原来发表在《科学文化评论》, 2005, 2(2), 108.

 

 

评《周易科学观》对元素周期表的解释

 

作者：陈敏伯

（中国科学院上海有机化学研究所）

 

徐道一先生的《周易科学观》一书，据书评者说：“畅论了《周易》和现代自然科学的联系，综合会通了近十年国内外关于《周易》与现代自然科学的关系的各种论著，更提出了自己的独到见解，…，可以说是十年来的科学观点研究《周易》的丰富成果的一次总结”（[1]，序）。徐道一先生自己介绍：《周易科学观》的“第三、四、五章用大量、可靠的现代科学资料从天、地、生、数、理、化综合研究等方面来论述《周易》的一些基本概念。”（[1]，前言）。他认为：“从根本上看来，《周易》‘尽宇宙之妙，通天人之际’”（[1]，第2页）。他更认为，正确区分东方科学技术的精华和糟粕的问题中，“核心问题之一是对《周易》的评价”（[1]，第239页）。

 

2001年《科学》杂志第五期刊登了刘长林等先生的文章《自然国学研究的现代意义》[2]。他们说：“今天弘扬自然国学，并非只为研究其历史，主要目的是为了在我国当代的科技现代化中充分发挥民族文化的优势。…人们几乎很自然地总是以西方的科学与文化为尺度,来诠释和衡量中国学术。…少数学者不了解科学体系的多样性、演进性，以及不同体系间的互补性，奉西方近代科学传统为唯一的金科玉律，用西方近代科学的特点来定义“科学"、规范科学，…”[2]。他们关于科学的认识在我国知识界里有一定的代表性和影响，他们从1990年起在中国科学院自然科学史研究所、中国地震局地质研究所等单位组织了600余次“天地生人学术讲座”，据称头十年内与会者达16000余人次[3]。

 

那么《周易科学观》到底是如何具体研究客观事物的呢？在化学方面，该书只谈一个重点问题——化学元素周期表[3]。为正视听，本文就这个化学问题分析《周易科学观》是否具有科学性，分析《周易科学观》对未来化学的发展到底有没有进步意义。

 

（1）《周易科学观》对元素周期表的解释：

 

该书介绍：“田新亚（1976年）把元素周期表中的八族比拟八卦，按先天八卦方位排列…”（[1]，第159页）“八卦能和自然界最基本物质的构成规律（原子水平）合拍，那么它本身应是一条严密的自然律，这点应是没有理由再来怀疑的了。”（[1]，第162页）。该书又介绍1956年四川蔡福裔的手稿《八卦与原子》，赞赏他“进而发现了原子量成双、四个一组的规律，论证了元素原子量内涵八卦性质，是难能可贵的。”还着重指出“这种八卦互补规律尚未被现在化学家和物理学家所注意到”（[1]，第164页）。该书特别介绍1990年郑军的“太极太玄体系”。“把周期表按九宫八卦排列，对现有元素周期表稍加改造，组成一个新元素周期太极太玄结构表。…门氏周期表只表达了元素周期变化的二维图象，而太极图象结构表则表达了三维图象。后者还表示了元素的演化过程。…元素周期表的太极太玄结构显示了一幅典型的由低级到高级的不断进化、螺旋式上升发展的周期运动。这表明物质运动是分层次的，每一层都存在者三维时空结构，时空都是有始有终，每当一层次研究清楚之后，高级层次或低级层次又会展现。总之，郑军把《周易》、《太玄经》基本内容与化学元素周期表结合研究，得出了一些新思想、新观点，无疑地对推动现代化学的进一步发展有重要意义”（[1]，第168页）。这里如果有足够篇幅，还可列出《周易科学观》书中更多的低级毛病。

 

文革结束以来，我多次接到过诸如山区中等院校教师的来文，有的说是“确信能够推翻热力学第二定律”，写了上百页的稿纸。各式“元素周期表”也收到过好几份。有的将元素列成一个对称的等腰三角形，由此“从‘对立统一原理’推算周期表中元素原子序数的极限”…。有的是经商致富后的青年农民，业余从事研究，提出基于磁力作用的“原子模型”。尽管他们在科学上是错误的，但是在我眼前浮现的却是僻壤之地、勤奋好学的高大人物形象。他们的精神让我肃然起敬，希望属于他们，他们是未来社会的脊梁。在指出问题之外，首先得鼓励他们。可是，《周易科学观》却丝毫引不起我的敬意。他们多半是理工科的科班出身，凭借地学等方面的专业知识，企图纵览自然科学。他们身居京城，学术交流上应当有优势，却把早已成熟的化学、物理学的科学结论拒之门外，把《周易》的“意义”说得太高、太高。

