摘要：本人对化学比较感兴趣。前一段时间研究化学元素周期表的时候发现了一个奇怪的定律：元素周期表中的化学元素，其相对原子质量总是近似地等于其原子序数的两倍（除了氢元素）。而且这个近似值越往后（也就是原子序数）越高，偏差就越大。氢真的是很特别的元素欸！是目前常温下唯一的

本人对化学比较感兴趣。前一段时间研究化学元素周期表的时候发现了一个奇怪的定律：元素周期表中的化学元素，其相对原子质量总是近似地等于其原子序数的两倍（除了氢元素）。而且这个近似值越往后（也就是原子序数）越高，偏差就越大。氢真的是很特别的元素欸！是目前常温下唯一的气态金属。现在又有了这个定律，有没有大佬可以解释一下为什么会有这个定律呢？

例如：碳的原子序数为6，而它的相对原子质量为12，铑原子序数是103，然而他的相对质量为260

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化学经常被人们认为是科学的穷亲戚，但它揭示了照亮我们宇宙的自然法则

化学家的工作并不是特别花哨。在你转向化学哲学之前，你花了很多时间在实验室里混合溶液并等待反应发生。你看到化学家们经常不得不亲自动手尝试新事物，将反应不可预测的材料组合在一起，有时甚至冒着健康的风险。可以肯定的是，这项凌乱的工作在许多方面改善了我们的生活：从我们吃的食物到救命的药物。然而，当涉及到宇宙的起源、物质的最终成分或生命进化的问题时，没有人真正去找化学家寻求答案。生物学可以对存在的重大问题提出一些要求，但实际上，物理学是这一切的基础。正如哲学家所说，是物理学发现了自然的基本规律。

然而，将化学视为科学的穷表亲是错误的。化学中产生的知识对于形成对自然界、自然界的运作方式以及我们在其中的位置的完整和准确的图景至关重要。更大胆地说，这里也有化学定律。这些定律可以隐藏在元素周期表中，或者隐藏在化学反应的行为中。它们可能不像运动定律、热力学或广义相对论那样被公认为定律，但它们支撑着我们对世界的理解。从小到大，它们可以帮助解释从为什么金结婚戒指不会生锈到地球上生命的出现。

“自然法则”的概念有着悠久而有趣的历史。一些学者认为，勒内·笛卡尔确立了现代意义上的自然法则的存在。其他人将这个想法追溯到约翰内斯·开普勒 （Johannes Kepler） 的天文学著作，而塞内卡、奥维德和威廉·莎士比亚也提到了这个想法。例如，在《辛贝琳的悲剧》中，莎士比亚称胎儿在母亲子宫内停留九个月是自然法则，暗示了生物法则的存在。关于起源的不同看法在于它们在科学研究之外的使用。除了与司法机构有关外，法律还与（某些）上帝的神圣裁决密切相关，例如十诫。这些法律和神学定义导致哲学家和科学家（至少直到 17 世纪，如果不是更久的话）将这个词比喻为自然设定的规定或诫命。例如，这就是开普勒对他的天文定律的态度。

今天，哲学家们一致认为，法律在科学中发挥着特殊功能。它们描述了在特定条件下总是以某种方式发生的现象或事件。它们定期复发;因此，它们有时被称为“规律”。当然，有很多事情经常发生。例如，您每天早上醒来，但您不会用它来承受任何特别的重量。但是，如果您将闹钟扔到房间的另一边，它会在落到地上时遵循一个定律：万有引力定律。用技术语言来说，这是关于具有质量的物体如何相互吸引的陈述，其力与它们的质量乘积成正比，与它们距离的平方成反比。更广泛的观点是，这种规律性不是偶然的，科学就是从规律的角度来理解这种规律性的。万有引力定律不仅解释了闹钟的坠落，还解释了行星的轨道、2000 年前发生的日食和海洋中的潮汐力。它提供的不仅仅是对所有这些事件的解释;它使他们团结起来。

这就是自然法则如此重要的原因。通过揭示它们，科学家们建立了一个系统的预测框架，通过该框架，我们可以了解空间和时间中看似不同的事物的行为和交互方式。

物理学家会说化学只是应用物理学;化学家会说生物学就是应用化学

有鉴于此，物理学被视为揭示自然定律也就不足为奇了。三个运动定律、质量守恒定律、库仑定律和热力学定律是一些典型的例子。但在其他科学中，人们也会提到定律。

在生物学中，有“孟德尔支配定律”，而在经济学中有“供求定律”。在化学中，您会发现 18 世纪之交创造的“确定比例定律”，它指出化合物总是包含质量上完全相同比例的相同元素。正如我们将看到的，我相信这不是化学中唯一的定律。

