今年被联合国大会确定为国际化学年（或可称作世界化学年），比2005世界物理年仅迟后六年。值此，化学家们一定会对化学三四百年来的辉煌成就及其未来的灿烂前景作出精彩论述；而笔者作为一名物理学工作者，习惯于进行一些相关的物理学思考。国际化学年的主题是“化学――我们的生活、我们的未来”；它“旨在促进提高公众对化学巨大作用的认识以及化学在应对当前挑战方面所具有的重要价值”。就当代社会之科技、生产、经济、生活的持续发展和日益繁荣而论，化学的确是一门很重要的中心学科。化学与物理学的关系最密切，化学的现代发展离不开对量子力学的应用和延拓；在新兴的材料科技等领域，化学和物理学可谓双雄并立、甚或融合一体；对于环境保护，二者可谓双管齐下、各有千秋，但化学所承担的使命更为重大一些。这两门学科历来相互渗透、相互促进；保持二者长久的互动，特别是促使作为更基本学科的物理学对化学的进一步渗透以及后者对前者的高阶层应用，会愈益增强化学对于社会发展、应对挑战的作用和价值。

 

　　近百年以来，化学的现代发展涉及诸多方面，但主要表现在理性化，即从原先偏重于实验的学科扩展出理论化学这一分支――量子力学向化学渗透则便导致量子化学建立。其实，凭借量子理论才能理解化学之现代发展的本质。量子化学的奠基者鲍林说得很透彻：“现代化学就是量子化学，……化学是一种量子效应，或者说是许多量子效应的集合”。这不仅点明了化学现象的量子本性，而且指出，比较复杂的化学系统，从原子键合以至分子结构、一直到由分子结构决定系统的性质和化学反应过程等，乃是许多量子效应的集合；这样，就把千变万化的化学现象俱都置于量子力学的平台而予以综合的理性描述，亦即量子力学充当了现代化学之统一的根基。*

 

　　化学系统乃指分子或大分子｛抑或分子集合体｝系统，比单粒子或粒子个数较少的一般物理系统复杂得多，但大多分子及内部原子都为微观尺度，其运动变化均遵循量子力学定律。原子间的键合作用――化学键正是分子层次上的典型量子效应。无论是共价键，还是离子键或金属键等，均系相邻原子（或还包括非相邻原子）的{价}电子（即外层电子）云以不同程度相互交迭而形成；化学键实际上是电磁相互作用的一种量子化表现。化学键的形式不同，分子结构的空间构型便相异；而分子结构不仅决定了分子系统的性质，而且是引起化学运动――化学反应的内因。化学反应亦为分子层次上的典型量子效应。无论是分解反应，还是化合反应、置换反应，均系化合物分子以及单质原子的电子云或分解，或合并、或置换，以至于原子之间的化学键或松开、或形成所使然。化学反应还与外界条件有关，最主要的是外界须供以能量，化学键才会松开或形成，即反应系统吸收能量而激发到高能量的过渡状态；然后再降低能量而转变为反应产物。因此，化学反应其实就是系统整体能量改变而致使分子的量子状态发生转变的过程。

 

　　描述分子的量子状态的波函数（乃表示其电子云的密度分布）满足薛定谔方程。虽然化学系统比较复杂，但相当完备的量子力学已能提供求解该方程的普遍方法；而量子化学从概念、原理、方法等方面拓展了量子力学的理论框架。譬如说，在化学键的价键理论之基础上，鲍林提出杂化轨道的概念，用以更好地描绘多原子分子的空间构型；马尔肯的分子轨道理论、霍夫曼的分子轨道对称守恒原理、福田谦一的前线轨道理论、科恩的密度泛函理论等，其先后建立使得解析分子结构和化学反应机理、求解化学系统的薛定谔方程、推测系统的性状变得简化而可行；罗汤推广了量子力学中基于薛定谔方程、适用于多粒子系统的哈特利-福克自洽场方法，建立了适用于分子和大分子系统、可予具体求解的哈特利-福克-罗汤方程；引入表征化学系统性状以及化学反应机理的一些概念，诸如化学势、电负性、硬度等。所有这些，都是甚有理论意义和实用价值的造就。

 

　　正如海森伯所言，物理学和化学“通过量子理论，……实际上已经完全融合了”，量子化学是二者融合的结晶，而这正是化学之现代发展的一项极其重大的成果。

 

　　通常认为，化学历来是物质合成的学科，是创造新材料、新物质的学科。古代的炼丹术、青铜器铸造、陶瓷器制造等，都表明人工物质的合成、创造由来已久，因此化学发展确实有着颇为久远的历史渊源。材料化学算得是近-现代化学的一个主要领域，它用化学方法（不限于化学方法）探索物质材料的分子结构、性能和用途，并由探索结构入手而去创造、合成新的物质材料，以致为人类的生产、生活和文明建设增添愈益厚实的物质基柢。人们的衣食住行，俱都与化学息息相关，此所谓“化学――我们的生活”者；材料化学，使人们的生活丰富多彩。至于材料物理，所用的主要是物理方法；它是现代物理的重要领域之一，相对而言，其历史并不很悠久。

