Vegyész, nem mérnök – mondják a műegyetemen. Itt ugyanis minden normális halandó nagy ablakos tisztaszobában ceruzával és logarléccel (újabban éppen komputerrel) űzi tudományát, csak a vegyészek izzadnak lyukasztó bűzben, rongyos-pecsétes köpenyben, fura üvegekben rotyogó löttyöket bámulva.
A (klasszikus) fizika és a belőle kiinduló technikai diszciplínák (mechanika, elektrotechnika, elektronika) messzemenően matematizálódtak. A tudományág tárgyát képező jelenségcsoport (anyagi mozgásformák) túlnyomó részét a kutatás már felfedezte, tanulmányozta és matematikai képletekbe rögzítette, egyszóval: kimerítette. Alapvető új jelenségek létezési (tehát felfedezési) valószínűsége a minimálisra csökkent. A matematikai módszerek elterjedése és hatásossága már rég elérte azt a szintet, amelyen a kísérleti kutatás háttérbe szorul. A tudományág ismeretei egy matematikai képlettárrá lényegültek. A felmerülő, nagy többségükben alkalmazott, technikai problémák e képletek segítségével matematikai úton megválaszolhatók, kísérletre nagyritkán kerül sor, ellenőrző célzattal. Itt megjegyzendő, hogy e matematizálásból viszont jelentős gazdasági előnyök származnak.
Kövessük egy jelenség megismerésének történetét: a kezdet egy – rendszerint véletlen – észlelés. Ezután jön az a tudatos tapasztalás: a kísérleti kutatás. Következik a kapott adatok rendszerezése, elméleti feldolgozása és beillesztése az ismeretek rendszerébe. A végeredmény egy vagy több algebrai képlet (tétel), amely által az illető jelenség leírtnak, ismertnek tekinthető. Ugyanez a folyamat jellemző az egyes tudományágak fejlődésére is. A kezdeti intenzív, felderítő célzatú kísérleti kutatás (adathalmaz) szakaszát a rendszerezés (osztályozás, empirikus egyenletek) szakasza követi, majd végül az egzakt elméleti analízis (a jelenségeket racionálisan leíró, fizikai jelentésű matematikai egyenletek).
Ezt a három szakaszt természetesen nem lehet időben élesen elhatárolni, a tudományág fejlődésének adott pillanatában inkább valamelyikük túlsúlyáról beszélhetünk. Mihelyt egy bizonyos tudományágról (az anyagi mozgás egy bizonyos fajtájáról) összefüggő, ellentmondásmentes és a valóságnak messzemenően megfelelő elméleti leírással rendelkezünk, a kutatás kora lezártnak tekinthető, a diszciplína ülepedni tér az ismeretek tárházába, ahol csak alkalmazott problémák megoldásával zaklatják majd.
Persze ehhez az állításhoz fenntartások is fűzhetők, az anyagi mozgás (tehát a tudomány) variációi kimeríthetetlenek, a kutatás sohasem lehet teljesen befejezett. Helyesebb lenne a kutatás intenzitásának periodikus változásairól beszélni; a megismerés egy adott szakaszán egy bizonyos tudományágban az ismeretek harmonikus, szintetikus egészbe állnak össze, a kutatás ellanyhul, hogy a más területeken elért haladás hatására egy későbbi szakaszban, minőségileg magasabb szinten újra felélénküljön. Ilyen, fejlődése kései stádiumába érkezett tudományág a klasszikus biológia (növény és állattan), amelynek révbe jutását a darwini evolúciós elmélet jelentette. Másik példa a fentebb említett klasszikus fizika. Megjegyzendő, hogy ma már mindkét tudományágban észlelhető a kutatás magasabb szinten való újjászületésének jelensége is. A fizikában a kvantum- és relativitáselmélet kényszerít a már ismert jelenségek újraértékelésére és újratárgyalására. A biológiában pedig teljesen új korszakot nyitott az evolúció molekuláris alapjainak kutatása. Az újjászületett tudományág – a molekuláris biológia – ma a kezdeti intenzív kísérleti kutatás fázisában van, de már jelentkeztek a rendszerezés, sőt (amit a klasszikus evolúciós elmélet meg sem próbálhatott) a matematizálódás nyomai is.