 

众所周知“元素周期表”在化学学科发展上的特殊重要性。化学元素性质的周期性规律是对化学元素性质的定性总结。所以《周易科学观》选择这个基本话题来谈论化学，用意是明显的。

 

但是，1992年出版的《周易科学观》对元素周期表的认识深度，最多只是1916年美国科学家G× N× Lewis的“八隅律”水平，只觉得“8”这个数字在化学元素性质周期性变化中经常出现，并不知道除了“8”之外是否还有别的数字，更不知道这些数字的物理来源在哪里。科学不是数字游戏，对于以研究客观世界规律为己任的物理学和化学来说，数字只有在具备物理意义之后才有科学价值。

 

（2）元素周期表的科学根源

 

化学元素性质的周期性规律是天才的俄罗斯化学家D. 门捷列夫在1869年发现的。有人说他是在玩扑克牌时发现的。可是，我还是更相信门捷列夫自己的话：母亲临终嘱咐他“不要幻想，要坚持工作，耐心地寻求科学真理吧。”从发现周期律的1869年到量子力学建立的1927年，科学家对元素周期律的认识完成了从“知其然”到“知其所以然”的全过程：

 

元素周期表的科学根源得从“自由原子”谈起：自由原子就是不受外部作用的单个处于基态的原子。它的电子云形状一定是球形分布的，即球对称的。科学上可以严格证明：这样的原子，如果其电子云不是球对称的话，那么突出在球面之外的电子云部分就可以自动迁移到凹陷在球面内的空间，同时释放出能量从而使总体处于更稳定的状态。

 

玻尔根据旧量子论得到：原子中各个电子的能量又与它们离开原子核的距离大小有关，分成几个壳层。后来的量子力学理论进一步定量解释了关于原子性质的所有实验现象。当然也包括了“元素周期表”。所谓代表电子壳层的“主量子数n”就是元素周期表的“周期”。每一个周期的满壳层电子都呈球对称。而同一壳层中的电子又可以根据其角动量的大小分成s电子、p电子、d电子、f电子…，分别对应于角动量量子数l＝0、1、2、3、…的量子状态。主量子数为n的那层壳层中，电子角动量最大只能是l＝n －1。所以，每个“周期”中具有不同角动量和不同自旋性质的电子总数，就决定了元素周期表中那个“周期”能容纳多少个元素。只是这个数目有时等于8而已，必须指出有时并不等于8。企图把它与《周易》八卦攀亲是牵强附会的。《周易科学观》谈元素周期律时只提《周易》不提量子力学，其动机显然就是企图取而代之。想取代是可以的，就看《周易科学观》的实力如何了。

 

原子中电子性质的规律还有很多，但是现代科学已经证明：原子中整个电子结构问题取决于Schrödinger方程。科学历史的发展过程中曾经出现过几种不同的科学理论来解释原子的电子结构问题，不过后来它们都被严格证明是等价的。而元素周期表只是原子的电子结构中的一个子问题，已经严格证明：元素周期表的排列规律完全取决于Schrödinger方程角向部分的解，即球谐函数Y_lm(q,f)，而与径向部分无关。即元素周期表规律的物理根源只有一个，即自由原子电子云的球对称分布。

 

自然界有很多表面上看来仅有几何对称上的联系而其它方面无关的物理、化学问题。现代科学证明了对称性严格规范了物理化学行为。这就是群论这门抽象数学渗透到一切物质科学领域的道理。自由原子具备三维球对称性，铜鼓皮膜具备“二维球”对称性，即圆对称性。描述它们的方程于是出现相同的部分，如自由电子的球对称就出现在薛定谔方程的角向部分。群论指出了这些貌似不同的问题只要它们有相同的对称性，必定在描述它们的基本方程中就一定会出现相同的部分。也就是群的“同构”（isomorphism）或“同态”（homomorphism）概念决定的。爱因斯坦惊叹“关于自然，最不可思议的事是它是可以被理解的”思想中，就包含了群论的魅力。

