Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
учебник аспирантов.doc
Скачиваний:
218
Добавлен:
11.03.2016
Размер:
857.6 Кб
Скачать

1.8. Механистическая программа редукции химии к физике

Проблема предметного соотношения и взаимодействия конкретных наук касается не только самих этих наук. Решение подобного рода проблем требует выхода за пределы конкретной науки на уровень обобщений. Решение проблем, которые носят общенаучный характер, относится, в том числе, и к предмету философии науки. Проблемы взаимодействия наук в процессе их развития изучаются философией.

Взаимодействие физики и химии постоянно углубляется. Этот частнонаучный процесс ставит перед философией и естествознанием ряд важнейших вопросов, имеющих общенаучный, философский характер: вопрос о возможности классификации форм движения по уровням сложности, вопрос о возможности редукции химических процессов к физическим, биологических к физико-химическим, социальных к биологическим и т.д., вопрос о статусе химии как самостоятельной науки и о её месте в системе естествознания.

В истории взаимодействия физики и химии исследователи выделяют три этапа: 1) проникновение отдельных понятий физики в химию; 2) проникновение в химию физических законов; 3) создание на стыке наук интегративных физико-химических теорий.

Уже самим своим возникновением химия во многом обязана воздействию физики. Как фундамент естествознания физика начинает развиваться раньше других естественных наук. Когда химия ещё оставалась на донаучном уровне, в физике уже сложилась первая теория, отвечающая всем признакам научной рациональности – классическая механика. Из классической механики в химию проникает понятие силы, под влиянием которого начинает развиваться учение о химическом сродстве, т.е. о реакционной способности веществ. Такие физические понятия как «масса», «энергия» также сыграли важную роль в оформлении первых по настоящему научных теорий в химии.

На первом этапе физикализации химии предпринимались попытки механистического истолкования химии. Механистическое мышление, сформировавшееся в физике, долгое время определяло направление и методологию исследований и в других науках. Так Клод Бертолле хотел превратить химию в дедуктивную науку, в которой из небольшого числа общих принципов выводилось бы все многообразие теорий и законов, с помощью которых, в свою очередь, объяснялось бы все многообразие эмпирического материала. В качестве же исходных общих принципов Бертолле в духе господствовавшей тогда парадигмы предлагал использовать законы Ньютоновской механики. Ньютон писал о силе притяжения частиц вещества, которая заметна только на коротких расстояниях и производит химические действия.1

Ньютоновская механика послужила образцом математизированного естествознания, задала идеалы научности, но мало что конкретного могла дать химикам экспериментаторам. Химики теоретики гипотетически объяснили силы химического сродства по аналогии с силами тяготения в механике, но это никак не влияло на объяснение реакционной способности веществ и других их свойств.

Ломоносов в ряде своих работ высказывался за распространение принципов и законов механики на химию. О необходимости в той или иной мере сведения химии к механике говорили Бертло, Лавуазье, Дальтон, Менделеев, П. Вааге, К. Гульдберг. Ссылаясь на Лапласа, Лавуазье выдвинул предположение, что когда-нибудь станет возможным предсказывать химические процессы тем же способом, каким предсказывается движение небесных тел.1 Конкретными шагами в реализации этой программы стало введение в химию механических представлений о массе и использование весового экспериментального метода. Лавуазье активно использовал этот метод, открыв закон сохранения вещества. Дальтон, опираясь на этот метод и предоставляемые им данные, ввел понятие «атомный вес».

С проникновением идей механики шла и математизация химии. Но в 18-19 вв. она еще оставалась на достаточно поверхностном уровне. Еще Ломоносов писал о необходимости математизации химии, но ограничился общеметодологическим рассуждением о возможности такого процесса: если химические процессы по сути механические, то они со временем могут быть объяснены математически.2 В 19 веке математика использовалась на уровне элементарных арифметических действий в расчете эмпирических формул веществ, в применении стехиометрических законов. Многие химики пытались заявить в качестве ориентира точности аксиоматический метод и математическую дедукцию. Но на самом деле в 19 веке химические теории становились скорее результатом математической обработки эмпирических данных, чем дедуктивного выведения из немногих общих суждений. Математика и физика же играли роль научного идеала – того, что В.С. Степин называет основаниями науки.