Mi a helyzet a kémiában? A céh nevében erélyesen el kell utasítanom minden olyan jellegű állítást, miszerint egy gázkamra vagy egy másodfokú egyenlet alternatívája előtt az átlagvegyész habozás nélkül az elsőt választaná. A kémia, bár tényleg távolról sem annyira matematizált, mint a fizika, igen elterjedten használ matematikai módszereket, több területen.
A fizikai kémia sikerrel írja le a kémiai folyamatok makroszkopikus (statisztikus) törvényeit, a középiskolás tananyagot komplexitásban meg nem haladó matematikai apparátussal (másodfokú egyenletrendszerek, exponenciális függvények, egyszerűbb integrál- és valószínűségszámítás). Vegyész dédapáink kalorimetriás mérései alapján (ehhez fogható munka talán csak a kínai féldrágakőszobrok csiszolása lehetett) ma könnyűszerrel kiszámíthatjuk bármely egyszerűbb vegyület (hozzávetőleges) kémiai energiatartalmát. Ezek az adatok lehetővé teszik valamely adott egyszerű kémiai rendszer evolúciójának megjósolását, és a különböző vegyfolyamatok hőhatásának kiszámítását. Ennyit a kémiai termodinamikáról. A fizikai kémia másik fő ága, a kémiai kinetika, lehetővé teszi, hogy egy adott rendszeren szabályos időközökben végzett analitikai mérések alapján kiderítsük a végbemenő kémiai reakció mechanizmusát: a reakcióba lépő molekulák számát, a közbeeső termékek és folyamatok mibenlétét, a rendszer komponenseinek vagy különböző környezeti tényezőknek a hatását stb. A fizikai kémia módszereit és matematikai apparátusát illetően befejezett diszciplínának tekinthető, és általában mint eszközt használják a kutatási és vegyipari problémák megoldásában.
Az ismert vegyületek száma ma néhány millió. Túlnyomó részük húsznál több atomból álló bonyolult szerves molekula, amelynek azonosságát számos tényező határozza meg: az összetevő atomok mibenléte, száma, egymáshoz való kapcsolódásuk sorrendje, egy adott koordinátarendszerhez viszonyított térbeli elrendeződésük stb.
Hogy e dzsungelben eligazodhassanak, a vegyészek kettős rendszert fejlesztettek ki. Minden vegyületet kétféleképpen azonosítanak: szerkezeti képlet és rendszeres elnevezés útján, mindkettőt szigorú, világszerte egyöntetűen használt szabályok szerint biztosítva. Bármennyire előrelátóan szerkesztették annak idején és tökéletesítették időközben, ez a szisztematika egyre nehézkesebben látja el feladatát. A kutatás által gyorsuló ütemben felhalmozódó információtenger túlnőtte azt a méretet, amely kézi eszközökkel még eredményesen kezelhető lenne. Egyre parancsolóbb szükségesség a kémiai információk feldolgozását nagy kapacitású számítógépeknek (ordinátoroknak) átadni. Sajnos, mind a szerkezeti képletek, mind pedig a ma használt nomenklatúra nehezen alkalmazhatók gépi kódolásra. Éppen ezért napjainkban igen intenzív kutatás folyik a szerves vegyületek és a komputerek „összehangolására” (pillanatnyilag mérsékelt sikerrel). A probléma elég bonyolult: a háromdimenziós molekulaszerkezeteket komputerbe betáplálható lineáris (egydimenziós) jelsorrá kell alakítani és viszont, mindezt gépi úton. Egyes nagy kémiai információs központok ma már kidolgoztak ilyen módszereket, melyekkel a nyilvántartott szerkezeti képletek 95 százaléka gépileg feldolgozható. A széles körű alkalmazás előtt azonban még gyakorlati nehézségek tornyosulnak: a gépi információkezelés a mai módszerekkel még nehézkes és drága.
A matematika egyéb rendszerező feladatokat is megoldhat a kémiában. Adott vegyületcsoport összes lehetséges változatainak felsorolását például kombinációs analízis és a vele rokon gráfelmélet útján lehet elvégezni.
