2.2.2. Философские проблемы физики и химии
Философские проблемы естествознания – физики, физической химии, астрономии – показывают, что любой серьезный сдвиг в научном познании был подготовлен, прежде всего, накоплением принципиально новых научных фактов. Но само преобразование старой теории или создание новой начинаются чаще всего с неудовлетворенности прежними понятиями и принципами. Наиболее показательной в этом смысле является физика как флагман естествознания, которая занимается изучением свойств материи и различных видов энергии. Из школьного курса физики нам хорошо известны связанные с движением материи такие свойства, как скорость, ускорение и момент наряду с кинетической и потенциальной энергией. Однако ни в школьном, ни в университетском курсе этой дисциплины ничего не говорится о природе самой массы, присущей большинству форм материи. Почему не всем частицам присуща масса (покоя)? Одни элементарные частицы обладают массой, а другие нет. С чем связано существование массы? Кажется элементарно – с количеством содержащегося в теле вещества. Вещество это набор атомов, которые состоят из электронов, протонов и нейтронов. Электроны – элементарные частицы (несоставные), чего нельзя сказать о протонах и нейтронах. Они состоят из кварков, и, скорее всего, они и есть истинно элементарные частицы. В начале ХХ века Эрнст Резерфорд, изучая альфа-частицы, построил модель атомного ядра. Атом состоял из ядра с положительно заряженными протонами и нейтральными нейтронами (хотя в то время экспериментальными изысканиями физики опытного подтверждения существования нейтронов еще не было получено), вокруг которых и обращались электроны.
Означает ли такое предположение, что мы дошли до края предельного основания мира? Здесь, скорее всего, должен быть отрицательный ответ. Положительный ответ заключается в философском следствии из этого вопроса: существует предел нашим знаниям о предельных основаниях бытия мира.
В это же время находит решение проблема, занимавшая умы многих физиков, – проблема природы света. Немецкий физик Макс Планк выдвинул предположение, что свет передается определенными порциями, которые были названы квантами. Действие света больше напоминало поведение частицы, нежели волны. Поэтому распространение представления о квантах на атомы привело к созданию квантово-механической модели атома. Теория выдержала проверку спектроскопией. Свет имел двойственную природу, он мог проявлять себя как волна или как частица. Далее потребовалось квантовую механику объединить с другой теорией начала ХХ века – теорией относительности А. Эйнштейна. Это было сделано английским физиком Полем Дираком. Из теории Дирака следовал вывод о существовании новой элементарной частицы – позитрона. Вскоре Энрико Ферми выдвинул теорию слабого взаимодействия, предсказавшую существование еще одной элементарной частицы. Ферми назвал ее нейтрино. Итогом всех этих усилий стал настоящий бум элементарных частиц15. Во второй половине ХХ века Мари Гелл-Ман и Джордж Цвейг независимо друг от друга предложили новый подход. Все адроны, оказывается, состоят из трëх более мелких частиц и соответствующих им античастиц. Гелл-Ман назвал их кварками, заимствовав название из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где герою в снах часто слышались слова о таинственных трëх кварках. Кроме новых частиц были открыты новые поля. Понятие поля было сформулировано Фарадеем при изучении электрических и электромагнитных явлений. К уже известному гравитационному и электромагнитному полям16 добавилось ядерное поле с сильным и слабым взаимодействием сил. Физическая теория поля показала, что кроме элементарных частиц еще более элементарным видом материи является поле. Поэтому в конце ХХ века в физике появилась так называемая стандартная модель, опирающаяся на мощный математический аппарат, которая перевернула привычное представление об основе мира, идущее еще с античности. Основой стандартной модели стало представление о том, что «первокирпичиком» мира являются вовсе не частицы, а поля. Вначале полю отводилась служебная роль, но вскоре оно стало играть ключевую позицию в современной физике.
