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數學家赫爾曼·外爾對他的學科做出了許多不同的貢獻，他曾經做出驚人的斷言，即每當他必須在他的作品中在真理和美之間做出選擇時，他通常會選擇美。外爾在普林斯頓高等研究院工作，該研究院的印章體現了美和真理。數學家和理論物理學家尤其對美的概念敏感。他們當然有歷史站在他們這邊；一些最偉大的物理學方程和數學理論都閃耀著簡潔、優雅和令人驚訝的普遍性，這些品質使它們變得美麗。像外爾一樣，保羅·狄拉克也以讚美他的作品中的美而聞名，他曾說過，世界上沒有醜陋數學的位置；以他的名字命名的方程是他對宇宙和諧的信念的證明。
你如何定義和調和化學中的真理和美？化學真理就是化學美嗎？在化學中，情況比較棘手，因為化學比物理學更像是一門實驗科學，它基於模型而不是普遍的、包羅永珍的理論。化學家比物理學家更陶醉於他們學科的細節；在物理學家弗里曼·戴森的字典裡，化學家將是青蛙而不是鳥。也許熱力學的簡潔方程最接近於定義化學中的美，但物理學也可以同樣聲稱擁有這些方程。是否存在一種典型的化學美學概念，它與任何真理定義有何關係？濟慈曾說過，“美即真理，真理即美”。這在化學中是真實的嗎？
在這一點上，將化學中的美與一般科學中的美進行比較是有益的。雖然科學美可能帶有主觀性，但許多被認為是美麗的解釋性科學框架似乎都具有某些共同的品質。這些品質中最重要的是普遍性和簡潔性；更具體地說，是從簡單性中解釋複雜性創造的能力。例如，在物理學中，狄拉克方程被認為是美的極致典範，因為它用六個符號就基本上解釋了電子的所有性質，並將其與狹義相對論統一起來。在數學中，一個證明——例如歐幾里得關於素數無限性的證明——如果它結合了簡潔、普遍性和令人驚訝的品質，就被認為是美麗的。美在生物學中也是固有的。達爾文的自然選擇理論被認為是特別優雅的，因為它就像物理學中的方程或數學中的定理一樣，用幾句簡單的話解釋了現象的非凡多樣性。
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在化學中不容易找到類似的美學概念，但如果我們仔細觀察周圍，我們確實會發現例子，即使它們聽起來可能不像化學的姊妹學科那樣深刻或普遍。也許化學中美的縮影是合成的科學和藝術，合成是化學科學的核心活動，並且在很大程度上負責現代物質世界的創造。沒有人比美國有機化學家羅伯特·伯恩斯·伍德沃德更能體現這種藝術形式。伍德沃德在他的一生中磨練了化學合成——複雜的三維分子的艱苦、逐步構建——使其地位非常類似於不朽的建築或繪畫。他合成了分子——士的寧、利血平、葉綠素、維生素B12——它們的合成令人難以置信；諾貝爾委員會在授予他諾貝爾獎時將他比作自然本身。這些結構的原子級創造結合了沙特爾大教堂令人歎為觀止的優雅和舊金山海灣大橋的實用經濟性。今天，合成技術已經非常完善，以至於其中大部分已成為研究生的日常任務，但分子結構的豐富性和原子裝飾的絕對多樣性仍然令人歎為觀止。
此外，合成——無論是在試管中還是在自然界中——都向我們展示了原子等同於芭蕾舞的優雅，電子從一個鍵和一個原子到另一個原子的優雅運動，這是許多大學生在期末考試周的禍根。這種優雅特別誘人的原因是它在很大程度上是虛構的；實際上，分子只是原子核和電子的集合，僅此而已，我們可能用來表示其行為的任何型別的鍵合和電子轉移方案都是為了意義而在紙上精心製作的精巧外表。儘管如此，化學家熟悉的分子芭蕾舞每天都在他們的燒瓶和我們的身體中上演，酶以近乎完美的效率編排著令人難以置信的化學轉化壯舉。