 

如果把《周易》抬举到群论的高度，那么它无非是一个二阶群利用同构或同态原理将宇宙中凡是属于这个群的所有现象联系起来，所谓“阴阳”、“正负”、“虚实”、“盈亏”、“是非”等等。于是造成了一种唯一性的崇拜，误以为包罗万象，没有例外。他们不知道自然界中有无限多种群，《周易》的例外多得是。真正形成群论这门科学的应归功于法国数学家E. Galois（伽罗华，1811-1832年）。

 

量子力学理论把成千上万个实验事实统统联系起来了。这些规律决不是《周易科学观》里所理解的那么简单。如果说“八卦”还能够“解释”第二周期元素的两个s电子加六个p电子等于8个电子的话，那么第三周期出现d轨道，满壳层18个电子，这时“八卦”怎么办呢？《周易科学观》就只能七拼八凑个“太极太玄结构”对付。勉强对付了3d电子之后，又遇到4f电子14个，再来一次七拼八凑？《周易科学观》没有也更不可能对电子的g态、h态等作预测并验证。这种人为拔高“八卦”的意义：从八卦（64＝2⁶）拔高到二进制数学（2的无穷大次方），再从“8”联想到G. N. Lewis的八隅律，然后再拔高到元素周期表，又到原子中的电子结构。居然还从“8”联想到高能物理中基本粒子的“八重图”（[1]，第141－143页）。这种硬套近乎的做法，一次比另一次人为拔高的做法，还称得上“理论”吗？凭什么说你在解释10个d电子、14个f电子时拼凑上去的说法是正确的呢？一个稍有科学良知的人，只要把八卦同代表“球对称”的球谐函数Y_lm(q,f)相比，说两者实在相差太远是一点也不夸张的，把两者攀亲无疑也太可笑了。

 

元素周期表的排列本质上是有心力场致使电子云呈球对称造成的，属于李群中的SO(3)旋转群。即使我们把《周易》拔高到群论来看，《周易》至多不过是一个二阶群，当然绝对不可能严格解决属于旋转群的问题。所以，《周易》解释周期表一定作襟见肘、尽是漏洞。而量子力学的球谐函数集{Y_lm(q,f)}可以作为SO(3)群的基函数，而且是完备集，所以解释周期表必定天衣无缝。[4]

 

尽管《周易科学观》一点也不了解当今科学对原子认识的过程，不了解“怀疑一切”的科学精神。他们有的是“哲学”语言，一会儿一个“层次”，一会儿一个“时空结构”，故弄玄虚。他们的“原子论”拒绝量子力学。他们不懂得目前关于微观世界的统一理论是量子力学这句话背后有多么重份量的证据。

 

 

（3）整个物理学是量子物理的

 

量子力学是20世纪科学史上第一位的宝贵产物。量子力学从很少数几条公理假设出发，经过数学和逻辑演绎而得到关于物质的形式理论体系。再从形式理论出发利用模型近似、二次形式化和计算，得到理论预计值。最后再去与实验结果核对。量子力学不仅属于物理学，而且也属于化学。1954年化学诺贝尔奖得主Linus Pauling教授在1985年说：“现代化学就是量子化学。...化学是一种量子效应，或者说是许多量子效应的集合”[5]。1998年的诺贝尔化学奖授予美国科学家Walter Kohn和英国科学家John A. Pople，颁奖公报及其补充材料中说：“...量子化学已经发展成为广大化学家所使用的工具，将化学带入一个新时代，在这个新时代里实验和理论能够共同协力探讨分子体系的性质。……整个化学正在经历着一场革命性的变化。”“化学不再是纯实验科学了”[6]。纵观历届各科的诺贝尔奖公告，得到如此高的评价是非常难得的。

 

总之，目前除了量子力学，没有一个“理论”可以称得上是关于元素周期表的定量理论根据。也就是说，迄今还没有一个包括元素周期性在内的任意无生命的物质世界的实验事实可以把量子力学证伪掉。“证伪”就是“一票否决”，它是一种比“数据相符”严格得多的科学检验。人们敢不敢让《周易》也接受“证伪”的检验呢？如果《周易》不必接受“证伪”的检验，那怎么能让《周易》步入科学殿堂呢？