Согласно стандартной модели:
- исходными кирпичиками материи являются поля;
- крошечные сгустки энергии (кварки или лептоны) проявляются при перенесении квантовых законов на поля;
- частицы взаимодействуют между собой посредством обмена с другими сгустками энергии (бозонами), которые невозможно наблюдать ввиду ограничений накладываемых принципом неопределенности (В. Гейзенберг).
Итак, классическая картина дальнодействующих сил сменилась взаимодействием, обменом виртуальными сгустками энергии (прежде волнами) между квантованными жгутами энергии поля (прежде частицами). Здесь наблюдается полный разрыв с прежними представлениями о строении мира. Подробнее с этой проблемой можно познакомиться в работе А. Уиггинса и Ч. Уинча «Пять нерешенных проблем науки»17. Частицы и поля в классической физике считались различными видами материи, тесно связанными друг с другом, но различающимися по своим свойствам. Но обе формы материи обладают такими важными физическими характеристиками, как масса, энергия и импульс. Поэтому, иногда можно встретить мнение, что с появлением корпускулярно-волнового дуализма разделение частицы и поля потеряло свой смысл. Действительно ли это так?
Несмотря на очень большие достижения в физике, стандартная модель имеет и серьезные недостатки. Самая серьезная критика модели заключается в том, что она не учитывает тяготения и требует, чтобы масса, заряд и другие свойства частиц измерялись опытным путем для последующей подстановки в уравнения.
Тем более, что сама проблема происхождения массы остается крупнейшей философской проблемой современной физической теории. Во второй половине ХХ века шотландский физик Питер Хиггс и его последователи предположили существование некоего вездесущего поля, позже получившего названия поля-Хиггса. Все взаимодействующие с полем-Хиггса частицы приобретают вследствие этого взаимодействия массу. Однако до сих пор, несмотря на все усилия, подтвердить экспериментальным путем существование этого поля не удалось. В современной естественнонаучной литературе все чаще встречаются революционные выводы: нужна новая физика. Как уже было показано ранее, в естествознании такие революции происходили неоднократно.
В физике, которая всегда была флагманом естествознания, это было переосмыслением таких понятий, как «инерция», «скорость», «ускорение» – что помогло Галилею заложить основы классической механики, а Ньютону развить их в классическую физику. У Эйнштейна возникла необходимость переосмыслить основные понятия Ньютона «абсолютное пространство» и «абсолютное время» – в результате чего и были заложены основы релятивистской физики18. В современном естествознании проблемы философского характера возникли с развитием квантовой физики, квантовой химии, синергетической физики, синергетической химии. Решение этих проблем во многом связано с развитием дальнейших представлений о пространстве и времени и их взаимосвязи с материей. Эти изменения связаны с экстраполяцией принципов общей теории относительности (ОТО) на квантовую механику. Одним из основных постулатов общей теории относительности является гравитационное уравнение Эйнштейна, в котором правая часть есть обозначение физической величины, выражающей материю – энергию – импульс. А левая часть выражает геометрические свойства четырехмерного пространства-времени. Таким образом, уравнение Эйнштейна описывает одновременно и гравитационное поле, и геометрию пространства-времени. Отсюда следует важнейший вывод. Установление зависимости гравитационного поля, а через него и пространства-времени от распределения в нем материальных масс является важнейшим фактором не только в физическом, но и в общем философском плане19. В этом смысле уравнение Эйнштейна следует рассматривать как математическое выражение диалектического принципа, утверждающего, что пространство и время как формы существования материи должны быть неразрывно связаны с материей и ее свойствами. Это значит, что общая теория относительности в решении проблемы пространства и времени отличается от классической физики. Следовательно, общая теория относительности является новым подтверждением корректности диалектико-материалистического учения о неразрывной взаимосвязи пространства и времени с движущейся материей. Согласно теории относительности сокращение длин и замедление времени наблюдаются даже в рамках одной и той же системы отсчета, при переходе от одних точек системы к другим. Например, во всех точках, расположенных ближе к центру материальной системы, гравитационное поле сильнее и, следовательно, время будет течь медленнее, а длины отрезков короче, чем в точках, более удаленных от центра гравитации. В ХХ веке создание «ядерных часов», обладающих большой точностью, позволило установить, что у поверхности земли время течет медленнее, чем, скажем, на вершине самой высокой горы мира.
