CC BY
394
ЭПИСТЕМОЛОГИЯ & ФИЛОСОФИЯ НАУКИ • 2014 • Т. XL • №2
П
РОБЛЕМА РЕДУКЦИИ ХИМИИ К ФИЗИКЕ: ДИАЛЕКТИКА VS АНАЛИТИЧЕСКАЯ ФИЛОСОФИЯ
1
Александр Александрович Печенкин - доктор философских наук, профессор кафедры методологии науки философского факультета МГУ. E-mail:
Речь пойдет о возможностях диалектики и аналитической философии при интерпретации соотношения химии и физики (более точно - при интерпретации соотношения теории химической связи и валентности и квантовой механики). Какая из этих концепций обеспечиваетто, что можно было бы назвать прогрессивным сдвигом проблемы, т.е. делает вопрос об этом соотношении более ясным и интересным?
Ключевые слова: Философия природы, механизм, химизм, диалектика природы, формы движения материи, редукция теории, правила соответствия, функция замещения, реализм, инструментализм.
Te
E DIALECTICS OF THE CORRELATION OF CHEMISTRY
AND PHYSICS
Alexander Pechenkin -
doctor of philosophical sciences, professor at the Department of Methodology of Science of the Philosophical Faculty of Lomonosov Moscow State U.
In our philosophy the problem of the reduction of chemistry to physics has been traditionally treated from the point of view of the concept "the form of motion of matter". In the long run this position is tautological: chemistry studies chemical phenomena. The present article treats the problem of the reduction of chemistry to physics by basing on the concepts - "hypothetico-deductive theory", "the ontological reduction", "the scientific realism". Our analysis is not talking about how nature works , but allows us to clarify the structure of scientific knowledge.
Key words: philosophy of science, reduction, chemistry, physics, scientific realism.
1. Диалектика соотношения химии и физики
Чтобы не растекаться мыслью по древу, под диалектической трактовкой соотношения физики и химии будем иметь в виду ту трактовку, которая присутствует в отечественной литературе. Сложившаяся под влиянием диалектического материализма отечественная философия науки тяготела к построениям, которые можно проследить до «Философии природы» Г.В.Ф. Гегеля и «Диалектики природы» Ф. Энгельса. В основе этих построений лежало понятие «форма движения материи», присутствовавшее у Энгельса. Наши философы также опирались на иерархическую схему форм движения, которую приводил Эн-
1 Статья подготовлена при поддержке РГНФ, проект № 12-03-00641.
Case-studies - Science studies 157
гельс: механическая, физическая, химическая и биологическая. Механическая - движение макроскопических тел, физическая - движение молекул, химическая - движение атомов (при котором происходит преобразование молекул), биологическая - жизнь - способ существования белков (существенным моментом здесь является обмен веществ с окружающей средой).
Одной из определяющих особенностей гегелевской «Философии природы» был антиредукционизм, вытекающий из признания наличия «сфер, или ступеней природы» [Огурцов, 1975: 601]. Антиредукционизм предполагал критику механицизма. Но эта критика оборачивалась также и «отрицанием возможности анализа более высокого уровня методами, которые соответствовали нижележащему уровню организации природы». В результате Гегель приходил к «критике научного анализа природы» вообще [Огурцов, 1975: 602].
Антиредукционизм присутствует и в «Диалектике природы» Энгельса. «Каждая форма движения всегда необходимым образом связана с каким-нибудь действительным механическим (внешним и молекулярным) движением, подобно тому как высшие формы движения производят одновременно и другие формы движения и подобно тому как химическое действие невозможно без изменения температуры и электрического состояния, а органическая жизнь невозможна без механического, молекулярного, химического, термического, электрического изменений. Но наличие этих побочных форм не исчерпывает существа главной формы в каждом рассматриваемом случае» [Энгельс, 1955: 197].
Правда, следует иметь в виду, что «Диалектика природы» неоконченное произведение. Энгельс, по-видимому, не сказал в нем всего, что планировал сказать. Интерпретация «Диалектики природы» - нечто большее, нежели интерпретация законченного произведения. Возьмем, однако, за основу ту интерпретацию, которую ф предлагал Б.М. Кедров. Эта интерпретация была, по-видимому, ^ весьма авторитетной в марксистской философии. Кедров решал две ф задачи. Во-первых, он систематически излагал учение Энгельса о О формах движения материи. Во-вторых, он осовременивал это учение, рассматривая его в связи с тем развитием естествознания, кото-ад рое имело место в первой половине XX в. [Кедров, 1962; 1971: ® 265-283].
