化学美学之国际化学理论论文

一、化学家的职业伦理问题

化学研究的内部问题十分复杂，国际化学共同体内部至今尚未形成明确的专业行为准则，化学家的职业道德规范一直存在争议。在《“病态科学”并不病态也不是科学不端行为》一文中，鲍尔探讨了化学研究中道德规范与方法论准则、科学欺诈与科学错误之间的界限。通过分析三个与化学相关的“病态科学”实例———N射线、聚合水、冷核聚变，鲍尔提出“病态科学”不是科学不端行为，也不是病态的科学这一观点，因为这些研究并没有违反道德规范与方法论准则。鲍尔认为，创新性研究的本质取决于不断尝试非常规方法，当然也就会导致更高的出错风险，因此它比常规研究需要更多的自由规范。［10］事实上，这些所谓“病态科学”的科学史事件中并不存在弄虚作假，而是由于研究者被主观因素左右，沉迷于个人想象，造成了科学错误。但是，当今的许多科学不端行为很大一部分都是因为科学家选择的个人认知价值取向而引起的。拉斯洛认为化学知识的商业化走向使得对纯技术的追求替代了科学知识的探索，改变了传统的认知价值，导致科学界的道德冷漠。拉斯洛提出，如果为了增加新技术知识和新技能，化学家对众所周知的化学合成过程进行毫无创新的改变，那么他们的行为就是一种技术剽窃，这将会造成巨大的物质扩散，从知识的角度来看，就是一种物质污染。因此，拉斯洛提倡把探索科学新知识和发挥创造力作为化学研究的核心价值，由此建立化学共同体的道德规范［11］。从哲学意义上而言，化学家从事科学研究，应对其知识、技能与实践都负有一定的伦理责任;他们不仅要严格遵循科学研究的理性原则和规范要求，还要承担起必要的社会责任。在《化学合成的伦理》一文中，舒默尔认为化学研究行为并不是道德中立的，所有以伤害人类为目的、用于破坏性用途的化学合成研究，如化学武器的研制，从一般道义上判断都是不道德的。舒默尔认为，化学家的“研究自由”范围并不是从特殊的道德系统中推导出来的，而是取决于化学家对一般道德系统选择的结果。道德系统中的规范与义务决定了化学家个人的“研究自由”范围，即“道德中立”行为的范围，因此化学家应该深刻反思他们的道德偏好。由于功利性研究项目的得失争论无法消除，为了判定道德上的正确性，舒默尔提出“研究自由”范围还应满足正义的标准。［12］德尔雷在《伦理与科学》一文中表示:即使不考虑科学不端行为和技术应用可能引发的伦理问题，对纯粹知识的追求也不是道德中立的。由于化学研究成果会干涉自然与社会的和谐发展，甚至对人类自身也产生一定的影响，因此化学家在探求科学知识的同时，应当考虑每一个自由研究活动的价值选择问题。德尔雷主张使用柏拉图的三大价值理念———真理、正义和美丽，引导化学知识的追求和科研项目的价值选择，并呼吁化学家承担起化学知识增长的风险责任［13］。化学研究行为受一般道德理论的指导，那么化学家共同体的道德规范与化学工程师共同体的道德规范有何区别和联系呢?面对公众道德义务，戴维斯呼吁化学家思考:化学家与化学工程师职业间存在的本质区别，以及化学家共同体修改职业道德规范与行为准则时所面临的挑战问题。戴维斯认为，化学家需要了解包括化学工程师在内的许多不同科学技术领域的职业，因此区分化学家与化学工程师职业行为准则的差异性显得尤为重要，而这一讨论需要首先定义“职业”和“伦理”的概念，进而深入研究化学和化学工程的细节差异。事实上，化学工程师的工作保证了公众的安全、健康和福利，而需要化学家所考虑的其他伦理价值问题也是同样重要的［14］。随着大科学时代的到来，化学不再是以单纯追求知识为目的的“纯粹”意义上的科学，它已经成为与社会发展紧密联系的社会核心因素。社会面临的各种问题也成为化学家关注的问题，因此，化学家应不断地从伦理角度审视和评价化学研究，并承担起必要的社会与自然伦理责任;化学家不仅要从思想上重视作为科学家应当遵循的职业伦理要求，还要从实践上消除化学及其技术应用可能对生态环境和人类带来的危害。唯有如此，才有可能在化学发展与伦理要求之间保持必要的张力，使化学在不断发展的同时成为真正能给人类繁荣带来益处的工具与手段。