但是，如果要真正將化學與物理學或數學進行比較，我們可能會關注更概念性的進展。這些例子中的許多例子在化學鍵理論中最為明顯，因為這些理論原則上是所有化學的基礎。當我學習晶體場理論時，我當然看到了優雅。晶體場理論使用分子軌道能量分裂的一些簡單概念來解釋數千種化合物的顏色、磁性和電學性質；它會告訴你為什麼紅寶石是紅色的，祖母綠是綠色的。晶體場理論不是一個定量的框架，它並不完美，但它可以教給高中生，並且具有充分的定性解釋能力。另一個以其純粹的簡潔性給我留下深刻印象的次要化學概念是VSEPR（價層電子對互斥理論）。VSEPR 根據分子的價電子數預測簡單分子的形狀。使用 VSEPR 計算分子的幾何形狀的後果實際上是一項草稿紙上的練習。這是一種人們可以稱之為“可愛”的想法，但在其自身的有限方式中，它當然是優雅的。鍵合領域的另一個範例是休克爾理論。休克爾理論旨在預測不飽和分子（如乙烯和苯）的軌道能量和性質。例如，它會告訴你為什麼西紅柿是紅色的，以及當光子擊中你的視網膜時會發生什麼。同樣，該理論不如隨後出現的一些高階方法那樣嚴格，但就其簡潔性而言，它既優雅又非常有用。
順便說一句，任何想要了解化學美的人都應該閱讀萊納斯·鮑林的地標性著作“化學鍵的本質”。這本書仍然是關於如何透過應用一些簡單、優雅的規則來理解無數種現象和分子結構的終極範例。這些規則是透過經驗資料和嚴格的量子力學計算相結合而得出的。這個事實可能會立即導致純粹的物理學家譴責化學中任何美的暗示，但他們是錯誤的。化學不是應用物理學，它的經驗主義和理論的獨特結合構成了它自己的一套解釋性基本原理，在各方面都與狄拉克方程或愛因斯坦的場方程對物理學一樣具有基礎性。
提到經驗主義和理論之間的差異讓我想起我曾經與一位同事的談話，這與我們討論化學中的優雅和美有關。我們正在爭論使用分子力學和量子力學計算分子性質的優點。分子力學是一種簡單的方法，當使用經驗實驗資訊進行引數化時，它可以給出準確的結果。量子力學是一種複雜的方法，它可以給出嚴格的、第一性原理的結果，而無需任何引數化。問題是，量子力學還是分子力學更“優雅”？量子力學確實從頭開始計算一切，原則上是化學的完美理論，但對於現實分子系統的真正嚴格和準確的計算，它的方程可能會變得複雜、笨拙，並且可能佔用好幾頁。另一方面，分子力學可以用幾個簡單的數學術語來表示，這些術語可以潦草地寫在餐巾紙的背面。與量子力學不同，對引數化良好的分子進行分子力學計算只需幾分鐘，並且可以給出與更嚴格的對應物的精度相當的結果。當然，該方法需要進行廣泛的引數化，但有人可能會爭辯說，其簡單的表示使其比量子力學更“優雅”。此外，在實際基礎上，人們甚至可能不需要量子力學的精度來進行他們的研究。根據上下文和需求，不同程度的精度可能足以滿足化學從業者的需求；例如，相對能量的計算可能不受每個計算中的恆定誤差的影響，但絕對能量的計算將不能容忍這種誤差。討論清楚地表明，雖然優雅的定義在某種程度上是主觀的和哲學性的，但在化學中，優雅的定義可以像完美理論框架和極端嚴格一樣，由實際的可訪問性和便利性來定義。在化學中，“真理”可以等同於“效用”。從這個意義上講，化學家類似於木匠，他根據是否有人可以舒適地坐在上面來判斷他的椅子的“真理”。
