А.Г. Деменев философские проблемы химических и технических наук

Учебное пособие

Архангельск

2014

УДК [54:1] (075) + [6:1](075)

ББК [87.252:24]я73 + [87.252:3]я73

Д 302

РЕЦЕНЗЕНТЫ:

Деменев А.Г. Философские проблемы химических и технических наук: Учебное пособие. Архангельск: ИД САФУ, 2014.

В учебном пособии излагаются основные философские проблемы химии, техники и технических наук на основе программы кандидатского экзамена «История и философия науки». Пособие предназначено для учащихся аспирантуры и магистратуры.

© Деменев А.Г.

© САФУ им. М.В. Ломоносова

Оглавление

Раздел 1. Философские проблемы химии…………………5

1.1. Особенности предметного самоопределения химии………………5

1.2. Особенности эмпирического и теоретического познания

в химии…………………………………………………………………...15

1.3. Донаучный этап накопления химических знаний……..…………25

1.4. Учение о химическом составе вещества как первая концептуальная система химии………………………………………………………31

1.5. Структурные теории как вторая концептуальная система

химии…………………………………………………………………….48

1.6. Учение о химическом процессе как третья концептуальная система химии…………………………………..……………………………..60

1.7. Эволюционные теории как четвертая концептуальная химии………………………………………………………………………67

1.8. Механистическая программа редукции химии к физике……….89

1.9. Квантово-механическая программа редукции химии к физике..105

Литература……………………………………………………………...119

Раздел 2. Философские проблемы техники

И ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК………………………………………….…121

2.1 Предмет и основные направления развития философии

техники…………………………………………………………………121

2.2. Сущность техники……………………………………………...…131

2.3. Взаимодействие науки и техники……………………………..…139

2.4. Донаучный этап развития техники и технических знаний…..…142

2.5. Взаимодействие научных и технических знаний

в XV – XVIII вв……………………………………………………...…152

2.6. Развитие техники и технических наук в XIX –XX вв......………160

2.7. Особенности неклассических научно-технических дисциплин..169

2.8. Единство и различия естественных и технических наук……….173

2.9. Особенности эмпирического и теоретического познания в технических науках…………………………………………………………..177

2.10. Научное и техническое творчество в профессии инженера….180

2.11. Сущность, критерии и этапы технического прогресса……….186

2.12. Технический прогресс как фактор развития общества. Технологический детерминизм……………………………..…………………191

2.13. Материализация научно-технических знаний: от открытий и изобретений к массовому использованию…………………………..210

2.14. Технический оптимизм и пессимизм как противоположные подходы к оценке последствий научно-технического прогресса……...216

2.15. Социальная оценка техники. Социальная ответственность

ученых и инженеров.…………………………………………….…….228

Литература……………..............…………………………………………….233

Раздел 1. Философские проблемы химии

1.1. Особенности предметного самоопределения химии

Невозможно в одно краткое определение вместить все богатство содержания предмета химии, учитывая историческую изменчивость ее предмета, продолжающуюся дифференциацию химического знания и результаты междисциплинарного синтеза последних десятилетий.

Понимание предмета той или иной науки меняется по мере углубления ее знаний, появления новых объектов и направлений исследования. А вместе с предметом меняются и представления о границах, отделяющих данную науку от других наук, понимание способов взаимодействия с другими науками. В этом смысле история химии представляет собой богатый фактический материал, на основе которого можно сделать выводы о некоторых тенденциях в развитии естествознания.

Наиболее спорным вопросом является разграничение объектов и предметов химии и физики. Это разграничение исторически менялось вместе с изменением научной картины мира в этих науках. Во второй половине 19 века химия определялась в основном как наука об атомах, а физика – как наука о молекулах, макротелах, электрических и магнитных явлениях, что соответствовало уровню знаний того времени. Менделеев считал химию наукой об элементах, а элементы – последними гранями научного анализа.¹ Атом определялся как носитель свойств химического элемента, как мельчайшая частица, получить которую можно только химическим путем, путем разложения молекул соединений. Движением атомов объяснялись процессы анализа и синтеза соединений. Структура молекул являлась предметом химии, движение же молекул относилось к предмету физики, с его помощью объяснялись термодинамические явления, изменение агрегатного состояния.

