Философские проблемы конкретных научных дисциплин. Учебник для аспирантов нефилософских специальностей

3.3. Философские проблемы химии

Вторая концептуальная химическая система – учение о структуре – связана с выяснением конкретных проявлений зависимости реакционной способности от самых различных структурных факторов. Современная структурная химия включает относительно самостоятельные разделы изучающие: 1) молекулярную структуру макроскопических тел – газов, жидкостей, кристаллов; 2) атомную структуру молекул; 3) электронно-ядерную структуру атомов.

На первый взгляд, молекулярная структура вещества не имеет отношения к химии. Газы, жидкости, твердые тела – основные агрегатные состояния вещества, а изменение агрегатного состояния является яркой иллюстрацией физического процесса. Но, как показали исследования последних лет, изменения агрегатного состояния не всегда можно считать лишь физическим процессом. Часто этот процесс сопровождается образованием межмолекулярных химических связей за счет обобщения электронов в своего рода межмолекулярные орбитали. Причем по мере перехода к более конденсированному состоянию эта тенденция возрастает.

Второй структурный уровень вещества – атомная структура молекул – был основным объектом возникновения в XIX в. теории химического строения органических соединений А. М. Бутлерова. Атомная структура молекул и сейчас остается основным объектом структурной химии.

Изучение третьего структурного уровня – электронно-ядерной структуры атомов – представляет интерес, поскольку позволяет выявить природу химических связей. Электронно-ядерная структура атомов не занимает того центрального места среди объектов структурной химии, какое принадлежит структуре молекул.

Перспективы структурной химии связаны с переходом от статики к динамике, от «принципа строения» к «принципу процесса», но это одновременно означает переход на уровень третьей концептуальной системы химии – химической кинетики. Основатель физической органической химии Л. Гаммет называет период господства чистой структурной химии «мрачным временем», а появление системных кинети-

ческих исследований – «возрождением».

Третья концептуальная система – учение о реакциях (30-е гг. XX в.). Исследование механизмов химических реакций стало основ-

171

Глава 3. Философские проблемы конкретных научных дисциплин

ной теоретической задачей химической кинетики начиная с работ Я. Вант-Гоффа, создателя кинетики как самостоятельной дисциплины, которая развивалась по двум направлениям – химической статики и химической динамики. Химическая динамика включает такие наиболее общие кинетические теории, как теория абсолютных скоростей реакций, теория цепных реакций, ряд каталитических теорий. Развитие химической технологии многих органических веществ сдерживалось именно отсутствием точных знаний о механизме. Химическая кинетика включилась в решение этой задачи, когда стало зарождаться принципиально новое направление в учении о химическом процессе, связанное с открытиями цепных реакций (Н. Н. Семенов, С. Н. Хиншельвуд). Выяснение детального механизма цепных реакций обусловило разработку основ огромного числа технологических процессов. Понятие переходного состояния выступает узловым понятием современной теоретической химии. Химическая кинетика как теоретическое основание химической технологии является наиболее интенсив-

но развивающейся областью химии.

Четвертая концептуальная химическая система – эволюционная химия (60-е гг. XX в.). Своим возникновением эта система связана с выдвижением советским химиком А. П. Руденко теории саморазвития элементарных открытых каталитических систем (ЭОКС). Эти исследования для большинства химиков являются новыми и находятся в стадии становления. Подтверждением служит тот факт, что этот раздел химии не фигурирует ни в одном учебнике.

Что же представляет собой новая концептуальная система химии? Подобно тому как кинетические теории возникли при объяснении функции реакционной способности химического соединения, теории самоорганизации зародились при объяснении поведения химических систем – изменения их целостных характеристик. Организация реакционной системы – это внутреннее устройство этой системы плюс схема ее реагирования на изменение условий. Самоорганизация – это структурирование, отражающее внутренние ресурсы системы.

Становление химии самоорганизации не было безболезненным. Об этом говорит история реакции, которая сейчас называется реакцией Белоусова–Жаботинского. В начале 50-х гг. ХХ в. Б. П. Белоусов, мо-

172

3.3. Философские проблемы химии

делируя процессы, связанные с циклом лимонной кислоты (циклом Кребса), открыл колебательную реакцию, своего рода химические часы. Эта реакция была чрезвычайно наглядна. Реакционная смесь (лимонная кислота, серная кислота, сульфат церия, бромид кальция) начинает «организовываться»: приходит в колебательное состояние, сохраняющееся в течение часа. Цвет этого раствора начинает изменяться с желтого на бесцветный, затем опять на желтый и т. д. Открытие Белоусова не было признано современниками. Причиной тому была парадигма классической термодинамики, в рамках которой рассматривалось лишь монотонное изменение параметров реакционной системы, а не колебательное.