二、化学美学

哲学经常忽视一个经典的想法，即美学可以处理那些诱绪、态度和判断的感觉，而这些远超出认知与道德判断之外。无论是文化嵌入或自发引起，故意激起或偶然发生，有意识或无意识接受，审美信息伴随着人类所有感觉而产生，并以特定的方式塑造了人类对世界的态度。文化规则、形式条件以及这些过程的心理机制等都属美学试图理解的范围。然而，18世纪晚期和19世纪，科学被认为是原理图和经验主义，几乎与美学艺术背道而驰。20世纪早期，卡西尔重新提供了一个复杂的解释，提出“作为符号活动的不同形式，艺术、科学、神话和宗教都应该被认为是同一水平的”［15］，因此从哲学意义上而言，科学与艺术是类似的。半个世纪之后，海森堡在其一篇极具影响力的文章《现代艺术与科学中的抽象概念》中，使用了这个想法，认为科学和艺术是平行的符号系统，美学抽象概念可以运用于科学研究。海森堡提出“追求统一、共同合作使得艺术中的抽象概念并不比科学中的少”［16］，这一观念充实了现代科学美学思想。因此，当代化学哲学家也希望把化学这样一门具有视觉、触觉和刺激性的科学与现代科学美学观念相联系，从不同的视角运用美学分析化学，其中包括化学形象的文化美学以及化学对世界形象的贡献，化学家在日常实验室工作中使用材料和仪器的美学经验如何影响和指导化学研究，模型、图形、视觉轨道等可视化对象的美学维度以及可视化在化学交流和教学中的重要作用等。

(一)化学美学的基本问题

化学美学是什么?有关化学美学研究的具体内容仍是一个有待化学哲学家思考的问题。拉斯洛和舒默尔对化学美学领域进行了描述，尝试解决这个困难的定义任务。通过探索化学与一系列经典美学立场的联系，从拉斯洛的论文题目就表达出他试图寻求“化学美学的基础”。他使用了五个著名的对立命题:自然与人工、可视化与不可视化、可预测与不可预测、不变与变化、复杂与简单，阐明建立合理化化学美学存在的哲学利弊。拉斯洛认为化学美学是一个独特的研究领域，可以通过“计算机合成生物分子表征”这一抽象概念调和化学与美学间的联系［17］。不同于拉斯洛的观点，舒默尔认为化学美学与一般科学美学相同，并不具有独特性，但美学经验在某些方面可以引导化学研究。在《化学产品的美学:材料、分子和分子模型》一文中，舒默尔运用材料美学、理想主义美学、心理学方法和符号美学等大量美学理论，详细论证了材料、分子和分子模型等化学产品不具有内在美学价值。［18］舒默尔进一步思考了超分子化学的美学起源，运用艾柯符号学理论美学，分析了格式塔转换对建立分子图像以及发展超分子化学符号语言的启发。舒默尔提出科学图像的认知和解释在指导化学新研究中发挥着重要作用，从一般意义上而言，美学现象对指导科学研究产生了推动性作用，美学理论有助于理解动力学以及科学哲学所要考虑的其他问题［19］。20世纪80年代后期，美国著名化学家霍夫曼开始倡导分子美学研究。2003年，他在《美学与可视化的思考》一文中，介绍了化学语境下的美丽与愉悦。霍夫曼认为美学和可视化在化学理解和交流中发挥了重要作用，但并不是激励化学发展的唯一因素。［20］那么美学如何激励和推动化学发展，在化学研究中具体发挥了怎样的作用呢?生物化学家伯恩斯坦和有机化学家斯佩克特对这个问题进行了深入探讨。通过分析范霍夫、沃森、克里克等化学家的科学研究与艺术间的联系，伯恩斯坦提出美学认知和感官直觉能够撞击化学方法和思想的产生，并改变化学教育方式。［21］斯佩克特以HIV蛋白酶为例，说明分子科学家从文化和可视化视角运用美学研究疾病的过程。［22］为了揭开蛋白酶计算表征的美学性质，斯佩克特提出了实用主义的分子表征美学，并研究了分子表征美学的产生与发展历程———从亲和力表的美学分析到道尔顿原子符号的美学。斯佩克特认为，化学的理论基础是对看不见事物的图像表征，因此化学中的实验、可视化和美学之间的深层联系非常重要［23］。美学推动了化学发展的历史进程，那么在现代化学研究中应如何更好地发挥美学的指导性作用呢?语言学家克里茨巴彻就化学研究中的符号结构、美学以及隐喻的启发式功能进行了探讨。克里茨巴彻认为，现代化学中的语言交流风格已经标准化，但是缺乏类比和隐喻的元素，所以应在化学语言学中继承隐喻思维，以构建感官和大脑之间的桥梁，进而激发创造性思维的产生［24］。