A matematikai módszerek és a számítógépek egyre közvetlenebb kapcsolatba kerülnek a gyakorlati kémiai műveletekkel. Értjük ez alatt például a vegyipari műveletek automatizált és komputeresített irányítását. De a komputer egyre inkább tért hódít a laboratóriumban is. A kutatóberendezésekbe beépített, úgynevezett on-line komputer növeli a berendezések befogadó képességét és pontosságát: több és pontosabb mérést eredményez. De ennél többet is ad a komputeresités; merőben új kutatási módszereket és eszközöket, amelyek kimondottan a számítógép speciális tulajdonságain alapszanak.
A kémiai kutatásban igen széleskörűen használt fizikai mérések (általában spektroszkópiák) adatainak kiértékelése eléggé bonyolult matematikai apparátust igényel, melyeket a vegyésznek ismernie kell, ha az illető vizsgálati módszer lehetőségeit teljesen ki akarja használni. A fentebb felsorolt matematikai módszerek már a kémiai kutatás kezdetétől fogva kisegítő célokra szolgálnak. A nagy cél a molekulának, mint egymással fizikai kölcsönhatásban lévő elemi részecskék csoportjának kvantitatív matematikai leírása lenne, valahogy úgy, ahogy az égi mechanika egyenletei leírják egy égitest-rendszer mozgását. Egy helyes matematikai leírásból (elvben) a molekula valamennyi tulajdonsága levezethető lenne, tehát fölöslegessé tenné a molekula előállítását és kísérleti tanulmányozását. Sőt, fordítva, megkívánt tulajdonságú vegyület molekulaszerkezete matematikai úton kiszámítható lenne éppen úgy, ahogy megterveztünk egy adott rendeltetésű villamoskészüléket.Az atomok és a molekulák matematikai leírásával Niels Bohr óta foglalkoznak a fizikusok, majd újabban a vegyészek is. A kvantum- és hullámmechanika ténylegesen megadja a molekulák többé-kevésbé egzakt leírásához szükséges matematikai apparátust. Egyszerűbb, rég ismert vegyületek fizikai és kémiai tulajdonságait sikerült is matematikai úton levezetni-igazolni. E sikerek elméleti jelentősége igen nagy: bizonyítják, hogy a kutatók a helyes úton járnak a kémia matematizálásában. Viszont el kell ismerni, hogy praktikus szemszögből nézve a dolgot (az angolok ezt input-onput analízisnek nevezik) ezeknek a matematikai módszereknek pillanatnyilag semmi gyakorlati jelentőségük nincs. A fentebb említett „többé-kevésbé egzakt leírás”-t a következőképpen kell értelmeznünk: egy abszolút megoldásnak figyelembe kell vennie a molekulát alkotó valamennyi elemi részecske egymásra gyakorolt hatását. Ilyen számítást még igen egyszerű molekulák esetében is csak a ma működő legnagyobb számítógépek képesek elfogadható időn belül elvégezni. Az esetek túlnyomó többségében tehát a matematikai eljárás egyszerűsítésére kényszerülünk, absztrakciókra a pontosság rovására. Emiatt a számított modelt tulajdonságai eltérőek lesznek az eredetiétől. Egy közönséges, mintegy húsz atomot tartalmazó vegyület megközelítően pontos matematikai modelljének kiszámítása egy közepes teljesítményű számítógép és egy hozzáillő programozó vegyész számára többnapos feladat, és az eredmény senkit sem érdekel, hisz a vegyület tulajdonságai már rég ismertek. A feladat bonyolultsága a molekulát alkotó atomok számának növekedésével hatványozottan nő.
A mai kémiai kutatást érdeklő egyre bonyolultabb molekulák esetében tehát nyilvánvalóan sokkal egyszerűbb a számítás helyett: előállítani a kérdéses vegyületet és kísérleti úton tanulmányozni tulajdonságait.
Ezért nem madár a tyúk. Legalábbis egyelőre, a számítástechnika újabb forradalmának beteljesedéséig a kémia matematizálódása nem fog jelentőset haladni: az akár minőségi matematikai magyarázat továbbra is követni fogja a már ismert kísérleti tényeket, a kémia kénytelen lesz megtartani jelenlegi sajátságos, kétségkívül logikus, de a nem vegyész számára nehezen hozzáférhető nem matematikusan kifejezett axiómarendszerét.
Megjelent A Hét II. évfolyama 43. számában, 1971. október 22-én.