然而，这些陈述是否被视为真正的法律，就像物理法律一样，是有争议的。这通常可以从科学家对研究领域的态度中揭示出来。就你个人而言，你会在学习化学工程时遇到了它，这使你接触到了物理、数学、化学和生物学方面的专家。他们对自己的领域如何与其他领域相称。物理学家对化学家有点势利，化学家对生物学家也是如此。每个人都声称自己拥有某种形式的优越感。物理学家会说化学只是应用物理学;化学家会说生物学只是应用化学;生物学家会声称，仅通过分析原子和分子是无法捕捉生命复杂性的。甚至流传着一幅漫画，记录了那场比赛。有趣的是，在插图中，最终赢得游戏的是数学家，据说他正在实践最纯粹的科学探究形式。

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当时，你并没有多想。但在后来的几年里，关于科学的哲学使你从一个全新的角度思考这种紧张关系。你会意识到，即使物理学家不承认这一点，一种优于其他科学的优越感也源于这样一种信念，即只有物理学才能有助于发现真正的定律。

哲学家经常从物理定律的基本性来解释这一点。正如沃尔特·奥特 （Walter Ott） 在《自然法则的形而上学》（2022 年）中所说，“法则必须是科学的'基础';它们通常不应该作为其他命题的下游推论出现。这削弱了物理学之外存在任何真正定律的想法。在化学的情况下，这是由于量子力学：你可以根据其组成粒子的行为和相互作用来描述所有元素和化合物。没有必要援引化学的进一步定律。在他的文章《为什么特殊科学中没有定律》（2010 年）中，Jaegwon Kim 是这样说的：

如果特殊科学研究的现象是包罗万象的物理领域的一部分，那么除了物理定律和解释之外，怎么会有特殊科学的定律和解释呢？也就是说，特殊科学怎么可能呢？即使它们是可能的，我们还需要它们吗？为什么发展的物理学不能满足我们的所有需求呢？

读到这里，很容易理解物理学家的势利。如果物理学揭示了宇宙的基本定律，那么似乎可以得出结论，我们在化学中形成的所有其他陈述——或者实际上是任何其他科学——都必须源于这些定律。

然而，这忽略了自然界在不同的尺度上运作。一旦我们观察大于单个原子的系统，它们的复杂性就很难用电子、质子和中子来描述它们。更重要的是，它们表现出的模式只能通过不同的镜头（包括化学镜头）来揭示。这在化学中由两个令人惊讶地被忽视的例子最典型地证明：元素周期表和化学反应。

首先，考虑一下元素周期表。毫不夸张地说，元素周期表是科学中最受欢迎的表示形式之一。谁没有看过桌子的海报，或者听过有助于记住其元素的朗朗上口的歌曲？该表是所有已知化学元素（到目前为止有 118 种）的图片，虽然它现在似乎是一成不变的，但情况并非总是如此。早在 19 世纪，化学家们就哪种分类最好进行辩论，并就优先权和认可度展开争论。Dmitri Mendeleev、John Newlands 和 Lothar Meyer 是主角，Mendeleev 提议的桌子最终赢得了其他人的青睐。每个竞争者都声称他们提议的分类满足了特定的美德。Newlands 的表格实现了简单性：元素排序的基础关系是元素原子量之间的简单数学关系。Meyer 的表格密切关注可用经验数据的质量，排除了数据仍然被认为不可靠的元素。门捷列夫实现了完整性。也就是说，他的表格几乎包括了他那个时代所有已知的元素。它比其他分类更被接受，因为他提出的分类做了其他人无法做到的事情：预测科学家尚未发现的元素的存在。

在门捷列夫的原始版本中，元素是根据原子质量定位的。今天，它是原子序数，因为人们发现元素可以通过原子核中的质子数量更准确地识别。从左上角的氢开始——原子核中有一个质子——元素从左到右和从上到下连续放置。但这还不是全部。碰巧的是，通过按该顺序放置元素，它们在其属性中表现出某些模式。在同一列和同一行中找到的元素具有某些共同的物理和化学性质。例如，由碱金属制成的材料（即第一塔的任何元素，不包括氢）是柔软的且具有延展性的。表格第四行的元素非常稳定：它们不会很容易反应。这些信息特别方便，因为它可以帮助化学家解释现象并预测材料如何相互作用。