Однако к началу 1970-х гг. появилась нелинейная, неравновесная термодинамика, которая сделала понятной открытую Белоусовым реакцию. При достаточно сильном отклонении от термодинамического равновесия, отклонении, означающем потерю системой того порядка, который характерен для ее равновесного состояния, система обретает новый порядок, порядок особого типа, поддерживаемый за счет поступления в систему энергии или вещества либо их оттока из системы. В случае реакции Белоусова одно из веществ должно быть в избытке. С появлением работ И. Пригожина изменилась сама роль термодинамики в химии. «Нелинейная термодинамика является по существу термодинамикой химических реакций», – считают Г. Николис и И. Пригожин1. Более того, химическая реакция приобрела функции парадигмы: «Выражение “химическая реакция” используется формально, в обобщенном смысле»2 при обсуждении биологических, экологических и других задач.

В химии, как уже было сказано, становление четвертой концептуальной системы связывают с теорией саморазвития ЭОКС А. П. Руденко. Согласно Руденко, в ЭОКС под влиянием окружающей среды могут происходить структурные изменения. Если в результате структурного изменения такая система не погибает, т. е. продолжает участвовать в

1Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М.: Мир, 1979. С. 60.

2Там же. С. 15.

173

Глава 3. Философские проблемы конкретных научных дисциплин

осуществлении базисной реакции, то она уменьшает или увеличивает свою каталитическую активность (под которой понимается способность системы ускорять базисную реакцию). Эволюция ЭОКС представляет собой последовательность структурных изменений этой системы, не выводящих ее из базисной реакции. Эта эволюция может быть или «прогрессивной» (когда увеличивается каталитическая активность системы и другие ее показатели, интенсифицирующие базисную реакцию), или «регрессивной» (когда увеличения не происходит). «Прогрессивная» эволюция ЭОКС и означает их самоорганизацию. В теории эволюции этих систем формулируется аналог биологического понятия естественного отбора. Согласно Руденко, ЭОКС, находящиеся в состоянии «прогрессивной» эволюции, вытесняют из участия в базисной реакции те, которые регрессируют.

Механизм самоорганизации включает следующие факторы:

–запоминание эволюционной информации в физико-химических изменениях системы (воздействие из прошлого);

–наличие цели, в направлении которой происходит саморазвитие (воздействие из будущего).

УИ. Пригожина теоретическим эквивалентом цели является понятие аттрактора, у А. П. Руденко – это основной закон эволюции, который также задает характер и направление развития из будущего (в сторону живого, в направлении увеличения высоты химической организации). Кроме того, большое значение имеет неопределенность (случайность), которая неизбежно присутствует в настоящем. Например, в точке бифуркации мы не можем предсказать заранее, каков тот новый «эволюционный канал», по которому пойдет развитие, все будет зависеть от того, какие случайные факторы будут воздействовать на систему в момент перехода.

Механизм самоорганизации меняет устойчивое представление о взаимосвязи прошлого, настоящего и будущего, когда будущее рассматривается как всецело обусловленное прошлым.

Эволюционная химия образует высший уровень современной химии, поскольку указанные системы представляют собой высшие формы химизма, характеризующиеся тенденцией к образованию все более высоких форм химической организации вещества.

174

3.3. Философские проблемы химии

Проблема времени в химии

Каким образом можно говорить о «химическом» времени? Ответ может быть один: следует проанализировать временной понятийный аппарат самой химии. Правильнее будет говорить не о «химическом» времени, а о моделях или концепциях времени в химических теориях. Если пойти в исследованиях проблемы времени к истокам химического знания, станет ясно, что понятие времени в химии имело свою собственную историю.

Познание времени началось на самых ранних этапах культуры. Освоение человеком разнообразных технологических операций, в том числе и химических, послужило условием приспособления его к пространственно-временной структуре мира. Более того, сама практическая деятельность стала возможной благодаря тому, что она в ка- кой-то мере являлась повторением (или продолжением) процессов, проходивших в природе; временные характеристики природных процессов становилась темпоральными (временными) характеристиками тех видов деятельности, которые осваивались человеком (земледельческие работы, связанные с сезонной периодичностью). Таким образом, происхождение идеи времени – это результат приспособления человека к миру.

Для химической практики особенно характерна очередность, последовательность, повторяемость операций. Сохранившиеся в древних источниках рисунки и описания воспроизводят последовательность основных стадий того или иного химического производства. Появившиеся в эмпирической химии временные представления определяли практику химических манипуляций и одновременно фиксировались в форме идеализированных схем тех химических превращений, которые осуществлялись на практике. Используя эти схемы, можно было предвидеть результаты преобразования веществ, характерные для различных практических ситуаций. Иначе говоря, выделенные на этом этапе химического познания временные характеристики процессов явились одним из важнейших способов управления свойствами веществ.

