房喻:呼吁客观公正认识化学

2011-2-14 09:11 来源: 科学时报
1011 收藏到BLOG

——兼谈2011国际化学

  2008年12月30日联合国第63届大会决定将2011年作为国际化学年(IYC2011),委托联合国教科文组织(UNESCO)和国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)负责以“化学——人类的生活,人类的未来”为主题在全世界范围内安排,庆祝化学取得的成就和化学为人类文明进步所作出的重要贡献。组织此项活动旨在“增进公众对化学重要性的认识,鼓励青年人热爱化学,憧憬化学的美好未来”。与此同时,2011年适逢居里夫人获诺贝尔奖100周年和国际化学会联合会成立100周年,借此机会,联合国也有意感谢女性对人类科学事业发展作出的贡献,强调科学研究国际合作的重要性。

  作为一线教育科学工作者,深感当今社会已经完全不同于当年的“学好数理化,走遍天下都不怕”的年代,基础学科,特别是化学发展确实面临学科吸引力不强、声誉不佳的问题。这些问题产生的原因十分复杂,但公众对化学缺乏客观公正认识肯定是最主要的原因。

  人们过多地将化学与环境污染、恐怖威胁、化学武器等联系起来,化学给人类带来的似乎只有这些东西。在我国,人们甚至将近年出现的三聚氰胺奶、吊白块、假鸡蛋、假化肥、假农药等重大掺杂使假事件也要归罪到化学工作者的头上。

  很少有人认识到,人类赖以生存的基本粮食蔬菜供应1/3源自化学肥料和化学农药的使用。考虑到当今粮食蔬菜供求基本平衡这一事实,如果没有公众“憎恨”的化肥、农药的使用,地球将只能承载世界现有2/3的人口,或者说,我们的人均食品蔬菜摄入量将减少1/3,不难想象,那将是一个多么动乱不堪、弱肉强食的恐怖世界!同样,没有化学就没有使人类疾病得以治疗的合成药物,人类的平均寿命起码要减少一半。化学的发展,使合成纤维占据了纤维市场的半壁江山。可以毫不夸张地讲,没有化学,就没有温暖,世界也没有视觉上的丰富多彩。

  大家都在讲,人类社会进入了信息化时代,人类的资源利用能力已经不限于地表,正在向地表以下、向海洋、向太空发展,但是很少有人想到这些技术进步和发展的基础是满足特别需要、具备特别性能的新材料的发现。而这些材料的创制难以离开化学学科的贡献。然而这些贡献、这些发现,并未得到国际社会应有的承认,在世纪之交评选出的激光技术、半导体技术、计算机技术、生物技术、核技术和航空航天技术这6项所谓20世纪人类社会取得的最伟大科学成就中竟然没有一项与化学直接相关就是一例。所以,难怪有人说化学学科是人类历史上遭遇最大不公的学科之一。

  事实上,起源于19世纪、发展完善于20世纪的化学合成技术,应该说是20世纪人类在科学技术发现、发明方面最伟大的成就。可以这么说,没有上述六大技术,人类还不至于无法生存,而没有上世纪的化学合成技术,人类真的将会落入食不果腹、衣不蔽体、有病无药的尴尬境地。所以,从这个意义上讲,化学学科的发展与人类的生存、生存品质的改善都是密切相关的。从这个角度讲,通过设立国际化学年让公众加深对化学的认识,纠正人们对化学的偏见确实极为必要。当然,也必须正视化学学科发展中给自然、给人类社会带来的负面影响,化学工作者应该以更加强烈的责任感、使命感从事研究、从事发展,在为人类生存品质改善努力的同时,更多地考虑人类文明的可持续发展。

  化学学科的繁荣、声誉的改善,关键在于化学从业人员的责任心和学科自信心。说到这一点,遗憾的是,并非所有化学从业者、学习者都关注学科发展和学科未来。在学科内部,甚至出现了非常不应有的“化学无前途说”。有人认为,百年之后,化学将不再以一门独立学科存在,这是因为有机化学、化学生物学将融入到生命科学之中,分析化学将被环境科学和生命科学所瓜分,无机化学、高分子化学将被材料学所涵盖,物理化学将加入物理学阵营,以至于著名化学家Whitesides多次呼吁要再造化学。

  直至最近,Whitesides和Deutch还为英国《自然》杂志出版的国际化学年纪念专辑撰文,再次呼吁对化学进行改革。类似的呼声在国内也出现过,几年前,国家最高科学奖得主徐光宪院士、中国科学院常务副院长白春礼院士、国家自然科学基金委员会原副主任朱道本院士、国家自然科学基金委员会副主任姚建年院士、国家自然科学基金委员会化学部常务副主任梁文平先生等有识之士,曾多次就化学学科的发展和再造发表过真知灼见。