В начале 20 века с появлением квантовой и релятивистской механики произошли кардинальные изменения в научной картине мира. Изменились и представления о предметном разграничении физики и химии. Объект химии оказался как бы вклинившимся в объект физики. Химия по-прежнему воспринималась как наука, изучающая процессы изменения молекул с сохранением составляющих их атомов. Но она граничила, с одной стороны, с классической физикой молекул и макротел, а с другой стороны, с квантовой субатомной физикой. Разграничение предметов химии и физики становилось все более проблематичным, граница становилась все более условной. Квантовая механика проникла в «святая святых химии», объяснив периодичность свойств элементов, природу химической связи.

По мнению А.А. Печенкина, невозможно однозначно разграничить объекты физики и химии по конкретным уровням организации материи. Они изучают одни и те же объекты – атомы, молекулы, ионы, радикалы, кристаллы. Структура молекул, которая считалась специфическим объектом изучения химии, стала также объектом квантово-механического описания. Трудности, которые встают на пути квантово-механического расчета строения и свойств молекул, Печенкин не считает основанием для разграничения предметов химии и физики. Он предлагает вернуться к определению, существовавшему еще в 18 – первой половине 19 вв., когда физику понимали как науку о телах и полях, а химию, как науку о веществах.¹ Объект химии – вещества, предмет – строение веществ, их свойства и превращения. «Вещество» - это понятие, которое объединяет все разделы и уровни химических наук. Как науку о веществах и их превращениях определяют химию многие авторы учебников как в России, так и за рубежом.² Впрочем, многие и указывают на ограниченность такого определения. Понятие вещества, как отличной от поля формы материи, очень широкое, в этом значении его изучает и физика. Предметом химии традиционно считаются процессы превращения веществ, но превращения элементов изучает ядерная физика. В.И. Курашов считает объектами химии системы атомно-молекулярного и супрамолекулярного уровня, предметом - их структуру и качественные превращения.³

На основе разграничения физики как науки о телах и полях, а химии как науки о веществах, специалисты объясняют и различие их методов. Тело имеет множество количественных характеристик, измеримых в опыте и связанных количественными законами. Поэтому физика в большей степени наука количественная, математизированная.¹

Для познания же вещества необходимо раскрыть его качественные характеристики, что делает наиболее важными в химии такие эмпирические методы как описание и классификация. В химии существует множество классификаций, что вызвано потребностью упорядочить миллионы известных соединений. Самой известной химической классификацией является периодическая система элементов.

Конечно же, вещество имеет и количественные характеристики, и они также могут быть связаны количественными законами и могут стать основой для классификации, что и произошло в периодической системе. Но химика интересуют вещества в единстве их количественных и качественных характеристик, они описывают их цвет, вкус, запах, агрегатное состояние (в обычных условиях) и др.

Как науку о качественной определенности объектов химию понимал Гегель. По этому признаку он отличал ее от механики, чьи объекты безразличны к качественной определенности. Механику интересуют количественные характеристики тела – размеры, масса, координаты, скорость движения, безотносительно того, из какого вещества состоит тело.²

Английский физик и химик, нобелевский лауреат Сирилл Хиншелвуд на конференции памяти Дальтона выступил с докладом о соотношении качественного и количественного подходов в химии. Он, безусловно, связывает успехи химии с развитием количественных методов, но отмечает невозможность сведения химии к этой составляющей. «Интерпретация химии в физических понятиях поистине удивительное достижение. Теперь на некоторое время задумаемся и зададим себе простой вопрос: были бы мы счастливы полностью оставить наши занятия с пестрым беспорядком химических явлений для строгой математики квантовой физики? Я в этом сомневаюсь».¹

Качественное описание объекта имеет большее сходство с искусством, оно возникает в человеческом опыте: в чувственном восприятии объектов, в ощущении цветов, запахов, вкусов и т.д. Неизбежная субъективность такого описания не может стать прочным фундаментом для научного познания. На этом уровне оставалась доньютоновская физика и додальтоновская химия. Сила же научного познания заключается в использовании количественного описания объектов, измерения количественных характеристик предметов и процессов.

