КВАНТОВО-МЕХАНИЧЕСКАЯ ПРОГРАММА

РЕДУКЦИИ ХИМИИ К ФИЗИКЕ

В течение 19 в. несмотря на неудачу механистической программы взаимодействие физики и химии усиливалось. В первые десятилетия 19 века шло совместное, полезное для обеих наук изучение химических явлений, приведшее к возникновению электрохимии - пограничной физико-химические дисциплины. Особенность электрохимии в том, что ее становление связано с изобретением специальных технических устройств. Представления о связи химических и электрических явлений стали накапливаться с появлением искусственных источников электрического тока (конец 18 – начало 19 вв.: лейденская банка, гальванические элементы). И здесь шло не одностороннее влияние физики, а взаимоусиливающее развитие химических и физических знаний. Так электрохимия повлияла на становление электронной теории в физике.

В середине 19 века во многом под влиянием химии в физике также получила реальное наполнение атомистическая гипотеза. На ее основе возникла кинетическая теория газов. На этом примере также видна взаимность воздействия смежных наук.

Очередной попыткой сведения химии к физике в 19 в. стала концепция энергетизма, сторонники которой стремились объяснить все разнообразие природных процессов законами термодинамики. В отличие от электрохимии термохимические знания начали накапливаться давно, т.к. выделение тепловой энергии в некоторых видах реакций легко обнаруживается в опыте. Но научные знания стали накапливаться со второй половины 18 века с изобретением калориметра.

Следующими шагами интеграции наук стали создание физической химии, как первой пограничной науки (80-е гг. 19 в) (Вант-Гофф, Нернст, Аррениус, Оствальд и др.), появление электронной теории, углубившей понимание природы валентности и химической связи. Но качественный прорыв в отношениях двух наук произошёл после появления квантовой механики. Была раскрыта физическая природа химических связей. Явления, которые изучались исключительно химией, были объяснены физикой. Это объяснение оказалось достаточно полным, точным и означало более глубокий уровень проникновения в сущность химических явлений. В настоящее время большинство химических понятий, законов и теорий получили физическую интерпретацию.

Раскрыть сущность химического движения – значит объяснить закономерности возникновения и разрушения химических связей. А это уже сделано квантовой механикой. Именно поэтому на новом уровне встал вопрос о редукции химии к современной физике. В каждой из естественных наук (физика, химия, биология, геология) сформировались разделы, в которых предметы данных наук изучались на атомно-молекулярном уровне. Поэтому встал вопрос о полной сводимости всего естествознания к физике.

По этому поводу существуют различные мнения как в отечественной, так и в зарубежной науке. В 1967 г. на русском языке издан сборник переводов «Методологические проблемы современной химии», почти целиком посвященный проблемам взаимодействия физики, химии и биологии. В. Гейзенберг в своей статье писал о слиянии химии и физики в квантовой теории, об их «сплавлении в одну науку».[60]

В статье В. Гейзенберга отмечено, что точки соприкосновения наук – точки интенсивного роста знания, зачастую, прорыва в этих науках. Поэтому объясним интерес философов и методологов к особенностям возникновения и развития стыковых научных направлений. Химия изучает качественные характеристики материи, ее вещественный состав, превращения веществ. Физика изучает количественные характеристики.[61] Поэтому они долгое время не взаимодействовали, а взаимодействие началось с применения в химии количественных методов. В настоящее время химия получает сильнейший импульс развития от физики. В. Гейзенберг писал о том, что квантовой механике удалось то, что планировалось, но не удалось в 19 веке классической механике и термодинамике. «Квантовая теория строения атома в 20-е годы получила математическое истолкование посредством так называемой квантовой или волновой механики… Таким путем возникла новая единая теория материи, в которой различие между физикой и химией было бессмысленным по самой своей сути.[62]

Схожую позицию занимает Г.Н. Партон – профессор химии университета Отаго (Новая Зеландия). Для Гейзенберга, Партона, Фейнмана и других теоретическая химия – это физика, а химик, не являющийся физиком, не химик.[63] Ключом к пониманию всех химических явлений они называют квантовую механику.

