ФИЛОСОФСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ХИМИИ

определенность состояния. В общем случае величина информационной энтропии обозначает недостаток информации перед решением задачи или информацию, которую мы получаем, решив поставленную задачу.

Количество передаваемой информации J определяется уменьшением неопределенности

при этом предполагается, что если состояние системы изменяется в направлении увеличения молекулярного беспорядка, то энтропия увеличивается, и соответственно информация о состоянии уменьшается. Напротив, если система эволюционирует в направлении упорядоченности, то ее энтропия уменьшается, но увеличивается информация о микроскопическом состоянии.

Величина информационной энтропии возрастает за счет увеличения числа структурных элементов при усложнении системы, и поэтому количество информации не может непосредственно указать путь эволюции. Количество информации, полученной при синтезе углеводов в работе Ю. А. Жданова, оказалось выше, чем количество информации, полученной при синтезе аминокислот и нуклеиновых оснований, что противоречит здравому смыслу.

При образовании комплекса в исходных системах могут возникнуть новые связи, которые повышают количество информации. В связи с этим при анализе эволюции следует сравнивать не величины информации, а их производные по числу структурных элементов. Тахтаджан и Седов [90] предложили определять развитие как процесс, при котором увеличение количества информации опережает рост числа структурных элементов. При этом они различали матричное развитие, приводящее к многократному повторению идентичных структур, и эмерджентное развитие, при котором образуются новые связи и новые качественные признаки. Для матричного развития первая производная информации по числу структурных элементов положительна:

К матричному развитию можно отнести книгопечатание, кристаллизацию в периодическом кристалле и процессы копирования. Для эмерджентного (лат. e-mergo – восходить, появляться) развития, характеризующегося появлением новых качественных изменений, вторая производная информации по числу структурных элементов положительна:

При матричном развитии количество информации увеличивается линейно, а при эмерджентном информация растет прогрессивно, причем прогрессивное накопление информации не может осуществляться по детерминированной программе, а должно включать вероятностный, стохастический механизм.

81

При использовании критериев матричного и эмерджентного развития возникает проблема использования дискретных структурных элементов и необходимости для дифференцирования непрерывности системы. Это затруднение можно преодолеть построением дискретной функции с последующим ее дифференцированием.

3.3. Термодинамический критерий в химической эволюции

При анализе физической и химической эволюции применение информационного критерия носит чисто формальный характер, так как не учитываются индивидуальные свойства атомов, входящих в соединение. Если при расчете количества информации атом водорода оценивается аналогично атому меди или урана, то формализм подхода становится очевидным.

Мы предположили, что более реальным является использование термодинамической энтропии, величина которой конкретно отражает организацию атомов. Так как понятия «термодинамическая энтропия» и «информация» связаны между собой выражением

где k – постоянная Больцмана, то из уравнений (3.6) и (3.9) следует соотношение между информацией и термодинамической энтропией

Это дает возможность сформулировать условия матричного развития (3.7) в виде

а условие эмерджентного развития как неравенство [91, 92]

Обратим внимание на смену знаков при переходе от информации к энтропии. Переход от информации к термодинамической энтропии открывает возможность использования экспериментальных величин энтропии для элементов и их соединений. Рис. 7 показывает зависимость величин энтропии элементов периодической системы, приводимых в справочнике [111], от порядкового номера элемента, который равен числу протонов или электронов атома элемента. В философской литературе имеется две разные точки зрения на проблему эволюции элементов периодической системы. Одна из них полагает, что эволюция завершается синтезом углерода и других элементов, на основе которых построены живые организмы [82]. С этой точки зрения, уг-

82

лерод обладает наивысшей сложностью, так как число его соединений на порядок превышает число неорганических веществ. С. А. Щукарев исходил из принципа «биогенности», согласно которому близость к биологическому миру определяет ступень эволюционного ряда в химии [82]. Н. Пири полагал, что химическая эволюция направлена от разнообразия элементов и простых структур к усложнению структур при большей химической однородности [94].