元素周期表的价值并没有逃过早期化学家的注意。从一开始，他们就相信他们所取得的成就不仅仅是制定一个有用的分类，而是发现了一个定律，即所谓的“周期定律”。在他的论文《周期性定律》（1871 年）中，门捷列夫谈到了“周期性定律......这适用于研究所有元素的性质和原子量之间的关系。纽兰兹也试图要求优先权，他说他是“第一个描述周期律的人，表明当它们如此排列时，它们之间存在简单的关系”。如今，元素周期律是指这样一个事实，即当元素按照原子序数的增加进行定位时，它们的物理和化学性质会大致重现。

“黄金是无反应的”是一个普遍的说法，与特定的黄金块无关

但并不是周期定律使该表如此重要。通过元素周期表，化学家揭示了不同化学元素（及其集合）的行为和相互作用的规律。诸如“碱金属柔软且具有延展性”、“金有光泽”或“卤素非常反应性”等陈述都是非偶然规律的陈述，这些陈述可以通过分析元素周期表来表示和推导出来。因此，我认为他们应该像自然法一样被授予合法地位。

为了说服你这一点，我们需要看看哲学家如何解读科学中的定律概念。所有人都或多或少地同意，科学中的所有定律陈述都表现出某些特征。例如，定律的陈述（例如万有引力定律）不是指空间和时间中的特定事件，也不是指具有质量的特定对象或粒子，而是指具有某些属性（在本例中为质量）的所有对象。它们也是通用的（或至少是统计上的概括），这意味着它们在任何地方和任何时间都适用于相关属性的任何对象。此外，定律还用于进行预测。例如，通过调用万有引力定律，我可以预测我扔出的闹钟会掉到地上。它还将帮助我解释原因。最后，法律允许我们提出 “如果 - 那么 ”形式的反事实主张。例如，万有引力定律允许我检查假设情况是否可能。例如，如果我从阳台上扔了一头大象，它会掉下来吗？

化学家对元素周期表中元素的陈述满足了这些标准。以 “gold is unreactive” 为例。这是一个通用的说法，它并不只涉及特定的金块，而是允许我们对在任何时间和地点发现的任何金块进行推断。事实上，它解释了为什么古埃及制造的所有金项链在数千年后都没有变质，它让我们可以预测，宇航员可能在遥远的类地行星上发现的任何黄金也会闪闪发光和稳定。最后，它允许我们提出反事实的主张，如“如果我的项链是金做的，那么它就不会生锈。

但揭示自然定律的不仅仅是元素周期表。毕竟，如果说“卤素反应性很强”的陈述代表定律，那么“酸与碱反应形成盐和水”的陈述也是如此。也就是说，我们应该承认所有关于化学反应的陈述都是合法的，无论它们涉及原子之间还是分子之间的转化。化学反应在化学中起着重要作用：它们的理解决定了这门学科。从我们的肠道如何处理食物到花朵如何吸收阳光，我们的生活方式取决于自发发生的化学反应和人为干预发生的化学反应。操纵这些转化的能力取决于对相关化学定律的深刻理解。毕竟，如果关于化学反应的陈述仅仅涉及偶然的规律，那么化学的巨大成功——无论是理论上的还是实践上的——都将是奇迹。

这一切是否足以让我们相信化学定律与物理定律具有相同的地位？再考虑一下“黄金是无反应的”。在这种情况下，我们可以问薛定谔量子方程是否通过黄金是非反应性的陈述捕捉到了我们想说的一切。我不相信。让我这样说吧。想象一下，没有化学，我们完全根据质子、中子和电子如何相互作用来描述化学现象。我们会错过事情如何运作的部分画面吗？即使一切都是亚原子粒子之间相互作用的结果（我不反对），我认为我们会的。

化学定律对于充分理解无生命物质转化所固有的丰富性以及生命本身的出现是必要的。因此，它们的重要性不亚于万有引力定律、相对论定律或热力学定律。它们与物理学范式定律具有相同的预测和解释能力，在解决有关生命和宇宙的重大问题时，应该将其视为我们讲述的故事的一部分。

来源：悠闲海浪