 

量子力学用在化学元素周期表上，其实还是75年前初试牛刀，略施小技的事儿。科学早已不在这类问题上做文章，她早已去迎战更难得多、更本质的问题。现在量子力学对于微观世界的定量预计可以达到什么程度呢？例如关于电子自旋反常磁矩，1984年量子电动力学理论的计算值m＝1.001159652193mB 。这一理论成果推动了实验水平的进一步提高。1987年，美国华盛顿大学的Hans G. Dehmelt教授课题组将电子自旋反常磁矩的实验值更新为m=(1.0011596521879±0.0000000000043)mB。理论值和实验值之间达到12位有效数字的吻合。德默尔特因而分享了1989年的诺贝尔物理奖。量子理论与现代实验结果达到如此高度的定量一致，其准确度相当于太阳到地球距离（1.4960´10⁸千米）的测量误差只有您拇指到中指的距离15厘米那么短！[7]同样，引力、电磁力的“平方反比律”1/r²中的“2”物理学家已经实验验证到2±10^－16的准确度！[8]

 

《周易科学观》的“理论”能够在多大的领域达到多高的准确度呢？该书中关于“第2、3、4周期元素原子量之和”这一个“规律”的准确度仅仅只有区区的2－3位有效数字。他们还能拿得出几个更准确的实验检验的实例来呢？显然，《周易科学观》与现代物理学的准确度相比实在相差十万八千里了。

 

 

（4）严密科学

 

如果说《周易科学观》还知道要用数字8去凑一个数学模型的话，那么他们不知道比数学模型重要得多的是物理模型。剑桥大学物理系教授John C. Taylor说：“人们在设想物理模型的过程中陷入绝境时，有时会倒退回数学领域”[9]。同一个物理问题可以搞出上百种数学模型，而无法说出水平高低。数学模型只是寻找科学真理的第一步，它只是在理论预计的数值上与实验值相符而已。物理模型还要求在客观机理上也要正确。量子计算机的奠基人、牛津大学物理系教授David Deutsch指出：“预言事物或描述事物，不论多么准确，也和理解不是一回事。……物理学家研究并形成理论的真正动机恰恰是渴望更好地理解世界”[10]。理解就是要求得到物理模型。数值上准确的模型不见得机理上也正确，机理上正确的模型数值上一定准确。物理学是严密科学（exact science），化学正在步入严密科学[11]。所谓严密科学，“严”字指机理正确，“密”字指数值准确。

 

我们承认量子力学还不仅仅凭一个电子磁矩的事实预见得那么准，还要看其他所有物质性质的预计能力。一个理论如果连在它能够作数值预计准确的单一问题中也不能反映正确的机理，那么怎么能够指望它还能在其它问题上也得到准确的数值预计呢？看一个理论能够在多么大的范围内有效是非常重要的考虑。1949年爱因斯坦曾经说过：“一个理论如果它的前提越简单，而且能够说明的各种类型的问题越多，适用的范围越广，那么它给人的印象越深刻”[12]。量子力学形式理论之所以被承认，是由于自从1925年以来的七十多年中，经受了各种领域实验事实的检验。这些领域几乎包括物质微观世界（尺度大于10^-15米）的所有方面，不是数万也有数千。量子理论所经受实验检验的程度之深、领域之广是任何自然科学学科中的任何理论所远远不能比拟的。一般科普书上写的所谓“检验”仅仅是数值符合而已，因为那只需用几行字就能写明白，而检验是否机理正确却不是一章两章篇幅说得明白的。量子力学能够预言新粒子、新效应就是它作出的机理解释也正确的证据之一。

 

“事实上，量子力学规律不仅支配着微观世界，而且也支配着宏观世界，可以说全部物理学都是量子物理学的。已被长期实践证明的描述宏观现象的经典力学规律，实质上不过是量子力学规律的一个近似。”[13-15] 难怪与量子力学直接有关的科学成就迄今至少已经使得26位物理学家和化学家得到了诺贝尔奖！这里用词不留余地，但是决不夸张。当今物理科学就是发展到如此的高度。连波函数的平方都已经用扫描隧穿显微镜的针尖直观地“摸”出来，得到验证（图1，[16]）。