 

　　材料科技是一个综合性的科技领域；20世纪以来，人们致力于发展材料科技以及信息科技、能源科技、生物工程。材料化学和材料物理是材料科技的主角，可谓双雄并立、竞相争艳，把近百年的人类生存之物质世界铺设得绚烂似锦。量子力学的创建，为材料科技的蓬勃发展奠定了坚实基础。材料物理主要在电子―微电子材料、光纤等通讯材料、磁性材料、半导体和超导体材料诸方面开花结果；材料化学也走上了愈加理性化发展的道路，把分子｛结构｝设计、新材料开发置于量子理论的基石之上。现代化学家都非常强调“结构决定一切”的观念，他们以量子化学的理论和方法探索分子及其内原子乃至电子的结构、即分子的空间构型和其内原子的键合方式，在材料的分子设计（特别是功能分子设计）上达成卓越造诣。例如，对纯碳单质之原子间的共价键（单键或双键）以及价电子的杂化轨道的形式、键合强度的探索，导致富勒烯和石墨烯及其优异性能的发现并付诸应用。由特殊功能分子设计致使大量无机物和有机物（如叶绿素、结晶牛胰岛素等）的成功合成以至许多优良的新材料（如可以耐得超低温或超高温、高压强或强拉伸等极端外界条件的塑料、橡胶、纤维等高分子聚合物材料）问世，还促使化学合成理论（特别是有机合成的原理、方法）不断完善。近几十年的诺贝尔化学奖项中不乏在合成的理论和实践方面作出非凡建树者，除发现和制备富勒烯之外，合成具有高度选择性的特殊结构分子，制备与蛋白质一样功能的有机化合物，以及发现和制备具有良好导电性能的高分子聚合物材料，也都是令人瞩目的成就。

 

　　奠基于量子理论的材料化学和材料物理事实上已经融合一体，尤其在纳米材料登上现代科技舞台以后更是如此。低维纳米材料的小尺寸效应、表面效应、量子效应十分明显，必须用量子理论才能对其进行适当而有效的探讨。各种材料的分子设计以及小尺寸材料的性能探索，使化学与物理学的关系更加密切；量子力学、量子化学、凝聚态量子理论等，是材料科技研究之共同的理论基石和有效工具。富勒烯和石墨烯一先一后成为诺贝尔奖（化学奖和物理学奖）奖台上的耀眼明星――这纯碳单质开出二度梅花，相映成趣，恰好作为化学与物理学紧密联系的一个生动例证。

 

　　科学技术是双刃剑，化学―化工亦然。它以所创造的新材料、新物质美化人类的生活，并从物质基柢上支持诸多现代化科技工程（例如电子计算机以及信息科技工程）、保证文明建设成果的愈益充实；以特定的化学反应维系若干能源的能量供应，就是说，以氧化反应抑或其他反应释放化学能；以生化反应研究以及分子化学向生命科学领域的延拓，促使现代生物工程兴起并蓬勃发展：一句话，它作为现代物质科学以至现代科学技术的一门中心学科，因取得辉煌成就而极大地造福人类。然而未免苛刻地说，化学―化工又可谓引起环境污染的“罪魁祸首”，无论是大气污染，还是水体污染或土壤污染，大多由有害物质、化学产品以及化学反应（包括生化反应）所致；化工生产的“三废”（废气、废水、固态废弃物）排放以及化石燃料的燃烧，染黑了水陆空环境，并造成全球性的温室效应加剧和气候变暖以至普遍的生态平衡破坏的严重后果。其中，氟利昂、DDT、酸雨等导致典型的环境问题，正是尽人皆知的实例。

 

　　或许就广泛和直接的程度而言，化学类（包括生化类）污染的危害性更甚于物理类污染；当然，化学类污染与物理类污染有时交织在一起。可是，防治化学类污染还必须依靠化学本身（纵然往往还得靠其他学科――物理学和生物学――的辅助）；化学对于环境保护理应承担起更重大的使命，故而人们将构建“绿色化学”（或曰“生态化学”）以取代传统化学作为努力的目标。除了面对环境污染之外，还面对着当前生态环境退化、能源和其他各种资源短缺、世界人口激增等环境、社会问题，日趋成熟的生态化学在优化生态环境、开发资源以及节约使用资源、保证将近百亿人口的健康生存和高质量生活等方面，都担负着十分繁重的任务。

 

　　绿色化学倡导原子经济性原则和危害性降低原则。前者乃指尽量更有效地利用化工原料，表示原子经济性的数值等于被利用的所有原子的原子量总和与所有反应产物的分子量总和之比；后者乃指尽量减少废料、特别是减少有害物质的产生，还须尽量以无害的或毒性较低的原料替代原先所用之毒性较高的原料。这些原则当然有利于对环境、生态的保护以至生产、经济的持续发展。从传统化学转型为绿色化学，其重要的一环就是发展环境化学，从而使被动地治理污染变成主动地防止和减少污染的发生。环境化学从分子行为的角度考查污染的化学机制以及污染致使生物体受害的生化机制，研究用化学方法以及辅助的物理方法和生物方法达成对污染之防治的化学机理。所以，环境化学之主旨在于使环境污染之防治成为人们出自理性认识的自觉行动；那末，环境化学实乃绿色化学的重要组成部分，藉以可实现化学对环保所承担的重大使命。