Кедров полностью сохранял антиредукционизм Энгельса. Природа и соответственно наука предстает у него как иерархия, лестница. Ф Кедров, правда, подробнее, чем Энгельс, объяснял «побочные», «низшие» формы движения, которые присутствуют в «главных» и «выс-ф) ших». Но он неизменно подчеркивал, что «высшее» не может быть сведено к «низшему», а «главное» к «побочному».
Ф
V 3
(а
Одно из самых серьезных испытаний, с которыми столкнулась идея форм движения материи, было преобразование химии на основе квантовой механики, состоявшееся в 1930-1950-х гг. Во-первых, у Энгельса физика - это форма движения молекул (молекулярная физика). Двигаясь в глубь материи, мы приходим к движению атомов, т.е. к химии. Далее у Энгельса идет биологическая форма движения, рассматриваемая как результат эволюции химической формы движения. Для квантовой механики просто нет места.
Во-вторых, квантовая механика (физическая теория) преобразила химию. Центральные понятия химии - «валентность», «химическая связь» - получили квантовую трактовку. Началась эра квантовых расчетов. В середине 1960-х гг. P.C. Малликен даже провозгласил приближение эры «рассчитывающих химиков», которые сотнями, если не тысячами, пойдут не в лаборатории, а к «вычислительным машинам» [Малликен, 1968: 606]. Возможно, Малликен преувеличивал. Но фактом является то, что появилась химическая дисциплина - квантовая химия, причем фундаментальная химическая дисциплина. В отличие от химической термодинамики, электрохимии и других областей физической химии квантовая химия образовывала общую концептуальную и исследовательскую базу почти всех областей химии.
C первой трудностью удалось справиться, приняв идею «химического клина» между двумя частями физики. Соответственно химической формой движения стали называть атомные процессы, отличные, с одной стороны, от процессов, описываемых молекуляр-но-кинетической теорией строения материи, а с другой стороны, от атомных и субатомных процессов, описываемых квантовой механикой и, далее, квантовой электродинамикой. Вторая трудность решалась опять же путем различения главной и побочной форм движения материи. «Отношение квантовой механики к химии, к химическому движению, - писал Кедров, - напоминает отношение статистики к экономической науке: качественный, экономический анализ явления дает экономическая наука, и если он не дан предварительно, ни- ф какие статистические подсчеты не в состоянии дать правильную Ji картину развития того или иного процесса в жизни общества» [Кед- ф ров, 1962: 334]. "5
В советской философской литературе шла активная дискуссия о
ф
(л
соотношении форм движения материи. Выше цитировались сочинения Кедрова, который с большей аккуратностью, нежели некоторые иные философы, описывал развитие естествознания. Но идею химической формы движения обсуждали Е.Ф. Солопов [Солопов, 1963;
(О
1973], A.M. Руткевич [Руткевич, 1957; 1954], В.А. Штофф [Штофф, ф
1962] и др. (сошлемся на более близкие нам по времени публикации - И
Т.С. Васильева, В.В. Орлов [Васильева, 1983], Е.Ю. Смотрицкий, (Jf) В.И. Шубин [Смотрицкий, 1999]). Все они исходя из принципа иерар-
хического строения природы подчеркивали, что недопустимо сводить высшее к низшему и основное к побочному. Споры шли о деталях. Идея иерархичности, «лестницы» не ставилась под сомнение (как и в современных публикациях, написанных в русле марксистской традиции).
Все же нельзя было не учитывать мнение тех, кто профессионально занимался квантовой механикой и квантовой химией. Они же большей частью подчеркивали сводимость химии к физике, во всяком случае сводимость в принципе, в идее. Решающим было высказывание одного из классиков - П.А.М. Дирака, который уже в 1929 г. писал о том, что «общая теория квантовой механики закончена. Решающие физические законы, необходимые для математической теории большей части физики и всей химии, известны полностью, и трудности заключаются в том, что точное приложение этих законов ведет к слишком сложным для решения уравнениям» [Бкак, 1929: 714].
Имея в виду позицию сторонников категорий, введенных Энгельсом, М.Г. Веселов писал в 1962 г.: «Обычно утверждается, что квантовая механика является физической теорией и поэтому она не может отразить специфику химической формы движения. Этот взгляд мы считаем неправильным. Квантовая механика в принципе содержит в себе возможность правильного объяснения всех явлений, происходящих в электронных оболочках любых систем, независимо от числа входящих в систему атомов, и потому она является теорией как физических, так и химических элементарных явлений» [Веселов, 1962: 213].