В популярных изданиях для иллюстрации новых представлений о пространстве-времени используют образ сцены, на которой происходят все физические явления. Это своего рода спектакль, напряженность действия которого искривляет саму сцену, т.е. геометрию пространства. Искривленное пространство-время уже не является однородным и изотропным, как это представлялось Ньютону. Это положение (кривизна) интересно не само по себе, а в его коррелируемости с физическими явлениями. Во время спектакля, напряжение действия на сцене меняет не только геометрию сцены, но воздействию подвергаются и физические явления (предметы, вещи, процессы, отношения), находящиеся в данном пространстве-времени.
Поэтому наиболее интересным и с философской точки зрения, и с научной является вопрос о том, как соотносятся законы сохранения с кривизной пространства-времени. Следует сказать, что именно из-за этого вопроса многие физики возражали против эйнштейновской теории тяготения. Советский физик А.А. Логунов вообще считал, что эту теорию пора сдавать в архив науки, а нобелевский лауреат Ф. Ленард (получивший премию за эксперименты в противовес эйнштейновской теории относительности) вообще называл ее «математической стряпней».
Давайте посмотрим, из-за чего возникает проблема. Поскольку речь идет о физических законах, то они должны быть универсальны. Независимость физического описания от используемой инерциальной системы отсчета (в чем легко узнать первый постулат специальной теории относительности) – это свойство физики. И опять-таки, согласно принципу теории относительности, их универсальность естественно связать с универсальностью пространства-времени для всех физических явлений. В свете известной всем физикам теоремы Нетер становится понятен секрет законов сохранения: ведь в них речь идет не о произвольных свойствах физических систем, а о свойствах их движения, т.е. зависимости их пространственных координат от времени, или о пространственно-временных свойствах. Однако даже в самой теории относительности пространство и время понимаются по-разному. В СТО – пространство-время плоское (плоскость листа бумаги хорошо иллюстрирует его образ). Если представить себе огромный чистый лист бумаги, то вряд ли можно усомниться в его симметричности. Все положения любой фигуры на этом листе (пространстве) будут эквивалентны, симметричны. Чтобы посмотреть, как меняется ситуация в ОТО, этот лист бумаги надо смять в комок, и мы получим наглядное представление о пространстве-времени, точнее об отсутствии какой-либо симметрии. По этому пространству-времени перемещение системы отсчета, нужное для теоремы Нетер (три линейки скрепленные нулями перпендикулярно друг к другу и часами в «точке» их соединения), становится невозможным. Даже если мы «найдем» относительно ровный участок листа и устроим на нем систему отсчета, то все равно в какой-то момент времени оси координат «вылезут» за пределы пространства-времени. И где же они окажутся? В другом мире? Поэтому-то некоторые физики и возражают против теории Эйнштейна, так как создается впечатление, что в таком пространстве-времени законы сохранения «не работают».
О каких законах идет речь? Самый известный из школьного курса физики – закон сохранения энергии и импульса, менее известен закон сохранения момента импульса, хотя проявления этого закона известны даже малым детям по вращению юлы, и, наконец, закон сохранения движения центра масс. Вместе с учетом векторного характера трех законов получается 1+3+3+3=10. Почему десять? Объяснить можно размерностью пространства-времени. Одновременно мы обнаружим, что вопрос о законах сохранения неразрывно связан с понятием «система отсчета», или «система координат». Легко понять, что изменение системы отсчета влечет за собой изменение энергии и импульса. Что это дает нам относительно искривленного пространства-времени?
