化学哲学（五）
6.化学减少
科学哲学的常年主题之一涉及理论间关系。 在争论生物学是对物理科学还原的过程中，许多哲学家都假定化学已经降低到物理学。 在过去，这种假设是如此普遍认为，它是众所周知的“Physico / Chemical”法律和解释，好像化学对物理学的减少完成。 虽然大多数化学哲学家将接受化学与物理学科学之间没有冲突（Childham 2010b），但许多人将拒绝更强大的团结论文。 大多数人认为化学没有减少到物理学，也没有可能是（参见Le Poidevin 2005，对于相反的观点和亨德利和亨迪和Crederham 2007，为Rejoinder）。
在思考化学还原性的问题时，将这个问题分为两部分是有用的：第一个和更熟悉的一个到哲学家，涉及元素，原子，分子和物理基本粒子之间的关系。 我们可能会问，“原子和分子物种还原，可根据量子力学互动的基本颗粒的系统？” 第二个，较少熟悉的问题涉及化学物质的宏观和微观描述之间的关系。 “化学物质是分子物种还原的吗？” 在这里，主要问题是是否可以根据原子，分子及其相互作用的性质重新定义所有已定义的所有化学性质。
6.1对量子力学的分子物种的减少
Bogaard（1978），Scerri（1991,1994）和亨德里（1998年）都有质疑完全减少了对量子力学的化学理论的可能性。 Bogaard认为，许多关键化学概念，如价和粘接，在量子力学中没有找到一个自然的家。 在类似的精神中，Scerri指出，在化学教科书中标准呈现的原子谱的量子力学计算对许多电子系统的结构进行了高度理解的假设。 这些近似是在务实的基础上充分激励。 然而，它们不允许量子力学“大致减少”化学事实，因为不能估计这些近似引入的误差（Scerri 1991,1994）。 此外，除非具体引入实验衍生的化学信息，否则最重要的化学趋势，期间表中的最重要的化学趋势之一，不能从量子力学得出（Scerri 1997）。 涉及Woolley（1978）和Primas（1981）的工作，亨德里（1998）认为，在量子力学中容纳分子形状的原则性难题：出生的对手近似有效地通过手添加了结构。 虽然量子化学可能极为亮起，但这些作者认为它并没有将化学降低到物理学中。
如果一个人认为减少意味着从较低水平完全导出更高水平现象，那么这些论点应该解决减少问题。 超过80年在发现量子力学发现后，化学尚未降低到它。 但是有两种可能的解释论点对此论点的反应。
首先，还原剂可以争辩说，没有原则原因，化学现象尚未来自量子力学。 问题是缺乏计算能力和适当的近似方案，而不是任何根本的问题。 Schwarz（2007）对Scerri提出了这一论点，声称原子的电子结构，并因此是周期性表，原则上是可导向量子力学的原则。 他认为，量子化学无法减少化学性质，只是所有计算复杂科学所分享的问题的表现。 然后辩论转向这种“原则上的重复性”的合理性。
还有一些论点，至少暗示化学本体的本体。 一股着名的当代形而上学的束缚捍卫物理主义，这是宇宙中的一切都是物理的原则（看物理主义的进入）。 根据物理主义者，即使化学解释和理论没有从物理学中衍生出来的化学解释和理论，化学也是“别无”的物理学。 物理世界只是由物理学的基本粒子组成。 化学实体及其性质没有独立的现实。
物理主义的论点和身体上的所有东西的争论都在形而上学的适当内容中有争议，但超越了这个条目的范围。 然而，我们认为化学理论的失败从物理学中完全衍生地衍生出来的有趣问题。 尽可能地，它指向物理领域没有明确定义的令人担忧。 如果分子和离子等化学实体最终成为物理本体的一部分，可能会争辩说这不是将化学对物理学的化学减少的情况，而只是简单地扩展物理学本体的扩展，包括化学本体。
几个作者（Earleley 2005，Harré和2011年，Centrham 2010A）采取了对情绪化学本体的独立研究。 在争斗的苏格里（2000年，2001年）关于索赔（Zuo等人1999）的争论（Zuo等，1999）所遵守的轨道，Mulder（2010）上诉实体之间的一般本体区别，这可以恰当地认为存在和国家这不一体不存在，而是存在存在的实体的功能。 Ostrovsky（2005）和Schwarz（2006年）发出Scerri论证中近似的作用。
