《世界存在的本質 06》

為了了解由更多個原子組成的分子的結構和特性，我們需要更普適的方法。但是我們知道不可能對多體係統有終極完備的理解，有的隻是近似。首先，一個電子可能不再局限於某個特定的原子區域，而且會遊離在分子內的原子之間。於是我們有了分子軌道的概念。它可以近似成原子軌道的線性疊加。哈特裏和福克利用變分原理，再逐步推算出理論自洽的分子電子態。分子的化學理論裏有了從頭計算方法。年輕時，我對分子理論很好奇，曾經借閱過徐光憲寫的《量子化學》。這套書大篇幅地闡述那些程式化的大數量計算方法，更像工具手冊，很容易讓我這種讀者厭煩。我更喜歡去理解事物簡明直接的道理。現在還記得的一個有趣的技巧就是將電子的波函數近似成高斯函數。這樣，計算就便利很多。事實上，這種近似方法在數字信號處理的工程問題上普遍使用。

實際上，化合物的結構比從頭計算的理論假想要簡單。如果仔細觀察化合物和其相應的化學反應，我們不難發現化合物中的一些原子集團具有相對特別的穩定性。而這些原子集團獨立時又帶有極性，以一個整體單元參與化學反應和分子合成。在無機化學物中，它們就是化學根。比如硫酸根的化學活性強過碳酸根。在地球的岩石圈裏普遍存在矽酸根，碳酸根，硝酸根，和硫酸根原子集團。青花瓷是我們文明的驕傲。它的原料，高嶺土的主要成分就是矽酸鋁。

在有機化學物中，這些原子集團稱為基團，或者官能團。無論多大的有機分子，都可以像樂高積木一樣用這些基團搭建起來。比如，自然界有幾百種氨基酸。所有的氨基酸分子都有一個氨基和一個羧基。兩個氨基酸分子可以通過氨基和羧基的對接形成肽鍵而連接起來。氨基酸鏈就是蛋白質。最大的蛋白質分子由兩萬多個氨基酸組成。蛋白質大分子之間又因為氫鍵或者範德華力的作用形成晶體。現代晶體學可以通過X光衍射的精細圖譜推斷出蛋白質的分子結構。食糖分子由多個羥基和醛基組成。當方糖放進咖啡裏，糖分子裏的羥基通過氫鍵和水分子親合。一整塊方糖也就化解到咖啡裏了。組成我們細胞膜的類脂分子的結構比較特別。中間是甘油主幹。一端是親水的磷酸基。另一端是脂肪酸再加上疏水的碳氫鏈。這種分子溶於水中，自然地形成一個封閉的球殼。親水基在球殼外表麵，疏水端在球殼裏麵。細胞膜的形成是大自然的一大創舉。因為細胞膜的隔離作用，細胞才有了獨立於外部環境的相對穩定的內環境。最初的原始生命才成為可能。

在狹義上講，化學科學是在原子和分子層麵的物質研究。物質的組合變化通過原子的電子（主要是外層電子）和與之相關的電磁作用。原則上，化學物質活動由量子力學的薛定諤方程統轄。它的能量範圍一般在幾個電子伏特以下。但是其中有極其豐富複雜的內涵。生命現象在分子層麵上也就是化學活動（原子分子之間的電磁相互作用）。生命的存在隻在一個狹小的區間，時刻處在一個精細的平衡。紫外線，能量隻要幾個電子伏特，就能損害生物細胞組織。在一百攝氏度的環境，大約0.03電子伏特的熱運動就能擾亂生命分子反應，改變蛋白質特性。但是生命又隻能出現在這個範圍。太陽光譜最強的區間，光量子能量從一電子伏特到三電子伏特，正好是我們視覺感知的可見光波段。植物和藻類賴以生命持續的光合作用也是在可見光區域。水也是生命存在的必要條件。所以生命活動的化學反應就必須適應液態水存在的溫度範圍。這也是生命和自然，人類和自然需要保持和諧關係的基礎。當然我們不排除存在地球以外的生命。他們的基本物質也許不是碳，氫，和氧元素，而是別的粒子。主宰他們生命活動的也許不是電磁力，而是引力或者別的作用力。他們的生命形態也許完全不一樣。但是生命和環境的相互關係不會不同。

這樣，我們就了解了原子和由原子建立的分子和物質形式。原子仍然是一個複合粒子係統。接下來我們再往裏探索世界的本質。

--寫於2022年7月19日（圖片來自網絡）