Вторая точка зрения состоит в том, что сложность элемента и его место в эволюционном ряду увеличивается с увеличением числа элементарных частиц в атоме [82], поэтому уран можно считать более высокой ступенью в эволюционном ряду. Авторы монографии [83] нашли компромиссное решение в представлении первой точки зрения в виде химической эволюции, а второй как физической эволюции. С представлением эволюции элементов от водорода до сверхтяжелых как физической нельзя согласиться уже потому, что задача превращения элементов друг в друга всегда была сферой деятельности алхимиков, пытавшихся превратить неблагородные металлы в золото и серебро, а затем стала объектом исследований неоалхимиков. Впервые исследования превращения радиоактивных элементов были проведены Э. Резерфордом, работа которого была отмечена Нобелевской премией по химии 1908 г. Затем Нобелевскую премию по химии 1911 г. получила М. Кюри за открытие радия, полония и их превращений.

Рис. 7. Зависимость величины термодинамической энтропии от заряда ядра элемента (порядкового номера в периодической системе)

83

В 1921 г. Нобелевской премии был удостоен Ф. Содди, исследовавший с Э. Резерфордом распад радиоактивных элементов и создавший современные представления об изотопах. Интересно обратить внимание на то, что сам Э. Резерфорд был удивлен тем, что Нобелевская премия ему была присуждена именно по химии. «Мне приходилось иметь дело с весьма различными трансмутациями, обладающими разной продолжительностью во времени, но быстрейшая из всех, какие я встречал, это моя собственная трансмутация из физика в химика – она произошла в одно мгновение». Из сказанного можно сделать вывод о том, что Нобелевский комитет всегда уверенно относил работы по превращению элементов к области химии. Так было, когда исследования концентрировались на дезинтеграции сложных элементов, так было и потом, когда появились работы по синтезу новых элементов. Г. Сиборг стал лауреатом Нобелевской премии по химии в 1951 г. за работы по получению плутония.

При дифференцировании функции, представленной на рис. 7, мы получили положительную первую производную энтропии по числу электронов атома, что свидетельствует об отсутствии матричного развития в ряду элементов периодической системы. При вторичном дифференцировании функции мы получили зависимость, представленную на рис. 8.

Рис. 8. Зависимость второй производной энтропии от числа зарядов в ядре элемента (номера элемента в периодической системе)

Рисунок показывает наличие отрицательной второй производной термодинамической энтропии по числу электронов (протонов, порядковому номеру элемента), свидетельствующее об эмерджентном развитии. Оно имеет наибольший темп для легких элементов, которые образуют биологически активные соединения и на основе которых формируется живой организм. Можно обратить внимание на тот результат, что величина второй

84

производной асимптотически приближается к нулю для тяжелых элементов, а это свидетельствует не об отсутствии химической эволюции элементов, а только о замедлении ее темпа, поэтому термодинамическая интерпретация эволюции объединяет обе точки зрения на ее природу. Весьма вероятно, что существует связь между второй производной энтропии и второй вариацией

энтропии −δ 2S как функционала Ляпунова, который И. Пригожин использовал в нелинейной неравновесной термодинамике в качестве критерия устойчивости системы, однако эта корреляция не обсуждается в литературе.

n

Рис. 9. Зависимость второй производной энтропии по числу атомов углерода в алканах от их числа от метана до декана

Простым примером химической эволюции является синтез соединений гомологического ряда. В частности, при синтезе из метана членов гомологического ряда алканов с большим числом атомов углерода первая производная положительна, поэтому эволюцию нельзя отнести к матричной, несмотря на сходство свойств алканов. Рис. 9 показывает вторую производную энтропии по числу атомов в алкане, которая имеет отрицательную величину, свидетельствующую об эмерджентной эволюции. Абсолютная величина второй производной значительно ниже, чем при синтезе элементов из водорода. Наличие минимума функции второй производной энтропии у гептана (число углеродных атомов 7) является результатом эффекта альтернации.

85

3.4. Классификация наук

О, все пойдет на лад.

В редукцию лишь надо вникнуть, К классификации привыкнуть.