Обзор полемики по вопросу соотношения химии и физики, проходившей в 1960-1970-е гг., содержится в книгах автора настоящего Ц текста [Печенкин, 1976; 1986]. Надо все же заметить, что в начале 1950-х гг. эта полемика не была безобидна: в 1951 г. состоялось Все-Ф союзное совещание по вопросам теории строения в органической хи-ф мии, где была подвергнута уничижающей идеологической критике одна из теорий, входящих в квантовую химию, - теория резонанса
о
ф (эта была качественная теория: главное место в ней занимали не расО четы, а развитие химической символики - многоформульное представление одной и той же молекулы). Заодно критиковалась и кванто-Ф вая химия в целом: эта теория была виновата, в частности, в редук-® ционизме - в сведении высшей формы движения (химической) к низшей (физической) (обзор этого совещания см.: [Печенкин, 1991; РесЪепкт, 1995]).
Ф Критика теории резонанса закончилась, как и большинство идео-
логических кампаний, имевших место в советской науке (биология и ф) гуманитарные науки здесь не имеются в виду). В конечном итоге победила академическая наука, победили специалисты по квантовой хи-
мии, развивавшие расчетные методы этой науки и ее концептуальный аппарат.
Уже в начале 1960-х гг. допускались весьма едкие замечания по поводу концепции главных и побочных форм движения материи. «Мне непонятно, - говорил A.A. Марков, - как могут физические законы отойти на второй план... Будем рассматривать живой организм. Он состоит из элементарных частиц, которые группируются в атомы, молекулы. Физические законы, которые управляют этой системой, сохраняют силу. Но вместе с тем на них "накладываются" биологические законы. Бедная молекула! Что же ей тогда делать? Каких законов слушаться - физических или новых биологических?» [Марков, 1964: 168-169]. Далее Марков писал, что выведение биологических законов из физических - идеал, к которому надо стремиться. Естественно, этот идеал предполагает, что и химические законы в принципе выводимы из физических.
Критика энгельсовской концепции форм движения материи была, конечно, проявлением свободы. Не всякий был на нее способен. Но вместе с тем эта критика была и формой зависимости: сама по себе она не несла каких-то новых конструктивных методологических идей и разработок.
Философская позиция, способная пролить свет на соотношение физики и химии, лежала совсем в иной плоскости, нежели идеи Энгельса и его комментаторов и «продолжателей дела». Это была позиция логического эмпиризма. Она позволяла заменить вопрос, сводится или не сводится химия к физике, на вопрос, как взаимодействуют эти науки. Более точно, она позволяла перенести вопрос о соотношении физики и химии в эпистемологическую плоскость, в плоскость теории научного знания, его структуры и функций. Логический эмпиризм не строит теории того, как устроена природа, он говорит о том, как устроено знание. В отношении вопроса о взаимосвязи химии и физики логический эмпиризм оперирует такими выражениями, как: «выводятся ли химические законы из физических?»; «что надо допол- ф нительно предположить, чтобы такая дедукция была возможна?»; —
«какова структура квантовой химии?». В его арсенале концептуальный аппарат логики и идея об обязательной эмпирической фундиро-ванности научного знания.
2. Химия и физика с точки зрения межтеоретических отношений
ф
ф
о со
(л ф
(О
(О
В философии науки понятие сведения одной теории к другой ана- (ф лизировал Э. Нагель [Nagel, 1961]. При этом он исходил из «стандарт-
ной» модели научной теории (у нас ее обычно называют гипотети-ко-дедуктивной): научная теория есть дедуктивная система, построенная иерархически, - в ней из исходных общих предложений, представляющих научные законы высшей общности (их можно назвать аксиомами или постулатами), следуют предложения средней общности, а из них предложения, выражающие факты. Скажем, из законов Ньютона следует предложение средней общности: «наибольшая дальность полета камня, брошенного под углом к горизонту, достигается при угле бросания 45°». Из этого предложения в свою очередь дедуктивно следуют фактофиксирующие предложения, описывающие отдельные бросания.
Согласно Нагелю, редукция теории состоит в дедуктивном выводе исходных положений редуцируемой (сводимой) теории из той теории, к которой осуществляется редукция. Исходные положения редуцируемой теории, таким образом, становятся положениями средней общности в редуцируемой теории. Нагель также подчеркивал важный момент в редукции теорий. Эта редукция не может быть осуществлена без дополнительных построений. Необходимы «правила соответствия» (их называют также мостиковыми положениями), связывающие ключевые термины редуцируемой теории и терминологию той теории, к которой осуществляется редукция. О логической форме этих «правил соответствия» в логическом эмпиризме шли споры. Однако сам факт необходимости правил никто не оспаривал.
Нагель приводит простой пример редукции теорий: сведение феноменологического закона Бойля-Мариотта к кинетической теории газов. Он фактически воспроизводит тот вывод этого закона, который имеется в «Фейнмановских лекциях по физике», и подчеркивает, что д) вывод предполагает «правило соответствия», связывающее темпера-
Ъ ___________________«_____„ „ 3 ^ _ т2
со
10
туру газа со средней кинетической энергией молекул, т.е. — кТ = -
2 2 где к - постоянная Больцмана.