С другой стороны, первичные временные представления имели не только эмпирические, но и более широкие культурные основания.

175

Глава 3. Философские проблемы конкретных научных дисциплин

Ответ на вопрос «Что такое время?» не может быть получен вне куль- турно-исторического контекста.

В духовной истории человечества можно выделить некие основополагающие периоды, когда, несмотря на многоликость и изменчивость культурно-исторических образов времени, один из них приобретал господствующий, доминирующий характер. Именно это имел в виду О. Тоффлер, говоря о «временном пристрастии» того или иного общества. Ведущую роль в формировании временного пристрастия играет определенный тип рациональности, который задает способы и нормы человеческого мышления, в том числе и мышления о времени. Философские представления о времени, характерные для античного рационального мышления, сказывались и на химическом мышлении. В роли задающего традицию образца выступал образ циклического времени, времени-вечности, свойственный античной философии, который вступал в противоречие с эмпирическими временными представлениями.

Анализ временных представлений в зарождающейся химии обнаруживает две основные тенденции: 1) развитие собственных эмпирических представлений о времени на основе исследований свойств вещества; 2) встраивание, соединение рациональных моделей времени

вспособ химического мышления (которое, впрочем, не соединялось). На уровне эмпирических обобщений накапливалось богатство содержания понятия времени, на теоретическом уровне время в химии отсутствовало вплоть до XIX в.

Такая ситуация сохраняется в целом в первых концептуальных химических системах – учении об элементах и структурных теориях. Тем не менее роль времени в химических превращениях отмечал еще В. Бирингуччо в 1540 г., затем В. Гомберг – в 1700 г., В. Льюис – в 1759 г. Однако их выводы являлись, скорее, предчувствием будущих направлений химических исследований и не стали поворотом к изучению временного характера процессов, поскольку этому не благоприятствовала ни общекультурная обстановка, ни логика развития самой химии. Объектом изучения были химические системы с постоянным составом и строением. Методологию химической науки определяла сформировавшаяся в Новое время картина ставшего, завершенного

всвоей полноте мира и ее центральная атомистическая парадигма.

176

3.3.Философские проблемы химии

Вхимии в качестве центральных выдвигаются проблемы: «свойства – состав», «состав – строение». Как отмечал Гегель, в это период «для химиков важнее всего в их описании мертвый продукт, получающийся в результате того или иного процесса»1.

Вклассической механике понятия пространства и времени были введены Ньютоном. Если бы ньютоновское время оказалось в действительности присуще реальному миру, то мир, разворачивающийся на фоне такого времени, был бы очень странным: в нем вновь могли бы произойти события, которые уже произошли. Ведь уравнения классической механики обратимы относительно знака времени, т. е. в них равновероятны изменения, происходящие во времени и вперед, и назад. Поэтому представление о том, что именно в классической механике время становится объектом научного изучения, не совсем верно. Концептуальный мир классической динамики является миром статичным, вневременным, говоря словами И. Пригожина, миром «существующего».

С момента формирования третьей концептуальной химической системы (кинетики) ситуация начинает меняться.

Н. Н. Семенов определяет химическую кинетику как учение не только о скоростях, но и о механизме химических реакций. Сам термин «механизм» свидетельствует о первоначально механической интерпретации химического процесса. В современной кинетике термин сохраняется, но существенным образом переопределяется. Механизм – это уже собственно кинетическое понятие, поскольку означает развертывание структуры реагирующих веществ во времени.

Как известно, Эйнштейн полагал, что теория не располагает возможностями для выражения настоящего как момента становления, такой же позиции придерживался и А. Бергсон. Они имели в виду ньютоновскую физику. В современных кинетических концепциях такая возможность появляется с введением принципиально нового понятия – переходное состояние.

Переходное состояние – это другое наименование центрального звена механизма химической реакции, активированного комплекса, возникающего в момент превращения. Понятие переходного состо-

1 Гегель Г. В. Ф . Энциклопедия философских наук: в 3 т. М.: Мысль, 1975. Т. 2. С. 324.

177

Глава 3. Философские проблемы конкретных научных дисциплин

яния – чрезвычайно интересный концептуальный феномен. Его появление означает новый этап в развитии химического знания, поворот последнего к процессуальной стороне химических изменений. Ю. А. Жданов назвал его узловым понятием современной теоретической химии. Только переходное состояние вводит в химию «реальное время превращений вещества» (Ю. А. Жданов), время как «единство бытия и небытия» (Гегель) химического процесса.

Только в понятии переходного состояния действительно начинается теоретическое освоение времени. Внутренняя конструкция понятия «переходное состояние» оказывается сходной со структурой понятия «движение» и создает основу для теоретического представления временного становления, в котором на первое место выступает процесс, а не ставшие результаты.