И. В. Гёте. Фауст

Критерий сложности дает возможность проследить за ходом эволюции, начиная от Большого взрыва, который привел сначала к образованию легких частиц – электронов, позитронов, фотонов, а потом барионов. На первом этапе эволюции элементарные частицы не были связаны в атомы. Образование атома водорода из протона и электрона должно быть границей, разделяющей физику и химию, так как превращения элементов со Средних веков были объектом исследования алхимиков. Когда эти превращения были изучены, то Нобелевский комитет отнес их к химии. Далее нами в подразделе 3.1 были описаны стадии химической и биологической эволюции.

Классификация должна быть отражением эволюции природы. Первые классификации наук были развиты еще тогда, когда человек не знал элементарных частиц, молекул, полимеров, а об атомах имел иные представления. Проблемами классификации наук занимались Гоббс, Бэкон, Даламбер, Дидро. Современные классификации наук идут от Анри Сен-Симона, который предложил последовательность: астрономия, физика, химия, биология.

Всвоем сочинении «Письма женевского обитателя» он писал: «Все известные нам явления разделяются на различные категории. Вот принятый способ их деления: явления астрономические, физические, химические, физиологические». Его ученик Огюст Конт добавил к ним социальные явления. Ф. Энгельс заменил астрономию на более общую науку – механику. Он обратил внимание на то, что у Конта классификация «служит для расположения учебного материала и в целях преподавания, приводя тем самым к несуразному enseignenment integral (интегральному обучению), где каждая наука исчерпывается прежде, чем успели хотя бы только приступить к другой, где правильная в основе мысль математически утрируется до абсурда».

Всвязи с тем, что механика в наше время входит в физику, как более общую науку, мы будем выделять основные науки в виде иерархической последовательности: физика – химия – биология – социология. Понятие «социология» используется как в широком объеме, так и в содержании, представляя собой науку как целостную систему, охватывающую все стороны человеческой деятельности.

Отсюда следует, что химия описывает более сложные системы, чем физика, биология более сложные, чем химия, а социология более сложные, чем биология. Именно поэтому физика достигла большего совершенства и широко использует количественное математическое описание в отличие от других наук. Химия в этом отношении делает первые успехи, но до строго

86

количественного описания в биологии и социологии пока достаточно далеко, хотя частные проблемы этих наук нашли свое отражение в математических моделях.

Между науками нет четких границ, однако в пограничных областях возникают проблемы демаркации. Самой спокойной границей является граница между химией и биологией, так как химики практически не претендуют на возможность интерпретации физиологических функций исключительно на основе химических реакций. Иная ситуация на границе с теоретически развитой физикой и отстающей от нее в связи со сложностью процессов химией. Существует атомная физика, а также молекулярная физика. Если объектом атомной физики являются многоэлектронные атомы или молекулы, то их следует отнести к химии. Молекулярная физика, основанная на межмолекулярных взаимодействиях, была начата работами И. Ван дер Вальса, который был удостоен за них Нобелевской премии по физике в 1910 г. Но времена меняются. Появилась новая наука – супрамолекулярная химия. Ее лидер Жан Мари Лен был удостоен Нобелевской премии по химии. Он считает, что «молекулярная химия утвердилась в своей власти над ковалентной связью. Настало время овладеть в равной мере нековалентными межмолекулярными силами. Супрамолекулярная химия – своеобразная молекулярная социология! Нековалентные связи взаимодействия определяют связи между компонентами и реакции между ними, другими словами – поведение молекулярных индивидуумов и популяций: социальную и “классовую” структуру организованного сообщества индивидуумов, его устойчивость и хрупкость, стремление индивидуумов к объединению и обособлению, их избирательность, способность узнавать друг друга, их динамику, а также подвижность или жесткость между объединениями и кас-

тами» [110].