(二)符号美学与炼金术图像

不同于一般的化学研究，古代炼金术具有较强的视觉和艺术传统，炼金术的视觉与符号表征一直以来都受到了艺术家和史学家的大量关注。艺术理论家埃尔金斯、科学史家奥布里斯特(BarbaraObrist)和化学史家奈特，所从事的就是炼金术语境下的美学研究。他们从不同方面讨论了丰富的炼金术美学性质，主张为这种性质提供一个现代地位，把已经丧失的炼金术美学性质转化为现代化学美学性质。埃尔金斯从艺术家的视角，提出为炼金术在当代艺术中寻求一个合理化的地位。他认为炼金术对艺术的历史影响被高估了，但炼金术提供的合理化模型有助于更好地理解“艺术家痴迷于素材而厌恶理性和逻辑”这一现象。［25］在《中世纪炼金术中的可视化》一文中，奥布里斯特调查了中世纪炼金术绘画插图，探讨了在哲学和神学背景下，中世纪自然和人工物质转换理论可视化研究的主要趋势:通过生物过程类比和基督教神话演示炼金术流程;组合图形和语言元素编辑炼金术表中的理论原则，保留原始知识;使用几何数据作为认知工具，表征自然哲学系统。奥布里斯特依据科学主流观念和知识传递方法，分析了绘画形式的功能，并提出炼金术著作中所有类比和哲学插图最终都会消失，取而代之的是实践中的装置图像。［26］与奥布里斯特的观点不同，奈特认为，炼金术著作中的插图并没有成功地通过符号描述化学过程，因为拉瓦锡时代化学理论占有主导地位，化学家主要使用仪器和实验研究化学过程，较少尝试从视觉上表征化学动力系统，因而想象力和符号语言在化学中的作用地位大幅降低。通过浏览拉瓦锡革命之后80年的课本插图，奈特发现可视化流程和操作图具有较强的想象力，从中可以学习到化学反应的过程，解释反应的机理。因此，奈特认为美学具有一定的判断力和想象力空间，应该提倡美学与可视化在化学研究中的运用［27］。不同于前面三位研究者直接探讨化学和炼金术中的化学图像与符号，特朗贝研究了新媒体艺术家拉波波特艺术中出现的化学符号。通过对拉波波特艺术品《我梳妆台上的物品:取代周期表中的元素和钴系列》的深层描述，特朗贝探讨了拉波波特图像的发展，揭示了拉波波特如何并置分子结构、原子和炼金术符号表征非科学客体，用以连接炼金术和化学变化的形而上学观点［28］。

(三)化学美学的视觉表现

不仅化学家使用美学理论与观点探讨化学问题，视觉艺术家也以艺术的方式探究化学可视化对象的美学维度，为化学美学与可视化这一主题研究做出同样重要的贡献。2003年秋天，《原质》期刊出版社一张题为《艺术中的化学》的虚拟艺术展CD，专门展示艺术家的化学艺术品，包括图像、装置、雕塑、模型、视觉轨道等，从中可以发现化学过程特有的新奇与美丽、化学文化与社会影响等。虚拟艺术展的策展人、艺术评论家斯波尔丁和化学家斯佩克特表明，通过这次交流合作，化学家和艺术家都从对方的实践中学到了许多哲学思想与方法论，同时也反思了“化学和艺术”之间的一般关系。［29］不过该艺术展并没有体现出美学在化学可视化对象中的作用以及化学家用于理解和解释化学现象的心智图。或许这种区别是由于大部分化学家是实在论者，他们把可视化作为一种化学物品表征方式，要求一定的技术准确性，而艺术家更关心的是文化问题以及化学现象的象征性意义。事实上，想要发展化学与美学艺术的共生关系，就必须建立艺术家与化学家的平等合作关系。这意味着，需要跨越维特根斯坦所谓的学科“语言游戏”障碍。与化学哲学中的许多主题一样，化学美学是一个新兴主题，再加上各种迥异的美学理论，因此有关化学与美学的相互作用与关系性质只能得到一般性的结论，化学美学的研究与哲学思考还有待进一步深入。

