W. Anderson 在文章《More is different》里解釋過。

物理反應：物質的狀態或存在的形式發生了改變，而物質本身的性質沒有變化。

化學反應：一個或一個以上的物質（又稱作反應物）轉化為不同於反應物的產物的過程。

按照目前教科書上的定義，物理反應和化學反應的區別在於是否有新物質生成，或者是否有新化學鍵生成，這一點對於常見的實際進行的反應都可以很好的區分，所以二者不存在包含關係。

當然在光化學等領域還存在半反應的概念，根據以上定義或許難以區分，實際上光物理和光化學的概念經常是同時出現的，爪機答就不貼了，題主有興趣可以自行搜索下。