化学哲学（六）
7. 建模和化学解释
几乎所有当代化学理论都涉及建模，即通过模型对真实化学现象进行间接描述和分析。从 19 世纪开始，化学通常是通过分子结构的物理模型来教授和研究的。 20世纪开始，基于经典和量子力学的数学模型成功应用于化学系统。本节讨论当我们更直接地考虑化学建模时出现的一些哲学问题。
7.1 物理建模
化学的建模传统始于原子和分子的物理模型。在当代化学教育中，非常重视此类模型的构建和操作。有机化学课程的学生通常需要购买塑料分子建模套件，并且在专业实验室环境中使用此类套件构建复杂的分子结构并不罕见。
分子模型的使用在 19 世纪中期获得了特别的重视，帮助化学家理解分子形状的重要性 (Brock 2000)。虽然此类结构可以在纸上表示，但物理模型提供了草图本身无法提供的即时性和易于可视化的效果。二十世纪中叶，DNA 双螺旋结构的发现得到了物理模型操作的帮助（Watson 1968）。
7.2 数学建模
虽然物理建模在历史上一直很重要，并且仍然是化学教育和立体化学的一些研究的核心部分，但当代化学模型几乎总是数学的。部分重叠、部分不相容的模型系列，例如价键、分子轨道和半经验模型，用于解释和预测分子结构和反应性。分子力学模型用于解释反应动力学和传输过程的某些方面。晶格模型用于解释相等热力学性质。这些和其他数学模型在化学教科书和文章中无处不在，化学家将它们视为化学理论的核心。
化学家对于哪种数学结构可以作为模型非常宽容。但是，虽然几乎任何类型的数学结构都可以用作化学模型，但不同类型的系统适合在建模中使用特定类型的数学结构。例如，量子化学中最常见的数学结构是状态空间，它通常将亚分子粒子距离与化学系统的总能量相关联。化学建模的其他部分是动态的，因此它们采用轨迹空间，可以代表反应随时间的过程。还可以采用其他类型的数学结构（例如图和群）来模拟分子结构和对称性。
化学建模中许多练习的目的是了解真实的系统。在这些情况下，模型必须与现实世界系统具有一定的关系。但这些关系并不总是具有极高的保真度。例如，Linus Pauling (1939) 和简单价键模型的早期支持者认为，该模型捕获了产生化学键的基本物理相互作用。这种方法与刘易斯的成键概念密切相关，将分子视为由原子核（原子核与内壳电子）和价电子组成，从而产生局域键。它与分子轨道方法形成鲜明对比，分子轨道方法不会将键合电子定位到分子的任何特定部分。现代量子化学家将价键模型视为构建更复杂模型的模板。因此，如果现代量子化学家使用简单的价键模型来研究真实的分子，她的保真度标准要比鲍林低得多。她使用该模型的目的只是为了对系统最重要的特征进行初步近似。
7.3. 建模与解释
当代化学理论研究的许多涉及量子力学在化学中的应用。虽然化学现象的量子力学描述的精确解决方案尚未实现，但理论物理、应用数学和计算的进步使得非常准确地计算许多分子的化学性质成为可能，并且几乎没有理想化。许多量子化学家都赞同在降低理想化水平的情况下努力实现更准确计算的方法。例如，Gaussian（量子化学计算的领先软件包之一）的开发团队明确支持这一立场。尽管他们承认在选择任何计算的近似程度或“理论水平”时需要考虑许多因素，但目标是尽可能使模型去理想化。他们认为，任意接近精确解的量子化学计算是“所有近似方法力求达到的极限”（Foresman & Frisch 1996）。
这种发展化学理论的方法依赖于理论的系统完善，试图使它们更接近事实。科学哲学家将这一过程称为伽利略理想化，因为正如伽利略的工作一样，理想化是出于易于处理的原因而引入的，并会尽快被删除（McMullin 1985；Weisberg 2007b）。但并非所有化学家都关注更精确的计算。理论家罗尔德·霍夫曼在反思自己为何没有在自己的职业生涯中选择这条道路时写道：
我采取了不同的转变，从一名计算器……转变为一名解释者、简单分子轨道模型的构建者……[并且]我觉得实际上比以前更需要[这种]工作……分析一种现象在其自己的学科范围内，并了解其与同等复杂性的其他概念的关系（1998）。