 

　　绿色化学注重节约原料和减少能耗，企及化学反应的原料绿色化、反应过程绿色化、化学产品绿色化；特别是对化学｛产｝品进行生态化设计，即采用分子结构的选择性设计和定向改造的手段使得化学品的毒性与功效达到最佳平衡，使其毒性尽量降低、且可予降解为无毒和易消化物质。绿色化学以治理大气污染、水体污染、土壤污染，开发可再生绿色能源和煤炭洁净技术，生产绿色生态农药和绿色化肥，生产绿色日用化学品和绿色食品添加剂，研制毒性和副作用均低的新药为己任。绿色化学还将探索、开发生态环境材料――指无毒无害、节能环保、可再生循环利用、具有高使用效率的材料――当作主要任务，从而使优化生态环境的理念也成为材料科技研究的一个指导思想；当然，与化学相关的其他科技领域均此。

 

　　所以，绿色化学的日趋成熟，关系到人类社会及其物质文明的持续进化和未来发展；此所谓“化学――我们的未来”者是也。

 

　　物理学是与化学关系最密切的学科。分子-原子物理学和化学的大部分分支学科成为分子-原子科学之双翼；深入到原子核，便拓展出核物理学和放射化学，成为原子能科学的两个侧面。而量子化学的建立，表明这两门学科在量子理论层次上融合起来。物理学和化学都是基础学科，但前者更基本一些。物理学的一些概念、原理、定律以及理论、方法向化学渗透，便得到很好的应用和延拓，对化学发展自然是有力的促进。譬如说，热力学原理以及统计力学思想，在19世纪已进入化学，从而澄清了化学平衡、化学反应的方向和速率等概念；之后，化学热力学就成为物理化学这一分支学科的重要部分。热力学第一定律――能量守恒定律，偕同化学家总结的质量守恒定律，是化学研究的主要指导原则；热力学第二定律和由以导出的化学反应过程的熵变公式、以及其他推论，可用以判定化学反应的方向。热力学的一些概念(诸如焓、熵、自由能等热力学函数)沿用于化学系统，例如化学系统的最基本概念――化学势，即为热力学函数(吉布斯自由能)对分子数量的变化率；利用化学势的特定公式便可判定化学反应自发进行以及达到平衡的条件。再者，化学反应动力学是研究化学反应的速率和机理以及各种物理条件和化学条件对反应速率的具体影响。它亦乃物理化学的一个重要部分，算得是19世纪起凭借物理学的动力学理论及其研究方法致使化学从纯粹实验描述转向逐渐加强理论分析、从定性讨论转为定量表述，以至于取得甚大成就的一个方面。另外如光化学、电化学、表面化学等，更是用物理学原理、方法促成的交叉学科或新兴学科领域。

 

　　当然，促进是相互的，化学的进步对物理学也产生推动作用。譬如说，热力学第三定律乃由能斯特在其热化学研究中得出；昂萨格对化学热力学作出一项建树――建立倒易关系式，为不可逆过程热力学奠定了一定的基础；化学家们对元素的一系列研究：门捷列夫发现元素周期律、居里夫人发现放射性元素、卢瑟福取得放射性化学方面的重要成果、等等，对于物理学家研究原子结构、发展原子物理很有先导、促成的积极意义；普利高津基于对非平衡态热力学的深入研究而创建耗散结构理论，不仅在化学范畴、而且在物理学和其他学科范畴，开拓出全新的领域。的确，有些研究成果，分不出属于哪个学科范畴，例如化学家哈恩因发现重核裂变现象而获得诺贝尔化学奖，然而裂变课题，是放射化学、更是核物理的研究对象。故而就现代物理和现代化学言之，二者常常是针对同一个研究目标，共同作出努力，取得可予共享的成果。

 

　　为了现代物质科学和现代科技的整体进展，继续加强物理学与化学的互促互动是十分必要的。量子理论愈益趋于精深，必然为现代化学开辟高阶层应用的新天地、为其进一步发展提供非单一的新途径。倘若量子理论在某些方面有所突破，则不仅会给物理学、而且会给化学和其他学科带来新的变革。至于对物理系统的任何新发现和新研究成果，都会渗透、映照到化学中来；当然反之也是如此。其实，现代物理学和现代化学，豈但是互促互动的关系，而是协同发展、同步发展，因为二者都以量子理论为根基，都以微观―介观物质层面为主要考察对象。最后再说明一点：现代化学不只是单纯应用量子理论，就其承担着“环保”和“社会发展”双重重任而论，它还要（也必定会）为发展量子理论不断地作出贡献，因为当代的科技以及生产、经济之持续发展，归根结底须有正确的科学理论作指导；因此，化学与物理学紧密联系、相辅相成就显得特别重要。