Кому, как ни Дальтону было знать ограниченность только качественного описания в химии. Он на собственном примере знал об отклонении в восприятии цветов, и об условности любого представления о норме и патологии в человеческих ощущениях.² Тогда как математика с древности выступала образцом научной доказательности, обязательности, логической принудительности выводов. Это дало в свое время основание И. Канту говорить о том, что в каждой естественной науке столько истины, сколько в ней математики. Но в химии математизация имела свои особенности. Различия в процессах математизации в химических и физических теориях говорит о специфике предмета химии, в том числе о специфике химических процессов. Во-первых, математизация началась в химии гораздо позже, чем в физике. Во-вторых, она происходила поначалу опосредованно, через проникавшие из физики понятия, методы, идеи. В-третьих, математика и дедуктивная логика продолжают играть в химии меньшую роль, чем в физике.

Г.Н. Партон, профессор химии университета Отаго (Новая Зеландия), показывая скептическое отношение многих к возможности математизации химии, сохранявшееся в первой половине 19 века, приводит слова, приписываемые Огюсту Конту: «…если когда-нибудь математический анализ займет важное место в химии – заблуждение, которое, к счастью, является почти невероятным, - то это поведет к быстрому и широкому вырождению этой науки».¹ В этих словах подчеркивается эмпирический характер химии и ее изначальная ориентация на познание качественных характеристик веществ. Именно по этой причине Кант не отказывал химии в статусе полноценной науки, считая существенным признаком последней использование математических методов. Еще и в начале 20 века многие физики продолжали считать химию собранием эмпирических правил, «кухней», где готовят по рецептам.²

Необходимость математизации химии была вызвана изменением задач, стоящих перед этой наукой, переходом от описания веществ и их превращений к объяснению законов, причин, механизмов химических превращений. Переход от описания качества к измерению количества и установлению количественных соотношений в целом соответствует логике познания во многих науках. Этот переход предполагает более глубокий уровень познания объекта: выделение в нем количественных характеристик, введение единицы измерения, изобретение прибора, накопление опытных данных, их математическая обработка и выведение законов.

Впервые математические знания стали последовательно использоваться в химии в 18 веке, и это были элементарные арифметические и алгебраические знания, выработанные за тысячелетия до этого. В 18-19 вв. математизация химии шла опосредованно через физику (арифметические расчеты по результатам измерения веса и объема). В 19 веке математизации подверглись в первую очередь феноменологические направления в химии – химическая термодинамика и кинетика. Там в большей степени использовались подверженные формализации количественные данные (и неслучайно эти дисциплины пограничные с физикой). Исследование не статических структур, а длящихся во времени процессов, потребовало применения в химии методов дифференциального исчисления. Представление о времени вошло в химию с первыми представлениями о скорости реакций (конец 18 – начало 19 вв) и развитием учения о катализе. Химия в 19 веке пришла к использованию математического аппарата, выработанного в 17 веке. Разрыв между появлением математического знания и его использованием в химии стал сокращаться.

Только в 20 веке развитие прикладной математики и компьютерных технологий сделало возможным непосредственное проникновение математики в химию, а не только опосредованно через физику. В химии основой для этого стал переход познания от описания макроскопических параметров процессов к микроскопическим. В результате получил широкое распространение метод математического моделирования. По сути, математическая модель – это математическое описание систем и процессов, любое представление объекта в форме математической записи. Велика роль математического моделирования в химической технологии, где в связи с ростом объемов производства этот метод позволяет сократить время и стоимость исследований

Предел математизации химии связан с несоразмерностью этих наук: химия – содержательная, индуктивная наука, математика – формальная, дедуктивная. В большинстве химических теорий принципиально новые математические выражения рождаются в ходе интерпретации эмпирических данных, а не выводятся дедуктивно из абстрактных общих суждений и формул (приведение химии к формализованной системе дедуктивно построенного знания отчасти осуществляется в квантовой химии). Пока, по крайней мере, химические знания генерируются не кабинетными учеными (теоретиками и математиками), а экспериментаторами в лабораториях.

