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現代科學發展四百年以來，科學越來越被視為理解和改善世界的工具，以及一種藝術形式。科學的發展經常被實踐者描述為“美麗”和“優雅”，不同型別的科學家使用不同的標準。科學中優雅的概念在二十世紀物理學的鼎盛時期尤為明顯。少數使用強大的數學工具探索亞原子世界和浩瀚宇宙的科學家們對優雅有自己的定義，這些定義通常與數學美聯絡在一起，儘管不乏優雅的實驗，原則上可以駁倒這些美麗的理論。例如，保羅·狄拉克就以堅持方程必須美觀而聞名。他自己的狄拉克方程是美的獨特例子；它只有半行長，卻完全解釋了電子的行為，同時考慮了狹義相對論並預測了反物質。
作為一名化學家，我想知道科學作為藝術的這些概念如何應用於我自己的領域。化學比物理學更像是一門實驗科學，那麼這是否意味著對優雅和美的真實或感知的幻想在化學中毫無意義？大多數化學家會以響亮的“不”來回答，儘管每位化學家可能對此主題都有自己的看法。
化學作為藝術形式的最佳體現是在黑板和實驗室筆記本上繪製的精確分子結構，包括鍵和原子、楔形和虛線。這些結構有時反映了偉大的藝術，以既能啟發又能迷惑的方式代表了人類對現實的最佳詮釋。但在有機合成的科學和藝術中，這門科學最接近建築學，您可以在這裡找到最被接受的化學優雅定義。有機合成涉及構建複雜的三維分子，類似於建造大教堂。有機化學家會告訴您，當一個複雜的合成只需幾個步驟即可完成，並具有最大的純度、產率和立體選擇性（即，僅產生所需量的特定分子的幾種可能的映象形式之一），使用最溫和條件下最良性的試劑時，它是優雅的。諾貝爾獎獲得者約翰·康福思說得好：他將完美的合成定義為單臂科學家可以透過將化學物質混合物倒入排水溝並在另一端以百分之百的產率和立體選擇性收集產物來完成的合成。產生許多必需化合物（如激素和神經遞質）的生物合成反應特別適合優雅的定義。
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在這些反應中，您通常可以獲得真正優雅的鍵形成和斷裂級聯，只需一步或幾步即可安裝多個立體化學中心，這是大自然花費數十億年才完善的複雜舞蹈。但有機化學家在模仿這種舞蹈的至少基本步驟方面並不落後。羅伯特·羅賓遜的阿托品合成是一個受自然啟發的簡短而優雅的結構的經典例子。威廉·約翰遜透過驚人的仿生級聯合成性激素孕酮也是如此。我記得這兩個例子在我本科時都讓我感到冷淡。
有機合成無疑已經確立了對化學優雅的宏偉願望。但在超分子化學時代，優雅正在以另一種方式定義，即透過自組裝。傳統的有機合成處理複雜分子的逐步構建，基本上一次構建一個鍵。但在超分子化學中，簡單的構建塊僅透過將試劑混合在一起即可自組裝成高度複雜的化學結構和奈米材料。一個有說服力的例子是簡單的草酸鈉和氯化鈣在水熱條件下混合產生的複雜、對稱、籠狀網路。超分子化學家和固態化學家正在追溯化學的舊時代，那時您只需將簡單的化學物質以不同的比例組合在一起即可獲得有趣的結果。此外，自組裝引導的化學在生命的化學起源過程中至關重要。這種合成的建築對應物將是預製磚，這些磚可以簡單地自組裝成所需的摩天大樓。
但優雅的含義絕對不僅僅是複雜分子的合成構建。有機化學家可能會在產率、立體選擇性和溫和條件下來定義優雅，但這種定義對於研究酶的生物化學家來說用途不大，因為對於幾乎所有酶來說，在它們存在的每一刻完成這個目標都是小菜一碟。碳酸酐酶、固氮酶和過氧化物酶僅僅是酶的三個例子，它們在室溫下漫不經心地進行著它們的工作，其驚人的效率會讓有機化學家永遠感到羞愧。對於生物化學家來說，這種優雅已經過時了。或者這是一種日常的奇蹟，這取決於您如何看待它。相反，對於生物化學家來說，訊號轉導級聯，其中單個分子的結合會引發一系列精確的分子事件，涉及數十種生物分子，最終導致基因表達，這一定像是一個真正的奇蹟。腎上腺素與β-腎上腺素能受體的結合以及隨之而來的完美編排的生物分子音樂交響曲，導致明顯的生理反應（如戰鬥或逃跑），這肯定顯得很優雅。
在化學的其他領域，優雅的定義可能既更棘手又更有趣。例如，考慮我自己的理論和計算化學領域。理論化學家使用量子力學來描述化學系統。由於量子力學適用於，嗯，一切，原則上你可以用它來分析任何化學或生物化學系統。在實踐中，給定一個相對簡單的系統，可以使用高水平的量子化學理論非常準確地描述它。使用這些技術，您可以獲得精確到小數點後十二位的答案，讓您感受到理論物理學家有時沉浸其中的那種絕對可靠的感覺。這優雅嗎？乍一看，似乎是這樣，因為您正在使用自然界中最基本的理論來獲得前所未有的精確度。此外，這種方法似乎滿足了數學家和物理學家提出的最重要的優雅標準之一，即普適性。但是請仔細考慮一下，您通常可以使用經過明智引數化的力場和一種稱為分子力學的技術，獲得相同的結果，精度較低（但仍然非常準確）。力場只是一組描述分子中各種力和相互作用（例如鍵的拉伸和彎曲以及原子之間的靜電吸引和排斥）的術語，以及一組通常從實驗資料中匯出的引數。
如果在大量的複雜數學和數天的計算機時間之間，以及幾分鐘的計算機時間和您可以寫在雞尾酒餐巾背面的極其簡單的分子力學方程之間進行選擇（下次您在聚會上時，在潛在的約會物件身上嘗試一下；他們會印象深刻的），您會說哪個更優雅？誠然，後者是用實驗測量值引數化的，並且不如前者準確和普遍，但它仍然足夠好。更重要的是，如果簡潔是優雅的標誌之一，那麼後一種方法難道不會被認為是更優雅嗎？值得思考。
從這次討論中可以清楚地看出，毫不奇怪，優雅是情人眼裡出西施。但最終，科學中重要的不是優雅，而是發現新事物的能力。使化學與眾不同的一件事是它製造以前不存在的新物質的能力。如果化學家能夠找到更有效地實現這一目標的技術，那麼他們可以被原諒沒有過多考慮優雅。畢竟，一位著名的物理學家本人曾經說過，“優雅的事情應該留給鞋匠和裁縫......”。作為化學家，我們（部分）同意。
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