В рамках проблемы соотношения физики и химии, а также проблемы развития научного знания представляют интерес слова А.М. Бутлерова о судьбе структурных теорий в химии. «Когда мы будем знать ближе натуру химической энергии, самый род атомного движения, - когда законы механики получат и здесь приложение, тогда учение о химическом строении падет, как падали прежде химические теории, но, подобно большинству этих теорий, оно падет не только для того, чтобы исчезнуть, а для того, чтобы войти в измененном виде в круг новых, более широких воззрений».1 Во-первых, Бутлеров справедливо отмечал, что на тот момент структурная химия оставалась несводима к законам механики. Во-вторых, механика действительно позже проникла в химию, но только не классическая, а квантовая механика, объяснив природу химических связей на атомном и субатомном уровне. В-третьих, Бутлеров обратил внимание на то, что в развитии химии многие предшествующие теории входили в состав последующих в качестве частных случаев.

В отношении к проблеме редукции химии к механике противоречиво выглядят взгляды Менделеева и многих других химиков второй половины 19 века. Это было связано с развитием конкурирующих исследовательских программ. Набирающая обороты органическая химия выглядела как антимеханическая программа, но обнаруживала внутренние противоречия и ограниченность (например, кризис электрохимической теории химического сродства). Программа редукции химии к физике подкреплялась успехами механической теории теплоты и проникновением идей термодинамики в химию (экспериментальное подтверждение Первого начала термодинамики, развитие понятия энергии). Менделеев, признавая успехи первой программы, связывал, тем не менее, перспективы развития химии со второй. «Блеск чисто химических открытий сделал современную химию совершенно специальною наукою, оторвав ее от физики и механики, но, несомненно, должно настать время, когда химическое сродство будет рассматриваться как механическое явление… Я выбрал своею специальностью вопросы, решение которых может приблизить это время».1 Он верил, что учение о массе, став основой классической механики, заложит основы и химической механики, что в химии будут открыты законы, подобные законам Ньютона. При этом он отвергал продуктивность других вариантов объяснения природы химического сродства (изучения тепловых, электрических явлений). Курашов объясняет это психологической зависимостью Менделеева и многих других его современников от идеологии механистического естествознания, психологически комфортным стремлением свести неизвестное к известному, подвести под неразвитые области знания в качестве фундамента наиболее развитую теорию. В этом сказывается эффект принадлежности к определенной исследовательской программе. Но понимание Менделеевым целей этой программы эволюционировало. Разочаровавшись в попытках прямо объяснить химизм законами ньютоновской механики (так в периодическом законе ключевую роль играет не атомная масса, а валентность элемента), Менделеев поставил цель приведения химического знания к идеалу научности, заданному механикой. К рубежу 19-20 вв. он пришел к выводу, что химия наряду с механикой сможет достигнуть идеала научности в познании природы, но на собственных своеобразных началах.1 На примере эволюции взглядов Менделеева вскрылись пределы механистического редукционизма в химии 19 века. Постепенно через столкновение с фактами исчезали упрощенные представления о химизме.

Механистическая картина мира долгое время сохранялась в философии, в естествознании и достигла своего апогея в форме лапласовского детерминизма. Даже и социальные процессы в рамках этой парадигмы пытались свести к простейшим составляющим механическим процессам. Это объясняется тем, что наиболее развитой научной теорией в 17-18 вв. оставалась классическая механика. В 19 в. с помощью диалектического метода предпринимались попытки произвести качественную классификацию процессов разного уровня сложности. Так Гегель разделил «механизм», «химизм» и «организм» как качественно различные уровни природной организации: «…в химической области материальное имеет свою специфическую определенность».2

Энгельс проанализировал эту проблему в работе «Диалектика природы» (1873-1883), интерпретация которой стала основой для решения этой проблемы в диалектико-материалистической философии в советский период. Фактически Энгельс разделил узкий и широкий смысл понятия «движение». Чаще всего это понятие употребляется в узком смысле – как изменение положения тела в пространстве, т.е. изменение координат. Но тело кроме координат имеет и другие количественные характеристики, которые постоянно меняются. Поэтому в широком смысле Энгельс называет движением любое изменение состояния объекта. Но в зависимости от того, каков уровень организации объекта, изменения которые с ним происходят, разделяются по уровню сложности. Энгельс выделил пять форм движения: механическое движение (изменение координат, скорости, формы тела), физическое (изменение температуры, заряда и других физических величин), химическое (изменение химического состава и строения веществ), биологическое (процессы, свойственные только биологическим объектам) и социальное (процессы, связанные с осознанной деятельностью человека).