Наличие нематематизированных теорий в науке вовсе не говорит о ее неразвитости. Развитые естественнонаучные теории могут быть системой понятий, суждений, умозаключений и содержать математический аппарат как вспомогательный, второстепенный элемент. Содержательная нематиматизированная теория (например, теория химического строения) может иметь больший эвристический потенциал, чем математически нагруженные теории (как это происходит пока в квантовой химии). В химии ключевую роль играют понятия с качественным содержанием, ее невозможно полностью формализовать.

Так не может быть математически формализовано одно из самых практически успешных направлений химии – органический синтез, который называют даже сердцем химии, и который близок скорее к художественному творчеству, к искусству дизайна. Органический синтез – это не только практический, производственный процесс, но и метод получения знаний – классический химический экспериментальный метод, чья роль не уменьшается с возрастанием роли физических методов.

С искусством, и даже с магией химию сравнивают многие. Эта традиция сохраняется со времен алхимических опытов. И это зримо отличало ее от классической физики. Занятия физикой традиционно воспринимались как познание природных объектов такими, какие они есть вне субъекта. Это уже неклассическая физика в ХХ веке научилась синтезировать элементы, превращать элементарные частицы. Химик же изначально воспринимался как творец, созидающий новое, подобно художнику, скульптору или волшебнику, знающему секреты превращения одних веществ в другие.

Кроме введения измерительных методов Лавуазье сделал еще один важный шаг на пути превращения химии в науку: разработка научной терминологии. В химии сохранялся терминологический хаос, каждый ученый придумывал свои названия веществ, процессов, явлений.

Атомистическая теория Дальтона сделала возможным создание языка химических формул. С древности сложилась практика давать образные, символические названия веществам. Каждый химик мог поучаствовать в этом процессе. Названия давались произвольно, без общепринятых правил. Поэтому возникала многозначность понятий, а одно и то же вещество могло иметь десяток названий. Сохранялся терминологический хаос. Такой язык не соответствовал требованию интерсубъективности. Иначе говоря, ученые переставали понимать друг друга. В 80-х гг. Лавуазье вместе с другими французскими химиками разработал принципы формирования названий химических соединений, ввел номенклатуру химических понятий. Но имевшихся тогда знаний было еще недостаточно, чтобы создать язык формул, отражающих химический состав соединений. Названия веществ были как заменяемые этикетки, не отражавшие сущность обозначаемого вещества. Каждое такое название становилось результатом соглашения между учеными. Необходимо было выработать общие правила образования названий веществ, их формул, обозначения реакций. Это позволило бы добиться более или менее однозначности понятий. Только атомистическое учение и связанные с ним успехи стехиометрии позволили создать то, что сейчас называется эмпирическими формулами. Й.Я. Берцелиус ввел правило, согласно которому символом элемента были начальные буквы латинского названия, а формула соединения сводилась к их комбинации. Позднее А.С. Купер предложил использовать черточки для обозначения соединений атомов в молекуле, что открыло путь для создания структурных формул.

Язык химии постепенно трансформировал художественную образность языка алхимии в точность и определенность научных понятий. «Черный дракон», «зеленый лев», «красный лев» превратились в свинец, окись свинца, сурик. Но этот процесс не доходит до такой строгости дефиниций, как в математике или физике. В химии остается и образность понятий, сохраняются тривиальные названия веществ (берлинская зелень, берлинская лазурь), используются образные названия молекулярных структур (осьминог, птичья клетка). В химии могут использоваться сразу несколько форм представления одного и того же соединения: несколько названий, эмпирическая формула, структурная формула (сокращенная, полная, парциальная и др.).

Формулы и уравнения реакций являются графическим выражением одного или нескольких научных суждений, которые в свою очередь дают качественное и количественное описание объектов. Плодотворность языка химических формул не только в том, что он точно выражает имеющиеся знания, но и в его эвристическом потенциале. Вооруженное языком формул химическое мышление оказывается способным к выдвижению более плодотворных гипотез. Язык химии есть ее инструмент познания.