通过移植促进化学前沿发展

物理学概念向化学移植主要有两种形式：直接移植和衍生移植。在量子化学中，量子化、波粒二象性，波函数、轨道等基本概念就是取自量子力学的直接移植之例。福井谦一用于取代“电子密度”的“轨道”概念也是直接从量子力学中移植来的。他认为轨道概念体现出对电子密度进行分割和组合的方法论特点，符合自然科学一般方法发展的方向。他指出：“近代自然科学一般是先把假设中的模型细而又细地分割开来，然后再把它们组合起来，再现模型，用这种方法加深对模型的见解。”当他根据化学反应的实验事实进一步提出“前线轨道”假设时，一个衍生移植型的概念便诞生了。该假设既有可靠的实验事实作基础，又有坚实的量子力学理论为依据，因而较快得到普遍认可，并迅速发展成较为成熟的前线轨道理论。
     概念的衍生移植必须具备两个基本条件：一是化学领域的问题背景，二是物理学提供的概念基础（这种概念往往是移植的结果，如“轨道”之于“前线轨道”和“杂化轨道”）。概念是原理的表述工具，因而概念的移植从一个侧面反映了原理的移植。例如薛定谔方程、波的叠加原理、测不准关系等量子力学的原理就随着量子化、波函数、波粒二象性、轨道等概念的移植而成为量子化学的基本原理。这些基本原理为量子化学提供了理论框架，使量子化学的理论研究呈现出数学推演的形式化特征。同时，考虑到化学对象的特殊性，量子化学家们力图避免繁杂的数学计算，而采用各种近似的模型方法。量子化学基础研究中注重量子力学原理与化学实际相结合的方法论特点不仅使化学键理论、多体理论、计算方法的理论等量子化学基础领域不断取得进展，而且促使其应用领域也展现出广阔的前景。主要表现在合成具有指定性能的超导体、染料、炸药、催化剂、药物等材料的研究中；表现在光谱、波谱、能谱等各种谱图的分析上；表现在对化学反应微观机理的研究及对反应路线的设计和预测上。除量子化学外，在其它理论化学学科（化学热力学、化学动力学、化学统计力学）中，也不同程度地表现出上述特点。
     与此相应，现代化学也呈现出一些新的特点：（1）作为对传统化学经验性的改造，现代化学的理论性得到加强。化学热力学和量子化学是具有公理化特征的演绎体系，这是传统化学所没有的。（2）物理学定量性和形式化语言的移植使化学从描述向推理、从定性向定量的过渡趋势得到加强。在理论化学中，状态函数的推演及定量参数的处理往往起着举足轻重的作用。（3）从研究对象看，化学研究的微观化趋势得到加强。这在很大程度上要归因于物理技术手段向化学的移植。长期以来，在反应动力学研究中，只能观测到化学反应作为浓度函数的总速率，而不能确定其微观速率，更不能直接获取有关化学键断裂和形成过程的信息。如今，分子束技术和激光技术的引入及联用，使人们能在原子、分子层次上观察化学反应，直接获取微观信息。在现代化学前沿，既有演绎式的研究，同时也有归纳式的研究，物理实验技术的引入主要为化学研究提供了对物质结构进行归纳式研究的手段。依靠物理学中的原子光谱、分子光谱、质谱、能谱、X 射线衍射等手段测量物质内部原子排列、电子运动等的表征数据，归纳出一般性的结论。尽管生物学向化学移植在广度和深度上都比不上物理学向化学的移植，但其“整体”概念对化学反应体系的研究颇有启迪。模拟酶催化极大地促进了催化理论和化学键理论的发展，化学模拟生物固氮就是一个范例。通过对蛋白质、核酸等生命运动基础物质的研究而得到的规律，有助于我们对高分子物质化学运动规律的认识。