在本文的其他地方，霍夫曼承认量子化学在预测能力方面取得了巨大成功，并继续为我们提供了对基础理论的更好的近似。然而，本段表达的态度似乎是化学理论化需要简单、理想化的模型。因此，出现了中心哲学问题：既然有更接近事实的模型，为什么还要使用理想化的模型呢？
物理有机化学家菲利克斯·卡罗尔给出了一个答案：
那么为什么我们不只讲高层次的理论计算而忽略简单的理论呢？我们必须选择足够准确的模型来满足我们的计算目的，但仍然足够简单，以便我们对模型所描述的内容有一定的了解。否则，该模型就是一个黑匣子，我们不了解它的作用，甚至可能不知道它产生的答案在物理上是否合理（Carroll 1998）。
卡罗尔没有详细阐述这些问题，但这段话包含了中心信息：简单的模型阻止我们的理论具有“黑匣子”特征，这意味着它们不会简单地成为不提供任何物理洞察力的计算方法。卡罗尔声称，为了揭示化学现象发生的机制，简单的模型是必要的。高级理论计算无法向我们展示这些机械关系，即使它们基于描述系统基本物理的量子力学原理。或者，正如霍夫曼指出的那样：“如果寻求理解，更简单的模型（不一定是详细预测所有可观测值的最佳模型）将有价值。这样的模型可能会突出重要的原因和渠道”（Hoffmann，Minkin，＆Carpenter 1996）。
为什么简单模型比其他模型具有更少的黑盒特征？一种解释迎合了我们认知的局限性。我们的脑海中一次只能保留一个论证的几个步骤。使用快速计算机进行现代高级计算可能需要数小时或数天的时间。即使每一步都由计算机明确说明，即使人们确信答案是正确的，也无法记住计算步骤，因此很难理解结果的原因。 Paul Humphreys 将其称为模拟的认知不透明性（2004 年）。
在化学中采用简单、更加理想化的模型还有第二个原因，它源于化学的解释传统。在阐述这一点时，霍夫曼认为有两种针对化学系统的解释模式：水平和垂直（Hoffmann 1997）。垂直解释被科学哲学家称为演绎法理解释。这些通过从量子力学中推导化学现象的发生来解释化学现象。量子化学中的计算通常用于做出预测，但就其用于解释化学现象而言，它们遵循这种模式。通过证明分子结构是稳定的，量子化学家推断出这种结构在考虑到基础物理学的情况下是可以预料到的。
与垂直模式相反，水平解释模式试图用化学概念来解释化学现象。例如，所有有机化学一年级学生都会学习不同底物进行 SN2 反应的相对反应速率。有机化学家可能会问“为什么溴甲烷比氯甲烷进行 SN2 反应更快？”一个答案是“离去基团 Br− 是比 Cl− 更弱的碱基，并且在所有条件相同的情况下，较弱的碱基是更好的离去基团。”这通过利用化学性质（在本例中是碱的弱点）来解释化学反应。
霍夫曼没有过多谈论水平解释和垂直解释的不同价值，但一个重要的区别是它们为我们提供了不同类型的解释信息。垂直解释表明化学现象可以源自量子力学。他们表明，考虑到量子力学的（近似）真理，观察到的现象必然发生。横向解释特别适合进行对比解释，从而可以解释趋势。再次考虑我们的 SN2 反应速率示例。通过利用 Br− 作为碱基的弱点，化学家利用了其他分子共有的化学特性。这使她能够与氯化甲基甲基甲基甲基甲基的反应性解释，以及氟化甲基，碘化甲基等。就化学家想要解释趋势而言，它们使用化学概念做出了对比解释。
反思化学理论的性质，著名的化学理论家查尔斯·库尔森（Charles Coulson，1910– 1974年）也提出了类似的观点。
量子化学的作用是理解这些概念，并表明化学行为的基本特征是什么。 [化学家]急于被告知……为什么当F – F键如此弱时，H -F键如此牢固。他们满足于让光谱学家或物理化学家进行测量。他们希望从量子级策划人那里解释为什么存在差异。 …因此，解释不可能是计算机表明[债券的长度不同]，因为这根本不是解释，而只是对实验的确认（Coulson 1960，第173页）。
尽管库尔森，卡洛尔和霍夫曼捍卫了使用简单的，理想化的模型来生成水平解释，但尚不清楚量子计算永远无法产生对比解释。尽管单个垂直解释不是对比的，但理论家可以进行多种计算，因此可以生成对对比解释所需的信息。量子化学的许多最好的例子具有以下特征：一系列密切相关的计算，试图遇到化学相关趋势。