Защита своих границ химиками с методологической точки зрения не является существенной, поскольку эволюционные ряды непрерывны. Дело в том, что ограничение рамок химии в дополнении к распространенной в обществе хемофобии отрицательно влияет как на химическое образование, так и на положение химии в семье естественных наук. В результате даже многие химики не вполне осознают, что они живут преимущественно в мире, созданном химией. Иногда бывает забыто, что рост народонаселения связан с производством химических удобрений и синтезом лекарственных препаратов, без которых человечество не превысило бы даже миллиард жителей. Мы забываем даже о том, что живем в домах, построенных из материалов, полученных химическими реакциями, одеты в одежду преимущественно из синтетических материалов, так как натуральные материалы являются дефицитом и не могут быть доступны для большинства людей. Кроме того, в некоторых случаях синтетические материалы имеют значительные преимущества. Металлургия основана в первую очередь на проведении химического восстановления руд. В автомобилях и самолетах трудно найти

87

натуральные материалы. Интегральные схемы, лежащие в основе современной электроники, изготовляют из материалов, полученных химиками, а затем подвергают последовательно обработке химическими реагентами. Между тем границы химии сужены до такой степени, что это наносит вред развитию ее как фундаментальной науки, уменьшает финансирование исследовательских программ.

3.5. Редукционизм

Возникает вопрос: можно ли использовать достижения наук, находящихся на более низкой ступени сложности для описания более сложных наук? В науке существует методологический принцип, который называется редукционизмом (лат. reductio – отодвигание). Согласно этому принципу высшие формы организации могут быть объяснены на основе более развитых низших. Галилей, Ньютон, Лаплас, Гоббс, Вольф и Кант пытались объяснить закономерности мира на основе механики (механицизм). Одной из неопозитивистских концепций является физикализм (Нейрат, Карнап, Шредингер), который пытается объяснять более сложные уровни организации на основе физических законов. Мы отмечали, что химики смогли удержаться от попытки объяснять биологические функции с помощью химических реакций, но уже биологи пытаются объяснить поведение человека с точки зрения поведения животных, игнорируя его социальные функции (бихевиоризм). Однако в то же время химики позитивно используют достижения физической науки, которая описывает более низкий уровень организации материи и поэтому соответственно отражает его с большей глубиной и полнотой. Достижения преимущественно редукционистской науки – физической химии – впечатляют в связи с успехами развития химической термодинамики, которая позволила найти оптимальные параметры ряда процессов, среди которых выделяется синтез аммиака, принесший его создателю Ф. Габеру Нобелевскую премию по химии 1918 г. Заметим, что в наше время появилась иная точка зрения. Ф. Росснер считает, что успех работы Ф. Габера, который возглавлял в то время самый большой исследовательский институт в Германии, был обусловлен в первую очередь привлечением большого количества сотрудников к экспериментальному поиску катализаторов для синтеза аммиака. Н. Н. Семенов полагает, что менее эффективны успехи физической химии в разработке кинетики химических реакций, особенно в теории катализа, который играет определяющую роль в химической промышленности.

В наиболее трудном положении оказалась химия в связи притязаниями физиков и философов на возможность интерпретации ее закономерностей с помощью физики. В. Гейзенберг писал, что появление квантовой механики как единой теории материи сделало бессмысленным различие меж-

88

ду физикой и химией. Эта точка зрения сохранилась и в современной философской литературе. В частности, Ахундов и Баженов на страницах журнала «Вопросы философии» пишут, что вплоть до появления квантовой механики химия могла претендовать на статус фундаментальной науки [96].

Лауреат Нобелевской премии по химии Н. Н. Семенов, имевший физическое образование, полагал, что наибольших успехов физическая химия добилась при описании статических состояний, но она не в состоянии решить динамические, кинетические задачи [97]. Проблема несводимости химических взаимодействий к физическим явлениям была проанализирована Б. М. Кедровым. «Хотя атомы и построены из электронов и ядер, но образование химических систем протекает по столь сложным законам, что знание числа и свойств ядер и электронов совершенно недостаточно для определения структуры будущей химической частицы. Это равносильно тому, что знаний о количестве и свойствах кирпича или крупинок глины, из которых он создан, тоже недостаточно, чтобы создавать проекты и архитектуру зданий. И в том и в другом случае имеет место переход на новый уровень» [98]. Обычно в качестве редукционистского аргумента указывают на широкие возможности квантовой химии, которая позволяет рассчитать структуру сложной молекулы. Следует заметить, что применение квантовой химии возможно только для простейших случаев, так как неэмпирические расчеты ab initio, которые требуют только знания физических констант, дают возможность исследовать соединения, имеющие только сотни атомов. Более сложные молекулы рассчитываются с применением полуэмпирических методов, демонстрирующих принципиальную неполноту квантово-химиче- ских расчетов. Полуэмпирические расчеты также ограничены несколькими сотнями атомов, что недостаточно для описания синтеза полимеров, в том числе биологически активных веществ – белков и нуклеиновых кислот.