«Всякое движение связано с каким-нибудь перемещением – перемещением небесных тел, земных масс, молекул, атомов или частиц эфира».1 Именно поэтому Энгельс ставит механическое движение в основу. Он не отождествляет механическое движение с движением макротел и космических объектов по законам классической механики. Для него классическая механика – это лишь частный случай механического движения.

Он подчеркивает генетическую связь форм движения и соответствующих наук. Раскрывая связь трех низших форм движения, Энгельс называет физику механикой молекулярного движения, а химию – физикой атомного движения.1 Он связывает разные формы с объектами разных уровней. Физическое движение – это, в основном, движение молекул. Он имел в виду тепловое движение. Он оговаривает, что есть и другие физические явления – например, электрические, магнитные, оптические явления. Но признает их малоизученность, связывает их с теорией эфира. Энгельс, как и многие ученые этого периода, верил в существование эфира. Не была известна природа электричества, не открыты носители электрического заряда.

Итак, физическое движение – это движение молекул без их разрушения, преобразования. Понимая разнообразие физических процессов и явлений, уделяя каждому из них отдельное место в своей работе, Энгельс, тем не менее, сущность физического движения связывал именно с движением молекул. Химические же процессы связаны с перестройкой молекул, с перегруппировкой атомов в них. Он показывал примеры связей форм движения – примеры связи химических реакций с тепловыми, электрическими, оптическими явлениями.

Классификация, предложенная Энгельсом, вызвала дискуссии. Предлагалось отказаться от фундаментальности механического движения, понимаемого в законах классической механики. Но в «Диалектике природы» Энгельс как раз подверг критике механистическую программу редукции естествознания. Предлагалось отождествить механические, физические, химические процессы, понимая их как движение частиц по квантово-механическим законам. Предлагалось ввести нелинейную классификацию форм движения, включив в нее геологические и географические процессы. Особенно противоречиво интерпретировалась проблема взаимосвязи форм движения.

Между формами движения материи существуют закономерные взаимосвязи. 1) Каждая более сложная форма движения материи исторически развилась из менее сложных (кроме механической и физической). 2) Более сложные формы движения включают в себя все предшествующие, менее сложные и не существуют без них. 3) Более сложные формы движения материи качественно не сводятся ни к одной из менее сложных форм, ни к совокупности их.

Одни философы и естествоиспытатели делают акцент на первых двух закономерностях, подчеркивая соответственно генетическую и структурную взаимосвязь форм движения и изучающих их наук, вплоть до сведения всего естествознания к физике. Такую позицию условно можно назвать физикализмом или физическим фундаментализмом. Другие акцентируют внимание на третьей закономерности, подчеркивая качественное своеобразие и несводимость друг к другу форм движения и соответствующих наук, вплоть до отрицания их взаимосвязи.

Нарушение третьего правила ведёт к редукционизму. Редукционизм – это методологический подход, который заключается в сведении сложного к простому, в сведении свойств целого к сумме свойств частей. В некоторых случаях редукция не только оправдана, но и выступает вполне плодотворным методом познания. Комбинируя анализ и синтез, редукция позволяет познать целое через познание частей, сложное – через простые составляющие. Но при этом нельзя отождествлять сложное и простое, или воспринимать сложное как механическое соединение простых компонентов. В такой форме редукционизм является упрощенчеством и ведёт к ошибочным выводам. Редукционизм имеет психологические корни – потребность человека в упрощении познавательной задачи.

Один и тот же природный объект проявляет разные свойства, будучи обособленным или в качестве элемента более высокоорганизованной системы. В целостной системе благодаря взаимодействию элементов появляются новые свойства, которых нет у элементов по отдельности (свойства воды не являются суммой свойств кислорода и водорода).