Во-первых, если в плоском пространстве перемещения легко разделяются на поступательные и вращательные, а десять сохраняющихся величин – соответственно на энергию, импульс, и момент импульса, то в общем случае (ОТО) подобное разделение невозможно в принципе из-за кривизны пространства. Однако это не мешает, в согласии с тем же принципом соответствия, говорить о законе (точнее о 10 законах вместе) сохранения энергии-импульса-момента импульса.
Во-вторых, в общем случае искривленного пространства-времени мы получаем, собственно, не десять законов сохранения, а десять уравнений баланса. Если закон сохранения энергии утверждает, что энергия данной области пространства не меняется со временем, то уравнение баланса приравнивает изменение энергии в данной области ее утечке или притоку через границу области. И это не так уж мало. Ограниченное значение законов сохранения в ОТО – это цена, которую пришлось заплатить за геометризацию гравитационного взаимодействия.
А что влечет за собой искривление времени? В течение многих веков время рассматривалось людьми как нечто неизменное, вечное и ни от чего не зависящее. Именно таковы свойства «абсолютного времени» И. Ньютона. Ньютоновская механика, рассчитывающая движение небесных тел, предсказывающая наступление солнечных и лунных затмений с точностью до долей секунды, как бы подтверждала эту вековечную истину. Время одномерно, линейно и движется от прошлого через настоящее к будущему, поэтому оно одинаково всегда, везде и для всех.
Стоит ли удивляться тому шоку, который испытали не только обыватели, но и учëные мужи, когда А. Эйнштейн заявил, что в соответствии с принципом относительности время зависит от скорости движения тела. Пассажиры стремительно несущегося поезда будут фиксировать расхождение в показаниях их хронометров и хронометров, расположенных на привокзальном перроне. При увеличении скорости движения время замедляет свой ход. Отсюда знаменитый «эффект близнецов», которым А. Эйнштейн иллюстрировал феномен искривления времени. Замедление течения времени связано именно с его искривлением. Прямая всегда короче кривой, поэтому, чем выше скорость движения материального объекта, тем больше искривление и тем медленнее время. Для человека, оставшегося на перроне, и человека, находящегося в поезде время течет по-разному. Для первого – быстрее, и близнец, оставшийся дома, постареет, в то время как близнец-путешественник, находящийся в ракете, останется молодым, так как его время течет намного медленнее. Разумеется, чтобы это продемонстрировать так наглядно, необходимо, чтобы скорость движения ракеты была близка скорости света, которая, как известно, по принципу относительности остается постоянной независимо от системы отсчета. Значит, время только кажется неизменным, на самом деле на него, как и на поток воды, действуют силы тяготения. Чем они сильнее, тем более вялотекущим становится время. Если сравнить время с рекой, то под действием тяготения река времени утрачивает прямолинейный характер движения и начинает изгибаться, скручиваться. Не случайно же на три пространственных координаты приходится одна временная. Время в формулах теории относительности всего лишь одна из четырех равноправных величин. Каждый может представить себе, как искривляется прямолинейный отрезок вдоль оси Х, У или Z. Для временной оси все происходит по аналогии с пространственной. Теперь понятно, что замедляет ход времени в движущейся ракете – силы инерции. Чем они больше, тем больше скорость автомобиля или ракеты и тем заметнее сдвиг времени, отсчитываемого часами первого и второго близнецов. В полях тяготения время течет очень медленно, время жизни материальной системы обусловливается во многом гравитационным полем: чем слабее гравитационное поле, тем меньше срок жизни. Следовательно, временем можно управлять? Машина времени из фантастических романов переместится в реальность? Практика нас убеждает в том, что если какая-то возможность разрешена силами природы, то ее осуществление является вопросом времени. Но как решить эту задачу – вопрос пока открыт для исследователей. Мы научились генерировать электромагнитные поля – в виде света, радиоволн, лучей лазера, нейтринных лучей, но как построить генератор гравитационного излучения, который бы увеличивал или напротив уменьшал силу всемирного тяготения, – этого пока не знает никто. Кстати, в Дубне в этом направлении ведутся исследования.