Гегель рассматривал становление как единство бытия и небытия и вместе с тем как переходное, или, как он говорил, «среднее», состояние между бытием и небытием. В переходном состоянии заключены такие сущностные определения становления, как «неустойчивое беспокойство», «противоречие себе внутри самого себя». Создается впечатление, что Гегель имел в виду именно переходное состояние элементарного химического акта. Время, выражаемое конструкцией «переходное состояние», соразмерно становлению.

Концепция временного становления получает свое дальнейшее развитие в четвертой концептуальной химической системе – эволюционной химии, или учении об эволюционном катализе. Своим возникновением эта теоретическая система, как было сказано выше, обязана проведенным в 1960-х гг. биохимиком А. П. Руденко исследованиям ЭОКС, саморазвитие которых связано с необратимым изменением катализаторов. Критерием выделения четвертой концептуальной системы явилось наличие самоорганизации в изучаемых химических процессах.

Приближенные методы в химии

Методы в химии, понимая их в широком смысле, можно разделить на три основные группы: расчетные, методы проведения экспериментов, методы, касающиеся анализа и интерпретации получаемых

178

3.3. Философские проблемы химии

данных. Эти три группы четко различимы, но неразрывно связаны: развитие каждой из них зависит и так или иначе обусловливает развитие другой.

Расчетные методы – наиболее точные, что неудивительно: с непрерывным развитием компьютерных технологий, созданием новых программ и совершенствованием компьютеров становится возможным решать все более сложные задачи.

Касательно методов проведения экспериментов можно говорить о возможности и целесообразности их применения в той или иной области, об относительной универсальности того или иного метода. Кроме того, если один и тот же опыт пытаются повторить два разных экспериментатора, и даже один и тот же, то даже в случае точного воспроизведения загрузок, количества растворителя, одной и той же посуды и времени повторения опыта всегда будут получены различные результаты, если не в степени чистоты вещества, то в его количественном выходе. Скорее всего, это объясняется поистине невероятной сложностью химических систем и огромным количеством различных взаимодействий. Данное предположение является ключевым для всех трех групп методов.

Обратимся к третьей группе методов. Если говорить о состоянии дел на сегодняшний день, то все имеющиеся методы анализа не являются абсолютно точными. Будем говорить в первую очередь о химических и физико-химических методах. Получение неточных данных может быть связано со множеством причин. Перечислим некоторые:

–личностный фактор (интерпретация одних и тех же данных может быть различной у разных исследователей вследствие навыков, теоретических знаний, общей эрудиции);

–ошибки вычислений (ошибочно выбранная формула, сбои вычислительной техники и компьютерных программ, неправильно настроенный прибор);

–влияние внешних факторов на показания высокочувствительных весов (к примеру, шумы);

–воздействие на вещество (в процессе подготовки к анализу нельзя исключить влияние окружающего воздуха, влаги, пыли и т. п., что способно повлиять на получаемые данные).

179

Глава 3. Философские проблемы конкретных научных дисциплин

Важнейшим способом повышения точности анализа является совершенствование точности приборов. Сегодня существуют приборы, с помощью которых можно не только подробно идентифицировать структуру вещества, но и учесть наиболее дальние взаимодействия, имеющиеся в молекуле. Последним наиболее выдающимся достижением в совершенствовании приборов стало создание фемтосекундного спектрометра.

В 1999 г. египетский ученый А. Зевейл получил Нобелевскую премию за открытие, сделавшее переворот в понимании механизмов химических реакций. Созданный Зевейлом фемтосекундный спектрометр способен регистрировать состояние химической системы с частотой 10–15 с, что сравнимо со временем протекания элементарного акта взаимодействия частиц. Оказалось, что реакция начинается с так называемого «электронного выстрела», который происходит на расстоянии значительно большем, чем то, которое необходимо для обычного притяжения между молекулами, а уже потом две молеку- лы-радикала притягиваются друг к другу («схлопываются») и образуется новое вещество.

Таким образом, налицо следующая причинно-следственная связь: более точный прибор – более точный анализ. Невозможно создать и даже придумать абсолютно точный прибор. Однако имеющиеся сегодня методы вполне удовлетворяют потребностям современной химии.

Описанные выше проблемы являются традиционными для химических исследований. В процессе развития химического знания на смену доквантовой пришла квантовая химия, обусловив появление в науке целого ряда новшеств. В связи с этим проблема приближенности химических методов приобрела новое звучание. Квантовая химия имеет сложную структуру. В ее основе лежит основное уравнение квантовой механики – уравнение Шредингера. Картина квантовых событий, которую дает нам уравнение Шредингера, заключается в том, что электроны и другие элементарные частицы ведут себя подобно волнам на поверхности океана. С течением времени пик волны (соответствующий месту, в котором, скорее всего, будет находиться электрон) смещается в пространстве в соответствии с описывающим эту

180