Противоположный методологический подход – антиредукционизм – также существует в разных формах. Подчёркивая специфику разных форм движения, многие сторонники антиредукционизма понимают её ошибочно. Ошибкой является мнение, что в химических процессах наряду с физическими появляются ещё какие-то особые, нефизические явления, не объяснимые с позиции физики. Точно также в живом организме нет особых биологических процессов, не имеющих физико-химической основы. Непонимание этого ведёт к витализму, к признанию существования особых «жизненных сил», отличающих живое от неживого.

Высшие формы движения возникают на основе низших и включают их в себя. Поэтому в природе нет барьеров, разделяющих физические, химические и биологические процессы. Поэтому физика успешно объясняет химические явления, а физико-химические методы плодотворно применяются для познания специфики живого.

Многозначность понятия редукции вызывает различие оценок ее плодотворности как метода познания. А.А. Печенкин отмечает, что редукция как сведение одного раздела научного знания к другому, частного к общему, является примером интеграции научного знания. В этом случае более общая теория расширяет область своего применения.

Проблему редукции затронул нобелевский лауреат Н.Н. Семенов в своем докладе на Научном совете Института химической физики АН СССР 29 мая 1959 г.1 В этом докладе он изложил свои мысли о взаимодействии физики, химии, биологии и философии, навеянные обсуждением противоречий между школой Т.Д. Лысенко и школой генетиков. Семенов подверг критике позицию Лысенко по вопросу о взаимодействии химии и биологии. Лысенко и его сторонники утверждали, что биологии свойственны собственные законы, необъяснимые с помощью физико-химических знаний. В частности, Лысенко заявлял, что физика и химия не должны вмешиваться в решение проблемы наследственности. Ошибка Лысенко в том, что механизм наследственности реализуется на молекулярном уровне, изучение которого невозможно без участия химии. Биологические процессы молекулярного уровня могут и должны изучаться методами химии, и в этом еще нет никакого сведения биологии к химии. Более сложные системы – такие как клетка, ткань, орган, организм, популяция, биосфера – характеризуются другими закономерностями и изучаются другими методами.

По мнению Семенова, учение Энгельса о формах движения многими неправильно интерпретируется. Энгельс полемизировал с наивным механицизмом 18 – первой половины 19 веков. Опираясь на успехи других отраслей естествознания, он показал ошибочность такого редукционизма. Но он характеризовал соотношение форм движения как единство связи и различия между ними. Тогда как некоторые интерпретаторы акцентируют внимание на различиях, игнорируя связь форм движения. Они создают искусственные перегородки между науками, исследующими разные формы движения, что препятствует их развитию. Несводимость одной науки к другой они возвели в ранг их полной автономности, замкнутости. Энгельс же указывал на связь как самих форм движения, так и изучающих их наук, называя биологию – химией белка, химию – физикой атома, физику – механикой молекул. Семенов цитирует Энгельса: «Химия одна способна объяснить переход к организму». Отрицание этой связи делает невозможным объяснение абиогенеза.

Многие из химических процессов, протекающих в организме, специфичны для живой материи и не происходят вне клетки. Но это не означает, что они непознаваемы средствами химии, утверждать обратное – это возвращение к витализму. В решении этих задач Семенов предрекает большое будущее биохимии, молекулярной биологии, биоорганической химии.

Семенов сравнивает ситуацию, сложившуюся в 50-е гг. в отношениях химии и биологии с ситуацией, которая сложилась в отношениях физики и химии накануне создания квантовой механики. Многие тогда тоже не верили в возможность плодотворного союза наук, в возможность физического объяснения химических связей.

Редукция эффективно применяется во многих науках, но ее возможности не следует преувеличивать. У нее есть границы применимости, за пределами которых редукция может привести к неоправданному упрощению, и во избежание этого требует дополнения принципом целостности, системности. В.И. Курашов даже говорит о необходимости введения метода контрредукции.1

Неразличение качественной специфики форм движения может привести науку очередной раз к упрощенному восприятию реальности, как это уже неоднократно случалось. Имеет ли смысл выделять химическую форму движения как качественно специфичную? Качество – это определённость предмета, которая характеризует его важнейшие признаки, существенные свойства. Высшие формы движения качественно не сводятся к низшим, это значит, что у них появляются новые существенные признаки, которых нет у низших форм. Так сторонники выделения химического движения в отдельную форму считают его существенным признаком превращение веществ, изменение их состава и химического строения. Именно этот признак составляет специфику химических процессов, а, следовательно, и предмета химии как науки о веществах и их превращениях.