Правда, есть еще одна возможность заменить силу гравитации силой инерции. Такие силы мы создавать умеем. Однако тут проблема иного рода – необходимо создать твëрдое топливо, которое бы могло разогнать ракету до скорости, близкой к скорости света. На эту установку понадобится огромное количество энергии. Ресурсов известных нам источников энергии, включая ядерную и термоядерную, для этого недостаточно. Поэтому практическое осуществление «скачков» во времени дело будущего. Над этим тоже ведется серьезная работа. Один из проектов – использовать для этого фотонную ракету, испускающую реактивную струю мощного светового излучения, а в качестве горючего использовать улавливаемые с помощью огромных зонтов-пылесосов космическую пыль и газы, имеющиеся в астрономически бесконечных кладовых Вселенной.
Таким образом, когда говорят о современном естествознании, то обычно имеют в виду несколько фундаментальных концепций, возникших в ХХ веке, – теорию относительности, квантовую физику и квантовую космологию, астрофизику, химию. Как видим, химия не является исключением из этого «правила», хотя в проблемном пространстве философии науки химические проблемы, по сравнению с астрономическими, физическими проблемами, занимают более скромное место. Химия занимается изучением строения вещества (как живого, так и неживого) и происходящих с ним превращений. Это указывает на ее глубокую связь с другими естественными науками и, прежде всего, такими, как физика и биология. Хотя химия, конечно, иначе, нежели физика или биология, рассматривает «общий» предмет исследования – вещество. Поэтому в ее структуре также выделяются несколько фундаментальных концепций, связанных с центральной идеализацией химии (основным ее понятием), – химическим элементом. Имеются в виду вопросы, касающиеся объединения атомов, их количества, скорости реакции, величины поглощаемой или выделяемой энергии. А также процессы превращения молекул при взаимодействиях и при воздействии на них внешних факторов (теплоты, света, электрического тока, магнитного поля), во время которых образуются новые химические связи. Однако прежде чем говорить о философских проблемах химии, напомним, с чего начиналась химия как научная дисциплина.
История возникновения и развития химии20 показывает, что до последней четверти XVІІІ века химия базировалась на теории флогистона. Для объяснения процессов горения ученые привлекали некую субстанцию – своеобразное начало «горючести». Считалось, что хорошо горят те тела, которые содержат много флогистона. Натурфилософское учение о флогистоне занимало главенствующее положение в химии более ста лет, тем более, что эта теория находилась в согласии со многими укоренившимися представлениями и, прежде всего, с пониманием горения как процесса распада вещества, идущего еще из физики Аристотеля.
Благодаря исследованиям выдающегося французского ученого Антуана Лорана Лавуазье эта теория была опровергнута. В своей книге «Небольшие работы по физике и химии» он впервые выдвинул идею об участии атмосферного воздуха в процессе горения, поскольку кислород тогда еще не был известен. Спустя три года он развил эту идею в работе «Общее рассмотрение природы кислот и принципов их соединения». Он доказал, что теорию флогистона, хоть она и объясняла кое-что в явлениях горения и кальцинации, нельзя признать научной. Лавуазье установил очень важное положение, увеличение массы обжигаемого металла происходит в результате присоединения к нему определенной части воздуха. Здесь же была выдвинута идея о том, что все кислоты состоят из радикала и окисляющего кислотообразующего начала – «оксигена», то есть кислорода. В конце XVIII века он окончательно опроверг натурфилософскую теорию флогистона в работе «Размышление о флогистоне». Тем не менее до середины XIX века химия не видела общих закономерностей в различных химических элементах. Химии был присущ рецептурный характер, поэтому проблема вписывания химических представлений в идеалы и нормы рациональности стояла очень остро.