Другой точки зрения придерживается английский физик Джон Бернал. «Не следует, однако, представлять себе дело так, что будто бы в результате всех этих достижений химия превратилась в простую отрасль физики… Физика представляет собой орудие для химика, точно так же, как химия является полем для теоретических упражнений физика».[64]

Противники абсолютизации роли квантовой теории в познании мира химических явлений указывают на принципиальные ограничения ее возможностей. В истории науки нередки примеры повышенного энтузиазма, вызванного появлением принципиально новой теории, претендующей на роль фундаментальной «теории всего». Когда-то на эту роль претендовали и классическая механика Ньютона, и электродинамика Максвелла. И энтузиазм по поводу возможностей квантовой теории был широко распространен на первых этапах ее развития. Но со временем все более заметен стал и скепсис. Стали указывать на то, что квантово-механические расчеты любых химических систем и процессов возможны лишь в принципе. Фактически же расчет электронного строения сложных молекул без использования эмпирических данных признается невозможным. «Теоретическая химия поэтому часто оперирует полуэмпирическими методами. Кстати, эта ситуация в химии указывает, что ее полное сведение к физике не имеет места».[65]

Г.М. Шваб, профессор физической химии, директор Мюнхенского физико-химического института, на примере органической химии и учения о гетерогенном катализе показал, что не все знания химии можно перевести на физико-математический язык, а если и можно, то с познавательной точки зрения это выглядит как вспомогательный инструмент. Математические расчеты химических явлений на основе физических знаний – путь значительно более сложный, чем традиционные химические исследования. «…мы точно себе представляем, каким образом мы должны оперировать физическими законами для того, чтобы промаршировать с ними до химического результата, но что здесь, однако, неизмеримо велики математические трудности».[66] Поэтому и в будущем сохранится значение специфических химических методов исследования, в которых важную роль играет интуиция, сохранится самостоятельность химии как науки. «…отказ от точной, математической химии вовсе не является отказом, но, наоборот, надеждой, указывающей на то, что своеобразие и многосторонность химии можно охватить, понять и ими можно овладеть, только старательно сочетая теоретическую и экспериментальную работу с удачной мыслью и с тем, что мы называем «химическим чутьем».[67]

Противостояние двух тенденций в развитии квантовой химии описывает Ч. Коулсон – профессор физики (Оксфорд, Англия). Одни считают, что расчет электронного строения молекул с помощью компьютеров надо производить, не прибегая к эмпирическим методам, другие выступают за компромисс между точностью и простотой, за квантово-механическое истолкование эмпирически полученных данных. Коулсон считает, что точный расчет в перспективе по мере совершенствования компьютеров возможен для систем, включающих до 20 электронов. Для больших систем точный расчет становится столь сложным, что утрачивает смысл с познавательной точки зрения. Гораздо более простыми и эффективными оказываются эмпирические методы. «…если бы мы захотели написать значения волновой функции для основного состояния атома железа с достаточно малыми интервалами между электронами, нам потребовалась бы целая библиотека, чтобы расставить книги с записями этих значений, а для того, чтобы тоже самое написать для атома урана, во всей вселенной не хватило бы бумаги и чернил».[68]

Среди отечественных философов и естествоиспытателей также можно встретить как сторонников, так и противников возможности редукции химии к физике. Аргументы за возможность такой редукции в той или иной мере приводят А.И. Китайгородский, М.В. Волькенштейн, Р.А. Вихалемм, М.Д. Ахундов, А.А. Печенкин, против – Ю.А. Жданов, Б.М. Кедров, Н.Н. Семенов, Г.А. Скоробогатов, Корольков, Левицкий, Зоркий и др. Многие противоречия возникают из-за неясности терминологии. Что понимать под «сведением химии к физике»? Поглощение? Превращение химии в раздел физики? Использование физических методов в химических исследованиях? Или полный отказ в перспективе от химических методов с заменой их на квантово-механические расчеты?