更有争议的是，一些化学哲学家认为，化学性质可能会限制物理系统的行为，类似于思想哲学家的东西呼叫强烈出现，或向下因果关系（Kim 1999）。 虽然承认量子力学在理解结构中的核心作用，但亨德利辩称，在某些情况下，分子结构是未解释的解释者。 当我们考虑结构异构体的量子力学描述时，出现了问题，具有相同原子的分子，但具有不同的分子结构。 例如，二甲醚和乙醇共享Hamiltonian，其物理状态的量子力学描述。 然而，它们是非常不同的分子。 乙醇非常溶于水中，而二甲醚仅在水中部分溶于水。 乙醇在78.4℃下沸腾，而二甲醚沸腾于34.6℃。 饮用乙醇导致中毒，而二甲醚以完全不同的方式毒性。 量子力学可以显示这些结构的每个结构如何能量稳定，并照亮它们如何与其他分子和辐射相互作用以解释乙醇和二甲醚的化学和光谱行为，但不同的结构被引入作为未解释的初始条件。 虽然他承认这些事实与结构可降低的索赔不兼容，但亨德利认为，强劲的出现与减少化学与量子力学（2006B，2010A）的解释性关系的解释就像合理的解释一样。
6.2将物质还原到分子物种
到目前为止，我们考虑了化学与物理学之间的际关系。 化学本身如何？ 化学的宏观和微观理论是否完美达到了完美的 是否最终将物质的宏观性质降低到显微性质？ 换句话说，如果我们有关于物质的宏观描述和热力学理论，关于它的表现方式，所有这些都可以减少到分子描述？ 对于许多哲学家和化学家来说，答案似乎是“是”，但化学哲学家们在这里敦促谨慎。
首先考虑一种相对简单的气体温度案例，通常已经假定可降低气体分子的平均动能（CF.Nagel 1961，第343页）。 然而，分子的特定平均动能仅是具有给定温度的必要条件。 只有平衡的气体才有一个明确的温度，当所有空间部件都具有与整体相同的温度（反射温度是一个强化性的事实）。 足够的条件需要与在热力学平衡的宏观条件的微观相关的微观相关的平均动能。 统计力学指定了根据Boltzmann分布在气体分子上分布的能量相关的相关条件。 但是Boltzmann分布被表示为温度的函数，其从Boltzmann的熵显微混凝土的衍生对热力学定律与温度连接到热力学定律。 因此，当被解释为减少温度的概念时，气体温度的必要和足够的微观条件变得圆形（CheriCham 2009b; Bishop 2010）
尽管将温度的降低到显微性质是有问题的，但它是减少相对容易的候选者。 涉及化学变化的性质，如相转变，溶解度和反应性，相当复杂。 正如我们在第4.5节所述，纯粹的微观描述物质并不与所有化学性质共同延伸。 例如，溶解度未被微观特性充分解释。 虽然我们可以以粗糙的定性方式解释，但是当它们的离子或分子对溶剂具有比彼此的溶剂具有更多亲和力时，这种情况不会溶解溶解度的微妙定量特征。 它还留下了不受影响性物质的溶解度。 预测这些特征需要吸引热力学，并且所谓的统计力学的热力学还原被认为是高度争议的（Sklar 1993）。
正如我们在这种情况下所见，即使在显微镜水平处的物理和化学理论也非常富有成效的应用通常不足以减少化学上重要的特性。 无论是化学物质的一般概念，还是作为数百万已知物质中的每一个的特定物质，都可以减少到微观结构，并且不仅仅是假设。 虽然没有原始论据，但减少将永远是不可能的，虽然减少是不可能的，但在我们所知的每种正式尝试中都会回到一些宏观观察到的化学物质。 在迄今为止没有明确的论据的情况下，假设化学在详细的理论中使用宏观和微观概念似乎是合理的，这努力融入统一的观点。 虽然单独的微观程度在微观水平下进行大量化学，但宏观化学性质继续在整个化学方面发挥重要的实验和理论作用。
在所有这些争论的背景下，有关化学减少的问题是有关成功减少的标准的问题。 我们讨论过的所有文献都对Nagel的减少的影响表示明确或隐含引用。 除了化学文学的理念之外，该账户也被特定的减速论文评分（例如Davidson 1970）所预期的，即使在对特种科学的账户不适用的观点做出了额外性（Kitcher 1984年）。 但是，由于它假设的逻辑要求，许多人认为，Nagel的减少表示是不切实际的，并且无法对实际科学不现当。
也许在化学文学哲学中的一部分反还原剂共识是由纳加账户的严格需求的推动。 但即使纳瓦尔的账户被削弱以允许近似争论（随着HEMPEL修改他的DN解释模型），随着还原能力的一些倡导者（例如，Schaffner 1967; 1985年），这仍然没有规避微观特性解释中对宏观性质的吸引力的问题。 目前的化学理论对微观和宏观化学概念进行了化学和量子机械起源。 我们没有说明任何人都完全被切除的重要例子。