В химическом движении происходит перегруппировка или полное разрушение старых и образование новых химических связей. Превращение же одних химических элементов в другие относят к предмету физики (ядерная физика).

Б.М. Кедров определяет химическую форму движения как процессы, при которых происходит «изменение внутренней структуры молекул в результате движения составляющих ее атомов, но при которой не происходит коренного изменения (разрушения или превращения) самих атомов».1 Но не все вещества имеют молекулярную структуру.

Н.А. Будрейко дает следующее определение. «Взаимодействие атомных остовов, их валентных электронов, т.е. материальных носителей относительно простой формы движения при определенных условиях вызывает качественный скачок в развитии материи, образование химической связи, новых, более сложных материальных структур (молекул, ионов, радикалов и т.п.), являющихся носителями и более высокой формы движения – химической».2 Переход от физической формы движения к химической происходит при возникновении и изменении химических связей.

Носителями химической формы движения являются атомы, атомные группы (ионы, радикалы), молекулы, молекулярные комплексы, коллоидные частицы, поверхностные соединения, твердые и жидкие фазы постоянного и переменного состава, мультиплетные комплексы.3 Каждый из этих объектов представляет собой квантово-механическую систему, а химическое движение – это превращение одних систем в другие.

Химическое движение не просто качественно отличается от физического движения, оно является более сложной формой движения: 1) Простое может существовать без сложного, а сложное без простого не может. Существует множество физических процессов, при которых не происходит химических превращений. Но не существует ни одного химического явления, которое не сопровождалось бы физическими процессами. 2) В истории развития Вселенной было время, когда происходили только физические процессы, а химические были не возможны. Высокая температура делала невозможным образование атомов. Последующее возникновение атомов, молекул и химических процессов означало усложнение материи. 3) Дальнейшее усложнение материи уже связано с химическим движением, на основе которого возникает бесконечное многообразие веществ, свойств, процессов. Возникают всё более сложные структуры, в том числе, органические макромолекулы и начинаются биологические процессы.

Так понимают место химических процессов в классификации форм движения многие отечественные и зарубежные ученые. В нобелевской лекции Н.Н. Семенов обосновывал важность развития учения о химическом процессе. Качественная специфика химического процесса определяет различие предметов физики и химии. «Химический процесс есть то основное явление, которое отличает химию от физики, делает первую более сложной наукой».1

Другой нобелевский лауреат, основоположник супрамолекулярной химии Жан-Мари Лен пишет: «Как наука о превращениях химия – связующее звено между простым и сложным, между законами физики и правилами жизни…»1 Он же отмечает генетическую связь и последовательность форм движения в свете последних открытий: «Вначале был большой взрыв, и воцарилась физика. Затем, вместе с более умеренными температурами, на смену ей пришла химия; из элементарных частиц образовались атомы; атомы соединялись во все более сложные молекулы, которые, в свою очередь, образовали еще более сложные ассоциаты и мембраны, определившие примитивные клетки, из которых возникла жизнь».2

Таким образом, предпринятая в 18-19 вв. попытка объяснить химические процессы с помощью принципов и законов классической механики соответствовала уровню знаний того времени, но оказалась тупиковым направлением в развитии химии.

На этом уровне знаний объяснить химические явления с помощью физических знаний было невозможно, такая редукция была ошибочной. Но будучи таковой в главной своей установке, попытка редукции химии к ньютоновской механике имела и существенное положительное значение. Сформировались количественные методы, заложены основы атомно-молекулярного учения, кинетики (идея зависимости скорости реакций от масс реагентов). В 18 и начале 19 вв. эта тенденция играла положительную роль в становлении химии как науки, но во второй половине 19 века стала анахронизмом. Инертность мышления, психологическая привязанность к старой парадигме проявлялись в том, что даже до конца 19 века многие химики не теряли надежду представить химические процессы как результат гравитационного взаимодействия частиц, зависящего от их масс и расстояний между ними. Но и после неудачи механистической программы новые попытки свести химию к физике продолжились, достигнув определенных успехов в 20 века в русле квантовой теории.