雖然這些對化學鍵理論中美的闡述是抽象的，但在自然界透過進化精心製作的奇妙的小型分子機器中，化學的美還有更鮮明和明顯的體現。這對於一般的晶體結構，尤其是蛋白質結構來說是真實的。已經揭開關鍵蛋白質秘密的 X 射線晶體學家都非常清楚這種美。考慮幾乎任何沉積在蛋白質資料庫 (PDB) 中的蛋白質結構——世界上最大的蛋白質結構儲存庫——人們立即意識到自然界構件的絕對多樣性和令人敬畏的空間排列。作為一個以檢視蛋白質和配體結構為生的人，我可以花幾天時間盯著這些實體的規律性和精確的結構。像核糖體這樣一種極其重要的生化物體的結構當然令人賞心悅目，但更重要的是，它包含極少的冗餘元素，並且由恰好足夠數量的組成部分組成，足以使其執行其功能。它就像莫扎特的歌劇，只包含必要的東西。此外，這些結構通常顯示出對稱元素，這始終是任何領域中考慮美的重要標準。因此，優雅的分子結構，尤其是蛋白質結構，跨越了數學家和生物學家對美的概念；它是簡潔性的響亮範例，並且類似於生物學家在甲殼類動物和矽藻等生物中發現的幾何和諧思想。
隨後的討論可能會讓人覺得化學缺乏宏大的解釋性理論的普遍美，並且必須將自己降級為透過特定模型對優雅和美的有限展示。但化學也具有物理學、數學或生物學所沒有的美的特徵。這在很大程度上體現在分子結構的繪製中，分子結構的繪製是化學家日常工作中不可分割的一部分。這些筆跡展示使化學與視覺藝術和建築處於同一水平，並賦予它一種獨特的藝術元素，幾乎沒有其他科學可以聲稱擁有這種元素。它們構成創造行為，而不僅僅是對現有現象的欣賞。還有哪種科學家會花費大部分工作時間觀察和操作線條、圓形、多邊形及其交點？只有在化學中才可能存在羅伯特·伯恩斯·伍德沃德，他可以用令人驚歎的美麗彩色手繪結構填滿整個黑板，並將這塊化學畫布作為他三個小時演講的主要焦點。
在思考這些優雅的結構時，我們最初的問題再次出現：這些圖紙中的美是真理嗎？在這種情況下值得重申的是，化學家繪製的幾乎所有結構都是純粹方便的虛構！考慮典型的原型芳香烴苯，用其交替的雙鍵繪製。實際上沒有雙鍵，甚至沒有代表部分雙鍵的虛線。我們畫在紙上的每一個其他分子也是如此，在這些分子中，一維幾何表示完全無法勝任與真實實體對應的任務。就像化學中的幾乎所有其他事物一樣，這些都是模型。然而，想想這些模型是多麼有用。它們已經進入每一位雄心勃勃的化學學生的教科書，並構成了世界各地化學家將原油等原材料的糟粕轉化為製藥、塑膠和催化劑等極其有用的產品的黃金的主要工具。偉大的物理學家尤金·維格納曾寫過一篇有影響力的文章，題為“數學在自然科學中不合理的有效性”。維格納對紙上數學符號的人為塗鴉與自然世界的真實基本構建塊（如基本粒子）之間不可思議的對應關係表示敬畏。化學家需要對他們的箭頭推動、分子椅和船以及這些操作的表現形式（即燒杯中的真實固體、液體和氣體）之間的對應關係表示類似的敬畏。一種箭頭推動導致癌症藥物的產生，另一種箭頭推動導致更好的石油精煉催化劑。在這種情況下，分子結構的美非常壯觀地對應於真理。
最後，是否像外爾那樣，化學家必須為了美而犧牲真理？與數學和物理學中的方程在解釋世界方面異常強大不同，在混亂的化學世界中，這種犧牲可能會浪費和危險得多。伍德沃德在他的科普演講中最好地表達了這一點，他承認了化學與數學相比的特殊挑戰
“雖然在數學中，大概一個人的想象力可以不受限制地馳騁，但在化學中，一個人的想法，無論它們本身多麼美麗、邏輯、優雅、富有想象力，都毫無價值，除非它們實際上適用於我們擁有的唯一物理環境——簡而言之，它們只有在有效時才好！我個人非常享受這種對幻想的物理約束所帶來的非常特殊的挑戰。”
伍德沃德談到的“對幻想的物理約束”使每位化學家都不會因追求美而犧牲真理。美仍然佔據主導地位，並且是化學家計劃合成、解析 X 射線結構、計算分子性質或將兩種簡單的化學物質混合在一起並期望它們形成奇妙而複雜的晶格時的指導力量。但與濟慈不同，化學家知道真理可能是美，但美可能不是真理。正如伍德沃德所說，“在化學中，想法必須回應現實”。而現實往往以自己的方式定義美。
這是最初發表在 The Curious Wavefunction 部落格上的帖子的修改版本。