Сторонники редукции обвиняют оппонентов в том, что они указывают на наличие в химизме «таинственного нечто», несводимого к общим законам природы.[69] Это сродни обвинению в витализме. Антиредукционистов обвиняют также в том, что они строят искусственные барьеры между науками, не верят в плодотворность их взаимодействия. А.А. Печенкин пишет: «Итак, путь к физическому объяснению химических явлений и физическому обоснованию химических представлений открыт, на этом пути нет никаких «барьеров». Между физикой и химией нет жесткой и непереходимой разграничительной линии».[70]

Видно, что стороны зачастую не понимают позицию друг друга, искаженно представляют аргументы противников. Потому что в 20 веке никто уже всерьез не может говорить о «таинственном нечто» или возводить барьеры между науками. И главный тезис антиредукционистов состоит вовсе не в этом. Речь идет о том, что материальные системы имеют разный уровень организации и, как следствие, существует качественная специфика различных процессов, определяющая специфику изучающих их наук. Если бы оппоненты правильно оценили позиции друг друга, то возможно и предмет разногласий бы исчез. Тот же А.А. Печенкин признает, что наряду с физикализацией химии в ней происходит развитие и традиционных химических теорий, методов. Физикализация одной концептуальной системы химии сопровождалась появлением другой.[71] Как бы ни возрастала в будущем роль физико-математических расчетных методов в химии, лабораторные эксперименты с «реальным» веществом не утратят своего значения.

А.А. Печенкин вполне обоснованно подчеркивает, что вопрос о сводимости химии к физике является философско-методологическим, потому что ответ на него зависит не от отдельных научных открытий, а от тех или иных представлений об идеалах научного познания.[72] «Сторонники сводимости химии к физике разделяли идеалы научного познания, сложившиеся в физике, а именно видели цель познания в выведении общих количественных законов, создании математизированных теорий, построенных на дедуктивных рассуждениях. Противники сводимости отдавали должное традиционным идеалам химии, т.е. классификации как форме научного познания, качественным теориям, в которых широко используются рассуждения по аналогии».[73]

Некоторые обосновывают несводимость химии к физике определением их предметов, и сама проблема представляется им как надуманная. В тоже время они же могут доказывать эффективность и достаточность физических знаний и методов для познания любых химических явлений. Т.е ими проблема сводимости трактуется, как разграничение предметов наук, без глубокого осознания их взаимодействия.

Проблема редукционизма шире, чем она представлена в работах многих естествоиспытателей и философов. Речь надо вести не только о сводимости химии, или всего естествознания к физике. Редукция химии к физике – это только начало большого пути. Если допустить полную качественную сводимость химического к физическому, то надо быть последовательным и сделать следующий шаг: отождествить геологические, биологические и социальные процессы только по той причине, что все они в основе своей являются движением элементарных частиц, не видя качественного различия выборов в Государственную Думу и размножения лягушек, падения метеоритов и падения курса национальной валюты.

Редукционизм надо рассматривать как интеллектуальную болезнь или соблазн. В 19 веке о массовости подобных настроений среди ученых, философов и думающей общественности писал Н.Г. Чернышевский, рассматривавший этику разделом психологии, психологию – разделом физиологии, физиологию – разделом химии. Вот и получается, что ключом к разрешению проблемы смысла жизни окажется квантовая механика.

Являясь фундаментом естествознания, физика даже для химии, не говоря уж о многих других областях человеческого знания, оказывается «слишком фундаментальной». «Очевидно, что глубокие знания квантовой механики, составляющей истинный научный фундамент наук о химической и биологической формах движения, вряд ли окажут существенную помощь врачу-клиницисту, агроному или инженеру нефтеперерабатывающего завода в решении стоящих перед ними практических задач. Научная дистанция между константой Планка, с одной стороны, и конкретным больным, или пшеничным полем, или «забарахлившей» крекинговой колонной, с другой, слишком велика!»[74]

Если бы программа полной редукции химии к физике успешно реализовалась, это выразилось бы, например, в том, что с помощью физико-математических расчетов удалось бы объяснять и предсказывать свойства любых веществ, особенности любых химических реакций. Это сделало бы ненужными традиционные химические методы экспериментального изучения веществ и реакций. Но первый энтузиазм по поводу принципиальной возможности движения в этом направлении вскоре столкнулся с не менее принципиальными трудностями. Возможно ли теоретически и практически записать волновую функцию (решение уравнения Шредингера) для всех объектов, изучаемых химией (от отдельных ионов до органических макромолекул), а также описать все возможные химические процессы? Прямое решение уравнения Шредингера в полной записи без упрощенных моделей и допущений удается получить лишь для простых атомных систем. Для описания более сложных систем сложность расчетов стремится к бесконечности. Так для описания системы из 1000 частиц, по расчетам специалистов, необходим компьютер массой превышающий всю массу видимой части Вселенной, и время, превышающее время существования Вселенной, даже если его быстродействие составит одну операцию за 10^-17 секунды (что равно времени прохождения света через расстояние порядка диаметра атома).[75] А многие химические системы включают гораздо больше, чем 1000 частиц. И это речь идет всего лишь об описании структуры объектов, тогда как предметом химии является и познание процессов. А еще есть влияние среды на свойства веществ и характер процессов, что изучает химическая кинетика.