  问题是,面对公众、面对年轻一代的是一线教师和一线科研人员,甚至就是正在专业成长中的研究生,这个群体的学科认识水平和学科态度更能影响社会对化学的认识、对化学的理解。因此,为了人类、为了社会、为了对学科负责,当今的一线化学工作者有责任了解化学学科的过去、化学学科的发展、化学学科的走向,从而增强学科责任感,增加学科自信心,以自身的感受和言行影响社会、影响公众。

  稍懂一点科学史的人都知道,作为一门独立学科,化学诞生于17世纪后半叶。经过几百年的发展,化学逐渐走向成熟。化学研究的对象不断拓宽,化学研究的内容日益丰富,化学能够动用的研究手段日渐多样。与之相应,化学的概念也在不断演变。概括来讲,20世纪以前,化学被定义为“研究物质本性及物质转化的科学”。

  不过,应当注意,那个时候人们对物质结构和物质本性的理解还是非常肤浅、非常低幼的,并不包含今天我们所了解的许多内容。例如,直到20世纪初原子结构模型提出和放射性发现之后,人们才认识到物质结构和性质的复杂性。至此,化学家才将自己研究的内容开始局限在核外电子运动层面,而且要求这种运动的外部条件不能远离标准态。这样,化学就获得了一个几乎延续到今天的定义,即:化学是一门研究物质的组成、结构和性质,以及物质间相互转化的科学。不过还要强调的是,这里所说的物质仅仅是指由原子、分子所组成的狭义的物质,而不包括核内物质和等离子体等物质和物质形态。

  当然,今天的情况又发生了变化,化学的研究内容已经远远超越了上述狭义的物质范畴,等离子体化学、天体化学、核化学已经成为现代化学的重要组成部分。

  由此可见,化学学科自诞生之日起就一直处在不断发展变化之中,以至于在美国化学会第215届年会上,与会人员提出以M打头的6个单词或短语来定义化学:Molecules,Materials,and Matter;Make it,Measure it,and Model it。很显然,前3个单词是讲化学研究的对象,即化学不但研究分子和一般概念上的材料,还要研究无所不包的物质;后3个词组是指制备、测量和模拟。

  在此,需要特别注意的是,之所以用“Make”而不用化学工作者常见的“Synthesis”,主要原因是化学学科发展到今天,合成只是化学工作者创造新物质的一种途径,借助超分子化学原理,通过组装单元之间的非化学键作用形成有序聚集体和结构构成了化学工作者创造新物质的另一条途径。因此,当今化学学科创造新物质以“合成+组装”为特征,而不仅仅局限于合成。同样,定义中使用了“Measure”而不是常见的“Analysis”,原因同样是“分析”的内容大大拓展了,不再局限于原来的定性、定量、波谱和衍射分析了,依靠各种观察手段进行的形貌分析变得愈来愈重要了。“Model it”是化学工作者借助数学和计算机科学与技术发展成就而发展起来的一套新的化学研究手段,即模拟和仿真研究。

  不难看出,这一定义尽管不怎么符合常规概念叙述办法,但确实比较完整地反映了化学学科发展的现状。

  事实上,针对化学学科的发展,还有人将化学定义为“研究生命和非生命物质结构与结构转化的科学”,也有将化学定义为“研究信息的分子储存和超分子加工的科学”。尽管这些定义还远未被科学界接受,但确实不无道理。最近,诺贝尔奖获得者、超分子化学之父Lehn在对化学学科历史发展和化学进化现象深入分析的基础上,又提出了动态建构化学(Constitutional Dynamic Chemistry)和适应性化学(Adaptive Chemistry)概念,以期强调化学学科内容的动态性和化学学科对客观世界认识的不断穷尽特点。可以说,化学概念的不断发展部分反映了化学学科的发展活力。

  今年是百年一遇的国际化学年,化学工作者应该像《自然》杂志编辑所建议的那样,承担起学科的公共责任,借此机会宣传学科,宣传化学对其他众多学科的支撑作用,让公众了解“化学就是未来,没有化学就没有未来”、“化学不能代替一切,但没有化学肯定没有一切”这些基本的道理。

  人类社会发展到今天,正面临资源日渐枯竭、能源供应日渐不足、环境品质日渐蜕变等前所未有的困难,在解决人类社会发展面临的这些根本性问题过程中,任何学科都无法替代化学学科的作用。我们有充分理由相信,化学的明天一定会更加美好。

  (作者系陕西师范大学校长、材料与科学学院教授)