《世界存在的本质 06》

为了了解由更多个原子组成的分子的结构和特性，我们需要更普适的方法。但是我们知道不可能对多体系统有终极完备的理解，有的只是近似。首先，一个电子可能不再局限于某个特定的原子区域，而且会游离在分子内的原子之间。于是我们有了分子轨道的概念。它可以近似成原子轨道的线性叠加。哈特里和福克利用变分原理，再逐步推算出理论自洽的分子电子态。分子的化学理论里有了从头计算方法。年轻时，我对分子理论很好奇，曾经借阅过徐光宪写的《量子化学》。这套书大篇幅地阐述那些程式化的大数量计算方法，更像工具手册，很容易让我这种读者厌烦。我更喜欢去理解事物简明直接的道理。现在还记得的一个有趣的技巧就是将电子的波函数近似成高斯函数。这样，计算就便利很多。事实上，这种近似方法在数字信号处理的工程问题上普遍使用。

实际上，化合物的结构比从头计算的理论假想要简单。如果仔细观察化合物和其相应的化学反应，我们不难发现化合物中的一些原子集团具有相对特别的稳定性。而这些原子集团独立时又带有极性，以一个整体单元参与化学反应和分子合成。在无机化学物中，它们就是化学根。比如硫酸根的化学活性强过碳酸根。在地球的岩石圈里普遍存在硅酸根，碳酸根，硝酸根，和硫酸根原子集团。青花瓷是我们文明的骄傲。它的原料，高岭土的主要成分就是硅酸铝。

在有机化学物中，这些原子集团称为基团，或者官能团。无论多大的有机分子，都可以像乐高积木一样用这些基团搭建起来。比如，自然界有几百种氨基酸。所有的氨基酸分子都有一个氨基和一个羧基。两个氨基酸分子可以通过氨基和羧基的对接形成肽键而连接起来。氨基酸链就是蛋白质。最大的蛋白质分子由两万多个氨基酸组成。蛋白质大分子之间又因为氢键或者范德华力的作用形成晶体。现代晶体学可以通过X光衍射的精细图谱推断出蛋白质的分子结构。食糖分子由多个羟基和醛基组成。当方糖放进咖啡里，糖分子里的羟基通过氢键和水分子亲合。一整块方糖也就化解到咖啡里了。组成我们细胞膜的类脂分子的结构比较特别。中间是甘油主干。一端是亲水的磷酸基。另一端是脂肪酸再加上疏水的碳氢链。这种分子溶于水中，自然地形成一个封闭的球壳。亲水基在球壳外表面，疏水端在球壳里面。细胞膜的形成是大自然的一大创举。因为细胞膜的隔离作用，细胞才有了独立于外部环境的相对稳定的内环境。最初的原始生命才成为可能。

在狭义上讲，化学科学是在原子和分子层面的物质研究。物质的组合变化通过原子的电子（主要是外层电子）和与之相关的电磁作用。原则上，化学物质活动由量子力学的薛定谔方程统辖。它的能量范围一般在几个电子伏特以下。但是其中有极其丰富复杂的内涵。生命现象在分子层面上也就是化学活动（原子分子之间的电磁相互作用）。生命的存在只在一个狭小的区间，时刻处在一个精细的平衡。紫外线，能量只要几个电子伏特，就能损害生物细胞组织。在一百摄氏度的环境，大约0.03电子伏特的热运动就能扰乱生命分子反应，改变蛋白质特性。但是生命又只能出现在这个范围。太阳光谱最强的区间，光量子能量从一电子伏特到三电子伏特，正好是我们视觉感知的可见光波段。植物和藻类赖以生命持续的光合作用也是在可见光区域。水也是生命存在的必要条件。所以生命活动的化学反应就必须适应液态水存在的温度范围。这也是生命和自然，人类和自然需要保持和谐关系的基础。当然我们不排除存在地球以外的生命。他们的基本物质也许不是碳，氢，和氧元素，而是别的粒子。主宰他们生命活动的也许不是电磁力，而是引力或者别的作用力。他们的生命形态也许完全不一样。但是生命和环境的相互关系不会不同。

这样，我们就了解了原子和由原子建立的分子和物质形式。原子仍然是一个复合粒子系统。接下来我们再往里探索世界的本质。

--写于2022年7月19日（图片来自网络）