В реальности в современной квантовой химии расчеты ведутся с определенными допущениями, на возможном уровне приближения. Точность таких расчетов снижается, и они корректируются экспериментами. Такие расчеты уже становятся полуэмпирическими. Их применение часто ограничивается истолкованием эмпирически полученных данных.

В.И. Курашов, характеризуя сложившееся отношение химии и физики, перефразировал Гегеля: «квантовая механика в химии часто описывает уже «одряхлевшую действительность», «пишет серыми красками по серому», т.е. больше объясняет, а не предсказывает».[76]

Некоторые специалисты связывают невозможность редукции химии к квантовой механике с теоремой Геделя. Из этой теоремы следует принципиальная невозможность дедуктивного выведения всех истинных суждений в какой-либо предметной области из конечного числа (сколь угодно большого) общих суждений (законов, постулатов, аксиом). Всегда найдутся данные, лежащие за пределами этого логического построения. Для дедуктивного выведения всех научных истин в любой области знания необходимо бесконечное число исходных общих идей. Любая аксиоматизированная теория предполагает наличие неразрешимых в ее рамках проблем. В этом видят логический барьер выведения всех химических знаний из конечного числа квантово-механических законов. «Уж если нельзя чисто дедуктивно получить все свойства целых чисел, то подавно нельзя получить чисто дедуктивно все свойства решений дифференциальных, операторных и других уравнений физики, записанных для систем, уровень сложности которых соответствует химической, геологической, биологической или какой-либо другой форме движения материи».[77]

Г.А.Скоробогатов иллюстрирует эту мысль на примере кинетики газофазных реакций, показывает невозможность чисто дедуктивного выведения всех ее положений из квантовомеханических уравнений. В этом и в других случаях эти уравнения надо дополнять невыводимыми из них допущениями, аксиомами, законами. По мнению Скоробогатова фундаментальные законы содержатся не только в квантовой механике, но и во всех высших формах движения, и их число потенциально бесконечно. Фундаментальными можно считать законы, невыводимые из других законов.

Таким образом, существуют принципиальные естественные ограничения прямого использования аппарата квантовой механики для описания сложных химических систем. Поэтому наряду с развитием возможностей квантовой химии не уменьшается роль классической химической методологии: химический эксперимент – анализ результатов – химическая теория (больше вербальная, чем математическая).

В.И. Курашов утверждает, что сама квантовая химия могла возникнуть только как синтез физического и химического знаний (знаний о химическом строении вещества, полученных классическими методами химии). Тот же Гейзенберг признавал, что корни квантовой теории лежат не только в физике, но и в химии. Н. Бор отмечал, что в создании квантовой механики важную роль сыграли знания о свойствах элементов, накопленные химией. Идея периодичности свойств атомов, открытая в химии, повлияла на создание квантовой теории строения атомов. Квантовая химия – это результат взаимного проникновения химии и квантовой физики. Это значит, что даже предположение о полной сводимости химии к квантовой химии еще не означает ее сведение к физике. Квантовая химия – такой же результат развития химии, как и физики, результат интеграции этих наук, а не сведения первой ко второй.