三、数学化学中的哲学问题

数学与化学之间的关系有着悠久的历史。事实上，国际化学的特点之一就是拉瓦锡引入了算术关系。过去的哲学家，特别是康德和孔德，一直在思考数学与化学的关系。一般的观点认为，数学与化学具有完全不同的认识论，即先验知识与后验知识的区别;从方法论层面看，两者也是截然不同的，前者是纯粹的先验方法，后者是严格的实验科学。由于这种差异性使得数学在物理学中发挥了较大的作用，而在化学中产生了相对较小的作用。主流科学哲学很大程度上便成为数学物理学哲学，但从普遍观点来看，科学的数学化被认为是理所当然的。相比于物理学的数学化，化学的数学化进程缓慢，直到20世纪70年代数学化学才开始逐渐兴起。依据学科建制化的标准，三大数学化学研究专业期刊的创办①，国际数学化学学会及其他相关学术团体的成立，数学化学专著的出版以及一系列学术会议的召开等，标志着数学化学作为一门学科已经形成，并逐渐发展为一个基础与应用科学研究相结合的活跃领域。然而，数学与化学之间一直存在着相当大的认识论和方法论障碍，通过哲学分析有助于理解甚至最终克服这些障碍。因此，对数学化学领域中紧迫的化学哲学问题的思考，包括数学与化学的相互作用关系、数学化学的性质与应用等方面的哲学和历史反思，都值得化学哲学家特别关注。

(一)化学与数学的历史关系

普遍的观点认为，数学化学作为一个学术研究领域只是出现在20世纪。当然，如果单纯地探讨化学与数学的相互作用关系，那么数学化学的历史就远超过一个世纪，最早可以追溯到柏拉图《蒂迈欧篇》中的元素多面体理论。事实上，在早期化学研究中使用数学方法与抽象思维探究化学问题的重要实例有很多，部分还出现在1900年之前，包括杰奥弗瓦的亲和力表、拉瓦锡的物质分类及其关系、门捷列夫的元素周期表、凯莱的烷烃计算、西尔维斯特的代数与化学间的联系、维纳的分子结构与沸点的关系等。［30］19世纪德国数学家赫尔曼就曾试图把《数学化学原理:化学现象的能量》一书中的理论应用于物理化学研究，从数学层面发展物理化学。赫尔曼的化学数学化思想，与现代化学原子主义形成了对比。戴特认为，赫尔曼把数学作为一种形而上学解释运用于化学中，可以减少化学本体论主张。［31］对于化学数学化思维，一些化学家则提出了不同的观点。通过分析20世纪化学数学化进程———路易斯把逸度和活度概念引入到化学热力学中、鲍林把共振概念运用于量子化学研究等，盖洛格鲁和西蒙斯提出化学数学化并没有产生较多的方法论问题，而是使新理论实体的本体论地位受到质疑，导致实在论与反实在论之争［32］。

(二)数学化学的自主性研究

关于化学能否数学化的哲学争论问题，自16世纪以来，化学家就一直争论不休。16世纪的文耐尔、狄德罗以及当代化学家拉斯洛都反对化学数学化思想，他们认为化学是门实验科学，化学知识是通过实践经验获得的，数学先验方法的纯逻辑推理无法实现化学现象的充分描述。而狄拉克和布朗则持完全相反的观点，他们认为化学与数学具有紧密联系，数学方法可以为化学提供重要的研究工具。通过分析当代关于数学化学的争论，化学家雷斯特雷波提出应当考虑化学与数学间的深层联系，不能简单地讨论化学能否数学化这一问题。［33］他主张利用孔德和外尔的思想以及克莱因的《埃尔朗根纲领》重新定义数学化学，不仅要把数学方法作为研究工具应用于化学中，而且还要实现化学中的数学思维，为化学研究提供功能性抽象思维理解［34］。虽然数学化学已经有超过一个世纪的历史，但它作为一个独立的研究领域直到最近几十年才得到学术界的认可。这既有来自学科内部的原因，同时也受外部社会因素的制约。在《离散数学化学:它的出现和接受的社会方面问题》一文中，雷斯特雷波和维利亚维斯探讨了20世纪后半期数学化学领域在学术界正式兴起及其之后发展受到阻碍的社会原因。他们提出数学化学最早主要出现在东欧，数学知识对化学研究产生了实用性，从而激发了这一研究领域的兴起。但由于缺乏研究经费，使得之后的发展停滞不前。而离散数学化学过去一直被许多化学家拒之门外，后来只有在数学领域中被慢慢接受。［34］事实上，过去一些化学家甚至不承认数学化学这一研究领域，仅把它视为物理化学的一部分，即使是化学当中涉及的离散数学也不被当成是数学。［35］对此，巴拉班提出数学化学与物理化学、计算化学之间存在的较大区别。他认为，大多数计算化学应用涉及了量子化学，可以被还原为物理学，而离散数学应用却无法还原为量子化学，数学图论等非数字化运用在化学研究中占有重要地位，也无法简单地归结为物理化学。因此，巴拉班主张数学化学的自主性研究。［36］就这个问题，舒默尔建议从方法上定义数学化学领域，用以区别数学物理学和物理化学。他提出数学化学应遵循多元方法论原则，发展新的数学理论以适用于化学研究，从而形成独特的跨学科研究方法，同时这还需要实验化学家的积极参与，才能避免传统的认识论障碍［37］。