 

图1 “量子围栏”，量子力学波函数的实际的观测。〖1993年Crommie等人用扫描隧穿显微镜（STM）第一次在量子围栏中显示了电子的波函数（图1左）。他们在温度4K、超高真空的清洁单晶Cu(111)表面上蒸镀一层Fe原子，然后用STM针尖操纵，让48个Fe原子围成一个平均半径71.3Å的圆圈。表面电子在铁原子上强烈反射，被禁锢在这个“量子围栏”里，它们的波函数Y形成同心园状驻波。STM针尖与样品间的隧穿电流正比于样品该处的电子局域表面态密度，这实际上就是该处电子波函数的模的平方。于是用恒电流模式就可将电子波函数Y的模的平方描绘出来（图1左）。右图是按照二维园无限深势阱内波函数（不含铁原子）的理论计算值（虚线，实际上就是Schrödinger方程的解Bessel函数的平方，不包括铁原子）和隧穿电流（当然包括铁原子）的实验值（实线）的比较，两者符合得极好。〗（原载[16]）

 

面对现代物理学、化学巨大的知识体系，《周易科学观》的学者们的最后一个说法就是“…少数学者不了解科学体系的多样性、演进性，以及不同体系间的互补性，奉西方近代科学传统为唯一的金科玉律，用西方近代科学的特点来定义“科学"、规范科学，…”[2]。意思是说，一个客观对象可以有多种科学形态来解释，其中一种就是《周易》。难道，真有那么一个《周易》的避风港吗？

 

其实，只要把讨论的范围限于无生命的物质科学，那么这个避风港是根本不存在的。化学周期表就属于这个范围。当今物理科学的状况已经处于如此的局面，经典力学、热力学、电动力学、统计力学、量子力学这几大力学早已“统一”。四种基本力中的两种，弱力与电磁力的统一理论已经得到肯定，获得了1979年的诺贝尔奖。实际上，不要把自然科学中的理论更新看成是改朝换代。后一个朝代总是把上一个朝代说的一无是处。自然科学中的理论更新不是抛弃而是扬弃，或是一种升华。牛顿力学作为相对论力学的极限情况升华到相对论力学里。热力学的结果作为量子力学的极限情况而升华到量子力学里。原则上，现代自然科学已经在时间、空间尺度的跨度均为10⁴³的大范围内建立了关于所有无生命物质普遍适用的统一理论。

 

自我批判是科学的生命。还是量子科学家们老实。尽管量子力学的成就如此辉煌，他们对量子力学如此有信心，但是他们全都公开承认现有的量子理论还不完善。70年代，迪拉克说过：“…不应认为量子力学的现在形式是最后的形式”[17]。50年代，海森堡说过：量子力学中还没有对应于生物进化的算符，不能用于生物学。但是，在形形式式反对科学的思潮面前，他们一致旗帜鲜明地说：量子力学无疑是20世纪自然科学最伟大的思想成就。

 

专家们所谈的量子理论的“不完善”是从统一理论的高度上审视科学整体的看法。自然科学发展到21世纪的今天，有庞大的专业研究队伍在长年累月、日以继夜地工作、思考，很难想象外行人还能够单凭口号式的“破除迷信、解放思想”就可以在自然科学中发现或解决问题，甚至包括一些乍看起来可以“一蹴而就”的问题。就如哥德巴赫猜想的“1+1”问题，远远不是常人想象的那么简单。不尊重科学一定会落人笑柄，甚至像“文化大革命”中姚文元之类蔑视科学的人物，最终被钉上历史的耻辱柱。

 

《周易科学观》关于元素周期表的“论述”就足以把它自己隔绝在科学殿堂之外。《周易科学观》中的那些“研究成果”从来也没能在国内外公认的学术刊物上得到发表。退几步说，《周易科学观》已经远离了世界科学的主流，但愿它不要驶入逆流。即使有位尊敬的地学界权威学者给《周易科学观》这本书写序言也无济于事，他说：周易对“信息预测”有用。我一日请统计数学家朋友注意这个问题，众人发笑。

 