Однако, даже если допустить возможность точного расчета молекулы ab initio при совершенствовании вычислительной техники и программ, то в этом случае может быть рассчитана с помощью вариационных методов только одна структура, обладающая минимумом потенциальной энергии. В химическом синтезе всегда получается совокупность соединений разного состава и строения, причем возможно получение изомеров, имеющих одинаковый состав, но различное строение. Химический мир несравненно более многообразен, чем физический. Если число элементарных частиц огра-

ничено, то число белков составляет 1012 , а нуклеиновых кислот 109. Квантовая химия на практике оказывается полезной синтетикам, которые ищут пути протекания реакций, однако для проведения работы им требуется не только квантово-химические расчеты, но и химическая эрудиция и в еще большей степени интуиция. Если бы это было иначе, то физики сами бы доказали новые возможности квантовой механики синтезом новых соединений с заданными свойствами, например, лекарств для лечения определен-

89

ной болезни или ароматических веществ для парфюмерии. Однако такая задача принципиально невыполнима физиками, так как требует знания не только квантовой механики и химии. Особые трудности квантовая химия испытывает при описании соединений со слабыми связями, как, например, соединений с водородной связью, которая встречается в соединениях, имеющих большое число атомов (ионообменники, белки, нуклеиновые кислоты, селективные мембраны).

К. Поппер был активным сторонником редукционизма. Он писал: «Физика и химия не очень отличаются друг от друга, и области их применения тоже как будто не очень различаются, за исключением того, что химия, как ее обычно понимают, неприменима при очень высоких температурах и, может быть, при очень низких. Следовательно, было бы не очень удивительно, если бы оправдались давние надежды на то, что химия может быть сведена к физике, что, кажется, и происходит в последнее время. Здесь мы имеем подлинно парадигматический случай «редукции» – под «редукцией» я подразумеваю, конечно, то, что все открытия в области химии можно объяснить (то есть вывести), исходя из принципов физики. Хотя такая редукция была бы очень удивительная, это был бы огромный успех науки. Это было бы не просто упражнение в унификации, а реальное продвижение в понимании мира. Предположим, что эта редукция полностью осуществилась. Это позволило бы надеяться, что когда-нибудь, возможно, нам удалось бы и все биологические науки свести к физике» [76]. На этом К. Поппер останавливается, не развивая перспективы написания музыки и стихов на основе законов теории относительности и решений уравнения Шрёдингера.

Разносторонне образованный химик лауреат Нобелевской премии Р. Хоффман в своей книге «Такой одинаковый и разный мир» как бы отвечает К. Попперу: «Ученый мир воспринимает редукционизм и связанный с ним метод познания в качестве основной идеологии, однако стоит отметить, что это философское течение слабо связано с реальностью, с тем миром, в котором живут и работают сами ученые. Позвольте мне проиллюстрировать тщетность и скудость редукционизма известным приемом приведения к нелепости (reduction ad absurdum). Предположим, что получаете анонимное письмо, содержащее лишь листок бумаги с четырьмя строчками поэтического текста. Например, это может быть стихотворение Уильяма Блейка “Вечность”:

Кто удержит радость силою, Жизнь погубит легкокрылую. На лету целуй ее – Утро вечности твое!

Предположим, что кому-то удалось воссоздать всю последовательность возбуждения нейтронных сетей в мозгу поэта (в тот момент, когда он писал стихи), в вашем мозгу (в тот момент, когда вы прочли эти строки) и

90