Исторический анализ показывает, что для химии предпосылочным знанием была алхимия21, которая в той или иной степени была адекватна натурфилософской парадигме естествознания. Поэтому неудивительно, что химия опиралась на теорию флогистона. Однако уже в Новое время научная программа Бойля, Лавуазье, Дальтона, Берцелиуса способствовала формированию классической картины химической реальности. К середине XIX века натурфилософские представления в химии были преодолены. Деятельность Дмитрия Ивановича Менделеева, его периодическая система химических элементов завершили процесс становления химии как системной, обоснованной и доказательной науки. В процессе развития химии как научной дисциплины в нее входили следующие системы: учение о химических элементах и составе вещества (периодическая система элементов Д.И. Менделеева); структурная химия (учение о строении органических и неорганических соединений, кристаллохимия и т.п.); учение о химическом процессе (кинетика и теория катализа). Процесс формирования химии был очень непростым, кризис классической рациональности не мог не вызвать кризиса и классической химии. На изменение представлений о химической реальности повлияло становление квантово-химической теории. Процессы эволюционизма затрагивают и химию. Во второй половине XX века синергетическая парадигма способствовала появлению нового образа мышления: кроме квантовой химии, эволюционной химии, появляется синергетическая химия – химия самоорганизации, концепция диссипативных структур И. Пригожина22.
Фундаментальные проблемы современной химии связаны с дифференциацией внутри самой дисциплины и с интеграцией с пограничными областями естествознания: квантовой физики, синергетики. В начале ХХ века швейцарский химик (нобелевский лауреат) Альфред Вернер создает координационную теорию комплексных соединений. В химических «комплексах» вокруг центрального ядра группируются в большом количестве атомы, радикалы и даже молекулы из-за возникновения так называемых вторичных валентностей. На основе его теории в наши дни объясняется химическое строение таких веществ, как гемоглобин, хлорофилл, ферменты, лаки. Занимаясь изучением структур неорганических соединений, он обнаружил ранее предсказанные оптически активные неорганические изомеры – соединения железа, кобальта и хрома. Другой важной частью химии является проблема самопроизвольного развития химической реакции, условия ее возникновения и характер протекания. Развитие квантовой химии позволило рассмотреть на микроуровне протекание реакций, отдельные молекулы и их электронные структуры. Открытие и исследование цепных реакций явилось крупным достижением химической теории и практики. Примером цепной реакции является реакция деления ядер урана, происходящая аналогично химической реакции, только вместо закона сохранения масс действует закон сохранения и изменения энергии (и массы). Примеры превращений энтропии и энергии в химических реакциях, происходящих с поглощением и выделением тепла, показывают, что нагреванию можно противопоставить охлаждение, или упорядочение структуры. Иначе говоря, химическое охлаждение может сопровождаться притоком тепла11.
Хотя химии и удалось решить много проблем, но очень важная проблема – какого рода химические реакции способствовали тому, что на раннем этапе развития Земли атомы образовали сложные системы взаимодействующих молекул – не решена. Один атом углерода содержит в себе тайну сложности живых систем. Занимающаяся изучением углеродных соединений область химии получила название органической химии из-за господствовавшего раньше мнения, что лишь живые (органические) системы способны порождать подобные молекулы. В современной химии теория синтеза химических соединений позволяет создавать такие системы искусственным путем. Молекулы на основе углерода изначально были простыми, но способность углерода к связыванию, их гибкость позволяли им усложняться, что в итоге и привело к образованию жизни. Но все же какие химические реакции подтолкнули атомы к образованию первых живых систем, еще предстоит решить22.
В заключение скажу, что развитие современной химии обнаруживает, по меньшей мере, две тенденции. Первая тенденция связана с внедрением в химию физических идей и методов (физическая химия). Вторая тенденция обнаруживается в эволюции концептуальных схем химии.
|