读了《周易科学观》，感到无非作者要告诉人们现代自然科学无论如何发展也总是离不开2000年前《周易》的预料。这不禁令我想起中国原子能科学研究院的丁大钊院士当年当“反革命”的起因。事情大致是这样的：1957年苏联、美国相继用火箭发射人造地球卫星。有人说：火箭原理就是我们宋代的“二踢脚”（北方人对前后发出两声爆炸升空的爆竹的一种俗名）。1966年大字报载：对此“丁大钊说：不行就是不行，别老是把老祖宗抬出来”。于是，讨伐声四起，丁大钊有口难辩、无处申冤，成了当年中科院北京原子能研究所文革中的第一个“反革命分子”。谈火箭要联想起我国宋代的“二踢脚”于是就满足了自尊心，现在谈周期表就要联想到《周易》，看来也是满足了自尊心。但愿本文没有犯丁大钊的同类错误：触犯自尊心。我只是认为：中华民族只有抛弃糟粕、掌握现代的科学真理才能真正在世界面前取得尊严。

 

综上所述，结论是清楚的：《周易科学观》在化学周期表的解释上不具有科学性，《周易科学观》对未来化学的发展非但没有进步意义，而是一种倒退。写到这里，非常清楚，要老老实实地研究自然科学，牵强附会是得不到尊严的。我本不愿意作这么无情的结论，可是在科学真理面前就如在上帝面前一样容不得半点躲闪，事实已经如此清晰。幸好，本文讨论范围限定于“无生命的物质科学”。《周易科学观》要找避风港或许可以去生命科学领域，在那里科学还没有发展到严密科学的地步，篱笆还没有扎紧。

 

“Planck科学定理”告诉我们：一个新的科学真理取得胜利并不是通过让它的反对者们信服并看到真理的光明，而是通过这些反对者们最终死去，熟悉它的新一代成长起来[18]。中国这个社会，科学精神还只是处于萌芽状态，远远没到需要反对科学主义的地步。《周易科学观》的存在就是明证。

 

文献：

[1] 徐道一编著，《周易科学观》，地震出版社，北京，1992年。

[2] 刘长林，徐道一，宋正海，孙关龙，《科学》2001,53(5):30-33。

[3] 宋正海、徐道一等主编，《大交叉 新概念——天地生人学术讲座（1－381讲）简介》，北京2000年12月（内部交流）；网站：http://www.tdsrjz.org/。

[4] 谢希德，蒋平，陆奋，《群论及其在物理学中的应用》，现代物理丛书，科学出版社，北京1986年，§2.8节

[5] Pauling, L., New Scientist, 1985, 108(No. 1481): 54-55.

[6] 瑞典科学院网站 http://nobelprize.org/chemistry/laureates/1998/ 和

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/1998/chemback98.pdf

[7] 赵凯华，《定性与半定量物理学》，高等教育出版社，北京，1991年，第1页。

[8] 赵凯华，陈熙谋，《电磁学》，高等教育出版社，北京，2003年，第51页。

[9] 约翰 C. 泰勒，《自然规律中蕴蓄的统一性》（原版名Hidden Unity in Nature’s Law，2001年），中译本，暴永宁译，北京理工大学出版社，2004年，第8页。

[10] 戴维·多伊奇著，《真实世界的脉络》（原版名Fabrics of Reality, 1997年），中译本，梁焰、黄雄译，广西师范大学出版社，2002年，第一章，第2-4页。

[11] 徐光宪，陈敏伯，“化学：20世纪的辉煌及其前途”，《科学》, 2003, 55(1): 11-15.

[12] Kittel, C., 《热物理学》，人民教育出版社，北京，1981年，第1页。

[13] Finkelstein, R. J., Nonrelativistic Mechanics, 1973, Introduction.

[14] Wichmann, E. H., Quantum Physics, Berkeley Physics Course, Vol. 1, McGraw-Hill, 1971, Chap. 1.

[15] 曾谨言，《量子力学，卷II》，现代物理学丛书，科学出版社，北京，1993，第i页。

[16] Crommie, M. F.; Lutz, C. P.; Eiger, D. M., Science, 1993, 262, 218.

   赵凯华，罗蔚茵，《量子物理》，高等教育出版社，2001年，139页，封面图片。

[17] P. A. M. 狄拉克，《物理学的方向》，科学出版社，北京，1981年，第9页。

[18] 高山，《量子》，清华大学出版社，北京，2003年，第19页。