7.建模和化学解释
几乎所有当代化学理论化都涉及通过模型进行建模，间接描述和实际化学现象的分析。 从19世纪开始，化学通常教授和研究分子结构的物理模型。 从20世纪开始，成功应用了基于经典和量子力学的数学模型。 本节讨论了我们在更直接考虑化学建模时出现的一些哲学问题。
7.1物理建模
化学的建模传统从原子和分子的物理模型开始。 在当代化学教育中，大量重点是对这些模型的建设和操纵。 有机化学课程的学生通常需要购买塑料分子造型试剂盒，并且在专业实验室环境中看到这些试剂盒构建的复杂分子结构并不罕见。
分子模型的使用在19世纪中期获得了特殊的突出，帮助化学家了解分子形状的意义（Brock 2000）。 虽然这种结构可以在纸上表示，但物理模型给出了即时性和易于可视化，即单独的草图没有提供。 在二十世纪中叶，通过操纵物理模型（WATSON 1968）的DNA双螺旋结构的发现。
7.2。 数学建模
虽然物理造型一直很重要，但仍然是化学教育的中央部分，也是立体化学中的一些调查，当代化学模型几乎总是数学。 部分重叠，部分不相容的型号，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。 分子机械模型用于解释反应动力学和运输过程的一些方面。 晶格模型用于解释诸如相位的热力学性质。 这些和其他数学模型在化学教科书和文章中普遍存在，化学家认为它们是化学理论的核心。
化学家非常宽松地达到哪种数学结构可以用作模型。 但是，虽然对于任何类型的数学结构都可以用作化学模型，但不同类型的系统将自己借给建模中使用的特定数学结构。 例如，量子化学中采用的最常见的数学结构是状态空间，其通常与化学系统的总能量相关的亚分子粒子距离。 化学建模的其他部分是动态的，因此它们采用了轨迹空间，可以代表随时间的反应过程。 可以采用其他类型的数学结构，例如图形和基团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系统。 在这些情况下，该模型必须与现实世界的系统承担某些关系。 但这些关系不一定是极高的保真度。 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合的基本物理相互作用。 该方法与Lewis的粘合概念密切相关，用原子芯（核与内壳电子的核）组成的分子和具有导致局部键的价电子的分子。 与分子轨道方法相比，其与分子的任何特定部分不定位粘合电子。 现代量子化学家认为价键模型作为建筑模型的模板，适用于更大的复杂性。 因此，如果现代量子化学家部署了简单的价键模型以研究真实的分子，她就可以使用比鲍林更低的保菲度。 她使用模型仅旨在向系统的最重要特征提供第一近似值。
7.3。 建模与解释
化学的当代理论研究大部分涉及量子力学在化学中的应用。 虽然尚未实现化学现象的量子力学描述的精确解决方案，但是理论物理，应用数学和计算的进步使得可以非常准确地计算许多分子的化学性质，并且有很少的理想化。 许多量子化学家赞同追求更准确计算的方法，以降低理想化水平。 例如，高斯的开发团队是进行量子化学计算的领先套件之一，明确地认识了这个位置。 虽然他们承认有许多考虑因素来选择任何计算的近似程度或“理论水平”，但目标是尽可能地脱色模型。 他们认为，任意接近精确解决方案的量子化学计算是“争夺所有近似方法的限制”（福尔斯曼＆Frisch 1996）。
这种发展化学理论的方法依赖于系统的系统改进，试图让他们更接近真相。 科学哲学家称这个过程伽利利理想化，因为就像伽利略的工作一样，出于易手术的原因引入了理想化，并尽快被移除（McMullin 1985; Weisberg 2007b）。 但并非所有化学家都分享了这种重点，更准确的计算。 反思为什么他没有在自己的职业生涯中选择这条道路，理论家罗尔德霍夫曼写道：
我带来了不同的转弯，从作为一个计算器移动......作为一个解释者，简单的分子轨道模型的建造者...... [和]我觉得实际上有比以前更深的需求...... [这个]的工作......分析了自己的纪律和看的现象它与其他平等复杂概念的关系（1998年）。