(三)数学化学的发展

现代化学发展的一大趋势就是在实践经验的基础上积极发展理论，提高理论指导实践研究的能力，而数学方法及其抽象思维的大量应用，正为现代化学研究提供了得力手段。这种化学与数学协同作用的一个重要领域就是对称性问题的研究，如四面体碳概念、特定配位化合物的八面体对称结构、苯的六边形性质、光谱的解释等。图论和拓扑在无机结构化学中的应用以及基于手性代数的化学集群研究，也都表明了数学在化学中发挥着越来越重要的作用，进而推动了数学化学学科的变革与发展［38］。在《数学化学的哲学:个人观点》一文中，巴斯克提出运用图形和矩阵等离散数学方法，对分子和大分子进行模型表征，进而量化分子的特征和属性。这种方法有助于更好地理解现代化学进步，实现化学定性概念的定量发展，阐明生物的化学结构基础。［39］不仅如此，巴拉班认为图论的化学应用，甚至可以消除一些无法解决的化学问题。他提出，使用图论寻找符合一定数学条件的图表以解决化学问题这一研究策略，与通过“福尔摩斯原则”分析排除不可能结果的解决方案是等价的。事实上，巴拉班参与了包括异构体计算、化学反应的数学处理、分子特征、富勒烯化学和纳米结构的数学运算等数学化学领域的研究，并为这个领域的发展做出了重要贡献［40］。19世纪至今，化学家一直努力尝试使用数学方法研究周期律和化学元素集合问题。应用于周期系统研究的数学理论包括数论、信息论、序论、集合论和拓扑等，每一种理论应用都可以提供一个数学结构的周期律。化学家雷斯特雷波和帕琼提出，利用现象学属性研究化学元素就能找到周期律解释，而无须把化学元素的概念还原为量子原子［41］。数学的另一大应用在于所提供的形式化科学语言，便于化学的定量研究，该方法最早可以追溯到拉瓦锡时代。雷斯特雷波和维利亚维斯在《化学，一种语言哲学》一文中提出，拉瓦锡命名系统与莱布尼茨语言哲学具有相似之处，拉瓦锡和门捷列夫的命名法促进了代数系统化学集的形成，进而建立了现代化学语言。因此，雷斯特雷波和维利亚维斯主张使用元素网络理论和离散数学把化学语言与思想形式化，使化学由实验科学向理论科学过渡［42］。数学化学不仅推动了化学的学科发展，在一定程度上也影响着数学的发展。那么数学化学可以在哪方面促进数学的发展呢?被普遍接受的一个例子是图论因为在化学中的应用而得到显著发展。霍索亚对这个问题做出了开创性研究。假设寻求可视化图形和结构公式的抽象化学思维与数学思维不存在本质上的区别，那么用来描述分子结构的拓扑指数和就有助于进一步发展数论的抽象特性。霍索亚认为，富勒烯化学中的群论推理同样提升了数学常规多面体理论，完善了数学理论与抽象思维的发展。［43］数学与化学的理论体系、认识论、方法论上的差别表明，数学化学还不是一门特别完善的学科，因此有关数学与化学关系的思考，数学方法在化学研究中的运用问题等值得化学哲学家进一步探讨。如果通过深层次的哲学分析，能够消除数学与化学的学科障碍，那么对两大学科的发展将会产生巨大的推动性作用。

四、结语

上文对化学伦理学、化学美学和数学化学中的哲学问题这三大主题内容作了具体论述，揭示了当代化学哲学研究的最新进展与热点问题。从中可以看出，化学哲学已经从传统的基础化学哲学问题研究，转向了跨学科的讨论，并逐步走向化学与社会互动的领域。化学哲学产生于科学活动日益超越学科边界转向问题研究的时期，当中涉及的许多化学问题都需要化学哲学家认真思考。如果科学哲学是对科学的哲学反思，那就没有必要像物理哲学家那样界定科学哲学是认识论的、方法论的还是形而上学的推理论证了。哲学是一个丰富的领域，像化学这样的科学有更多有趣甚至是紧迫的问题，有待哲学家去思考和处理。一旦哲学的所有适用范围都被科学哲学普遍认可，那么化学哲学中的研究主题就会大量涌现。

作者：张培富 董惠芳 单位：山西大学科学技术哲学研究中心