Существуют и другие проблемы на пути физикализации химии. Химия изначально формировалась как феноменологическая наука, описывающая макроскопические характеристики своих объектов, данные человеку в опыте. Таковой она во многом остается и сегодня. Барьер на пути физикализации здесь появляется в связи с невозможностью проследить переход от микроскопических изменений к макроскопическим, невозможность предсказания поведения сложных систем на основе знания поведения отдельных элементов. На ограниченные возможности редукции проливает свет синергетика. «Хаос бросает вызов сторонникам редукционизма, которые считают, что для изучения системы ее надо разбить на части и изучать каждую часть… Однако хаос показывает нам, что система может иметь сложное поведение вследствие простого нелинейного взаимодействия всего нескольких компонент».[78]

В тоже время сторонники квантово-механического истолкования химических явлений предупреждают о распространенной ошибке антиредукционистов. Так А.А. Печенкин подчеркивает, что редукция химии к квантовой механике не тождественна редукции целого к составляющим его частям. Квантовая механика описывает молекулу не как сумму атомных ядер и электронов, а как целостную квантово-механическую систему.[79]

Пределы физикализации химии видны также в экспериментальных методах. Применение физических методов помогает химии в познании многих вопросов ее предметной области, но не заменяет классическую методологию химического эксперимента, а дополняет ее, играя вспомогательную роль. Становление физических методов в химии изначально опиралось на весь массив ее знаний, стало результатом интеграции физики и химии.

В.И. Курашов предлагает классифицировать экспериментальные методы естественных наук по характеру того взаимодействия, которое является предметом исследования, а не по используемым приборам. Так в химии многие методы традиционно относят к физическим на том основании, что они осуществляются посредством физического прибора (устройство, основанное на использовании тех или иных физических процессов, эффектов). Метод отождествляется с инструментом. Так, например, метод спектрального анализа осуществляется с помощью спектроскопа – физического прибора. Но спектральный анализ как метод мог возникнуть только в результате взаимодействия физических и химических знаний. Спектроскоп может применяться в разных науках, но если он применяется в химических экспериментах, то используемый на его основе метод надо рассматривать как физико-химический.

Дальнейшее совершенствование методов УФ-, ИК-, ЭПР-, ЯМР-спектроскопии также связано с использованием знаний и методов химии (знания веществ и их взаимодействий соотносятся со спектральными характеристиками и результаты интерпретируются).

Преувеличение значимости физических методов и недооценка химических связано с абсолютизацией техники, роли физических приборов. При этом забывается, что прибор лишь инструментальное звено метода, включающего совокупность процедур, основанных на знании объекта.

Таким образом, несмотря на возрастающее проникновение физики в химию, последняя никогда не сведётся к первой. Специфика предмета химии определяет специфику используемой методологии и языка этой науки. История химии доказывает, что наряду с процессом физикализации происходит и процесс углубления традиционных химических представлений, теорий, методов.

Литература

Азимов А. Краткая история химии. От магического кристалла до атомного ядра. М., 2002.

Баблоянц А. Молекулы, динамика и жизнь. Введение в самоорганизацию материи. М., 1990

Будрейко Н.А. Философские вопросы химии. М., 1970.

Вязовкин В.С. Материалистическая философия и химия. М.,1980.

Гачев Г.Д. Гуманитарный комментарий к физике и химии. Диалог между науками о природе и о человеке. М., 2003.

Жданов Ю. А. Материалистическая диалектика и проблема химической эволюции // Вопросы философии. 1980. № 2. С.59-80.

Жданов Ю. А. Исторический метод в химии // Вопросы философии. 1980. N. 2. С.125-141.

Кузнецов В.И. Общая химия. Тенденции развития. М.,1989.

Курашов В.И. История и философия химии: учебное пособие. М., 2009.

Лен Ж.-М., Супрамолекулярная химия. Концепции и перспективы. Новосибирск, 1998.

Менделеев Д.И. Основы химии / Менделеев Д.И. Сочинения Л.,М. 1949.Т.14.

Методологические проблемы современной химии : сб. пер. / Под ред. Ю.И. Соловьева и Н.И. Родного. М., 1967.

На перекрестках химии : сб. ст. / Под ред. Р.В. Богданова. Л., 1980.

Печенкин А. А. Взаимодействие физики и химии (философско-методологические проблемы). М., 1986.

Поллинг Л. Общая химия. М., 1964.

Семенов Н.Н. Наука и общество. Статьи и речи. М., 1981.

Философские проблемы современной химии: Сб. пер. / Под ред. Ю. И. Соловьева и Н.И. Родного. М., 1971.

Эйген М., Шустер П., Гиперцикл. Принципы самоорганизации макромолекул. М., 1982.

Эйген М., Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул. М., 1973.

Энгельс Ф. Диалектика природы / Маркс К., Энгельс Ф. Сочинения. Т. 20. М., 1961.