本文的其他地方，Hoffmann承认Quantum Chemistry在其预测力中非常成功，并继续向我们提供更好的近似对基本理论的近似。 然而，该段落中表达的态度似乎是化学理论所需的简单，理想化的模型。 因此，中央哲学问题出现：鉴于更接近真理的模型的可用性，为什么要使用理想化的问题？
一个答案由Felix Carroll，一个物理有机化学家提供：
为什么那么我们不只是谈论高级理论计算并忽略简单的理论？ 我们必须选择对我们的计算目的充分准确的模型，但我们仍然足够简单，以至于我们对模型描述了什么。 否则，该模型是一个黑匣子，我们对其所做的事情并不了解它，也许甚至不知道它产生的答案是否是物理上合理的（Carroll 1998）。
Carroll不会详细说明这些问题，但这段经文包含中央信息：简单的模型可以防止我们的理论有一个“黑匣子”字符，这意味着它们不会简单地成为计算的配方，而不会出现任何物理洞察力而不是进行计算。 Carroll声称，简单的模型是必要的，以暴露化学现象的机制。 即使它们基于描述系统基本物理学的量子机械原理，高级理论计算并不能向我们展示这些机制关系。 或者，正如Hoffmann所说的那样：“[i]所寻求的理解，更简单的模型，不一定是详细预测所有观察的最佳，将具有值。 这些模型可以突出重要原因和渠道“（Hoffmann，Minkin，＆Carpenter 1996）。
为什么简单模型的情况比其他模型更少的黑匣子字符？ 一个解释呼吁我们的认知限制。 我们只能立即举行几个争论的争论。 现代化的高级计算可能需要数小时或数天才能使用快速计算机计算。 即使每一步都是由电脑明确制作的，也无法考虑到计算的计算步骤，因此难以理解结果的原因，即使一个人相信答案是正确的。 Paul Humphreys已称为模拟的认知不透明度（2004）。
有一种在化学中采用简单更高度理想的模型的第二种原因，它源于化学的解释性传统。 在开发这一点时，Hoffmann认为，有两种解释模式可以在化学系统中指导：水平和垂直（Hoffmann 1997）。 垂直解释是科学哲学家的哲学家演绎说明的诠释。 这些通过从量子力学产生的发生来解释化学现象。 量子化学的计算通常用于制造预测，但由于它们被采用以解释化学现象，因此它们遵循这种模式。 通过表明分子结构是稳定的，量子化学家是推理的，即在潜在的物理学中将预期该结构。
与垂直模式相比，解释的水平模式尝试用化学概念来解释化学现象。 例如，所有第一年有机化学学生了解所经受SN2反应的不同底物的相对反应速率。 有机化学家可能会问“为什么甲基溴经历SN2反应比甲基氯α更快？” 一个答案是“离开小组BR-是一个弱大的基础，而不是Cl-，所有的东西都是平等的，弱碱是更好的离开群体。” 这通过吸引化学性质，在这种情况下，这解释了化学反应，在这种情况下，基础的弱点。
Hoffmann并没有谈论水平和垂直解释的不同价值，但一个重要的区别是他们给我们不同的解释信息。 垂直解释表明，化学现象可以源自量子力学。 他们表明，鉴于量子力学的（近似）真相，观察到的现象必须发生。 水平解释特别适合制作对比解释，这允许解释趋势。 再次考虑我们的SN2反应速率的例子。 通过吸引BR-作为基地的弱点，化学家们调用一种化学性质，在其他分子中共享。 这使她可以解释与氯化甲氯化物相比的甲基溴的反应性，以及化学家想要解释趋势，氟甲基氟化物，甲基碘等。
反映了化学理论大学的性质，杰出的化学理论家查尔斯库尔森（1910-1974）具有类似的观点。 他写道：
[T] Quantum Chemistry的作用是了解这些概念，并展示了化学行为中的基本特征。 [化学家]急于被告知......为什么H-F债券是如此强大，当F-F的债券如此虚弱。 它们是满足于让光谱师或物理化学家进行测量; 他们期望从量子机构学习，他将解释为什么差异存在。 ...因此，解释一定是计算机显示[债券是不同的长度]，因为这根本不是解释，而只是一个实验的确认（Coulson 1960，第173页）。
虽然库尔森，卡罗尔和霍夫曼捍卫使用简单的理想化模型来产生水平解释，但尚不清楚量子计算永远无法产生对比解释。 虽然单一垂直解释并不对比，但是理论家可以进行多种计算，因此这样做可以生成产生对比解释所需的信息。 量子化学的许多最佳例子具有这种特征：一系列密切相关的计算，试图获得化学相关的趋势。
