本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
最近，我讀到一位著名化學家的評論，他說在化學中，直覺比物理學重要得多。這是一個奇怪的評論，因為直覺是那種難以定義的東西，但大多數玩遊戲的人在看到它時都會欣賞它。毫無疑問，它在任何科學學科中都很重要，在物理學中當然也是如此；例如，愛因斯坦被認為是那個時代傑出的直覺主義者，他對物理現實的把握無需數學分析，無人能及。但在我看來，“化學直覺”這個詞似乎比“物理直覺”更常聽到。當談到直覺時，化學家似乎更像金融交易員、地緣政治專家和心理學家，而不是物理學家。
為什麼會這樣呢？ 簡單的原因是，與物理學不同，在化學中，紙上談兵的數學運算和理論化只能帶你走這麼遠。雖然紙上談兵的推測和數量級計算當然非常有價值，但沒有化學家可以透過簡單地進行數學運算來設計沸石、預測複雜聚合物合成的最終產物或列出潛在藥物可能具有的生物學特性。正如偉大的有機化學家 R B 伍德沃德曾經說過他決定追求化學而不是數學時所說的那樣，在化學中，思想必須回應現實。化學比物理學更像是一門建立在嚴謹和經驗模型基礎上的實驗科學，正如統計學家喬治·博克斯曾經令人難忘地諷刺的那樣，所有模型都是錯誤的，但有些是有用的。正是化學直覺可以將好模型與壞模型區分開來。
那麼，如何獲得化學直覺呢？ 所有化學家都渴望直覺，但很少有人擁有它。它很難定義，但我認為一個好的定義是，它是一種品質，可以讓人跳過許多細節，直接獲得本質結果，通常是違反直覺的結果。這個定義讓我想起哲學家丹尼爾·丹尼特最近寫的一本書，他在書中描述了一種名為“直覺泵”的智力工具。“直覺泵”本質上是一種捷徑——從語言技巧到思想實驗——它可以讓人繞過通常的嚴格而有條不紊的分析過程，直奔主題。許多化學思維都涉及到駕馭直覺泵的精妙藝術。這是提出簡單而決定性的問題，直擊問題核心的藝術。就像新穎的數學證明一樣，化學直覺的瞬間蘊含著一絲驚喜。與真正巧妙的數學推導一樣，它應該理想地引導我們拍拍腦門，問問自己為什麼之前沒想到如此簡單的東西。
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最終，當涉及到駕馭直覺時，經驗是無可替代的。然而，過去五十年來的藝術大師們已經傳授了關於如何獲得直覺的寶貴經驗。以下是我注意到的三點，我認為它們同樣適用於其他學科，也適用於化學。
1. 不要忽視顯而易見的事實：化學作為一門科學最引人注目的特點之一是，顏色、氣味、味道和元素狀態等非常明顯的性質與分子結構直接相關。例如，簡單分子順式-3-己烯醇的氣味與新鮮割草的氣味之間存在令人難忘的直接聯絡。一旦你分別聞到這兩種氣味，就幾乎不可能忘記這種聯絡。以直覺著稱的化學家永遠不會忽視這些簡單的分子性質，他們將其用作令人信服的過濾器，可以穿透複雜的計算和數百萬美元的化學分析。
我記得一個關於加州理工學院化學家哈里·格雷（他是彩色化合物等方面的專家）的軼事，他曾經僅僅透過詢問擬議化合物的顏色就否定了一些複雜的量子力學計算的預測；顯然，如果該化合物具有特定的顏色，那麼計算就不可能是正確的。當您沉浸在費力的化合物表徵、計算建模和統計顯著性中時，不要忘記您可以品嚐、觸控、聞到和看到的東西。正如平克·弗洛伊德所說，這就是你世界的一切。
2. 培養對能量學的感悟：化學的本質可以歸結為無數因素的殊死搏鬥，這些因素要麼支援，要麼反對系統可以提供的有用能量——技術上稱為自由能。從某種意義上說，整個化學就是一個大型多變數最佳化問題。當您設計分子作為抗癌劑、用於儲氫或太陽能轉換或作為酶模擬物時，最終決定它們是否會起作用的是能量學，它們如何能夠穩定和被穩定，並最終降低系統的自由能。在這種情況下，對數字的深入瞭解可以有所幫助。培養對氫鍵、靜電、空間相互作用和溶劑影響（本質上是決定化學系統命運的所有重要分子間力）所做的粗略貢獻的感悟。這對於從事化學和生物學交叉領域的化學家尤其重要；請記住，生命是在3 千卡/摩爾的視窗內進行的遊戲，任何讓您能夠確定此視窗內數字的洞察力都只能有所幫助。範德華半徑和鍵長等其他引數也是如此。萊納斯·鮑林躺在床上感冒時，他設法構建了蛋白質結構的精確模型，這主要基於他對這些數字的無與倫比的感悟。每位化學家都可以向恩里科·費米無與倫比的直覺學習，他拋擲了第一顆原子彈爆炸時空中的紙片，並使用它們落下的距離來粗略估算產量。
諾貝爾獎得主化學家羅爾德·霍夫曼講述在最近一期《美國科學家》雜誌上的一個故事，說明了透過思考能量學獲得的見解的一個引人注目的例子。霍夫曼在理論上研究了石墨烯在高壓下轉化為石墨烷的過程，石墨烷是石墨烯的飽和對應物（其中所有雙鍵都已轉化為單鍵）。在進行了一些高水平計算後，他的學生走進他的辦公室，傳達了一個非常違反直覺的結果；顯然，石墨烷比等量的苯更穩定。這是非常違反直覺的，因為每個化學專業的學生都知道，由於普遍存在的共振現象，具有交替雙鍵的所謂芳香族化合物比其單鍵類似物更穩定。霍夫曼無法相信這個結果，他的第一反應是懷疑計算一定出了問題。
然後，正如他自己回憶的那樣，他向後靠在椅子上，閉上眼睛，將半個世紀的化學直覺用於解決這個問題。最終，在完成所有賬目後，結果證明這只是能量學的一個簡單結果；形成強碳-碳鍵獲得的能量超過了由於芳香性喪失而產生的能量。諾貝爾獎得主花了一些時間才弄清楚結果，這絕不是批評，而是對從簡單能量學的角度思考的有力驗證。化學充滿了驚喜——即使對於羅爾德·霍夫曼來說也是如此——這就是它永無止境的令人興奮之處。
3. 與基礎知識保持聯絡，並向其他領域學習：這是一個經常被重複但很少實踐的教訓。我的一位老教授過去常常建議每天隨意翻開一本基礎化學教科書，並從中閱讀十頁。有時我們的研究變得如此專業化，我們如此迷戀我們化學世界的小角落，以至於我們忘記了全域性。上面引用的部分教訓只是涉及到不要只見樹木不見森林，並且始終從更宏觀的角度思考結構和反應性的基本原理。
這也涉及到與其他化學領域保持聯絡，因為有機化學家永遠不知道他大學無機化學教科書中的一個基本事實何時會派上用場。大多數偉大的化學家都是化學直覺大師，他們可以無縫地在科學的不同子領域之間轉換思想。在當今專業化變得如此深入以至於有時會導致對自身領域以外的領域表現出屈尊態度的時代，這一教訓尤其重要。向其他領域學習的一個必然結果是合作；你沒有的東西至少可以部分借用。正如奧本海默在擔任普林斯頓高等研究院院長時談到下午茶時所說的那樣，“下午茶是我們互相解釋我們不理解的東西的地方”。化學家和科學家通常需要學會更頻繁地喝茶。
最終，如果我們想培養化學直覺，值得記住的是，我們所有喜愛的分子，無論是太陽能催化劑、抗癌藥物還是肥料，都是同一化學宇宙的一部分，即使在不同的背景下也遵守相同的規則。最終，無論我們正在研究哪種分子，Wir sind alle chemikers，我們每個人都是化學家。
這是一篇發表在“好奇波函式”部落格上的文章的修訂和更新版本。