• т, ~ -
О Редукция химической теории валентности и межатомных связей
Ф к квантовой механике протекает в принципе по той же схеме. Однако О есть существенная оговорка. Эта редукция осуществляется с применением приближенных методов. Точное решение уравнения Шрёдингера возможно лишь для простейшей молекулярной систе-Ф мы - молекулярного иона водорода, да и то в приближении неподвижных ядер. Но химия здесь не находится в особых условиях. Скажем, физика твердого тела также выводится из квантовой механики при применении приближенных методов. С учетом сказанного мож-
но согласиться с авторами известного учебника, которые писали, что ф) «квантовая механика сводит проблемы химии к задачам прикладной математики» [Эйрингс, 1948: 6].
Итак, развитие квантовой химии может быть понято как вывод химических законов из законов квантовой механики (вывод, который приближенно можно охарактеризовать как дедукцию). Каковы же правила соответствия, которые обеспечивают эту дедукцию? Уравнение Шрёдингера (фундаментальный закон квантовой механики) связывает энергию микросистемы с ее строением, записанным в виде дифференциального оператора, входящего в левую часть этого уравнения. Химическая связь в доквантовой химии - это образование электронных пар (ковалентная связь) или притяжение разноименно заряженных ионов. Применение квантовой механики привело к энергетической трактовке химической связи. «Теория валентности представляет собой теорию вычисления энергии молекулы... Формулируя в самом общем виде, можно сказать, что причина образования молекулы из двух атомов заключается в понижении полной энергии при сближении атомов» [Коулсон, 1965: 19-20].
В несколько иных терминах: «Электронная структура и свойства молекулы в любом из ее стационарных состояний могут быть в принципе определены из решения стационарного уравнения Шрёдингера. Волновая функция (или функция состояния) ^(х1, х2, ..., хы), которая описывает электронное состояние молекулы, должна обладать определенными математическими свойствами. В частности, она должна быть "квадратично интегрируемой". Полная энергия молекулы должна быть отрицательной для химически связанной молекулы, и она также должна быть меньше суммы энергий отдельных атомов, из которых построена молекула, если молекула стабильна по отношению к диссоциации на атомы» [Мак-Вини, 1972: 9-12]. И далее: «Химическую связь можно объяснять как результат концентрирования электронной плотности в тех или иных областях в молекуле с результирующим понижением полной потенциальной энергии молекулы, что полностью соответствует интуитивным представлениям элементарной теории валентности» [Там же: 111].
фундаментальные положения квантовой механики - уравнение
Ф
V 3
О)
Квантовая химия имеет сложную структуру. В ее основе лежат ф
о
Шрёдингера, принцип суперпозиции, соотношения неопределенно- _Ф
стей. Кроме этих положений квантовая химия использует ряд общих О
- со дополнительных допущений, например гипотезу спина электрона.
Далее идут гипотезы, определяющие ту или иную версию квантовой ф химии. На заре квантовых расчетов в химии популярность получила версия, именуемая теорией валентных связей. Здесь принималось допущение, свойственное доквантовым электронным теориям, - хими- ^ ческая связь образуется за счет образования электронных пар (по- ф строенных из двух электронов с противоположными спинами). Что ^ значит это допущение в квантовой химии? Это значит, что волновая (ф функция молекулы строится на основе волновых функций, описы-
вающих пары электронов, ответственные за образование химических связей в этой молекуле.
Несколько позже получило распространение одноэлектронное приближение, называемое теорией молекулярных орбиталей. Здесь волновая функция молекулы (или группы электронов, ответственной за образование химической связи) берется в виде произведения одно-электронных волновых функций. При этом одноэлектронные волновые функции, удовлетворяющие уравнению Шрёдингера для атома, называются атомными орбиталями (иногда - орбитами), а одноэлек-тронные волновые функции для молекулы соответственно молекулярными орбиталями.
Каждая из этих версий может трактоваться как отдельная гипоте-тико-дедуктивная теория: к фундаментальным положениям квантовой механики добавляется еще одно положение, справедливое только в рамках данной версии. Из этой совокупности дедуктивно следуют положения, описывающие факты. Скажем, из уравнения Шрёдинге-ра, записанного для молекулы водорода, и гипотезы о том, что химическая связь образуется за счет возникновения электронной пары, следует утверждение, касающееся энергии связи в этой молекуле и соответствующее эмпирическим данным. В этом собственно состоял первый (или один из первых) квантово-механический расчет в химии, выполненный Гейтлером и Лондоном в 1927 г.
Мы, однако, не учли другие факторы, усложняющие структуру квантовой химии. Каждая из названных версий (теорий) имеет две подверсии (или подтеории): расчетную (количественную) и наглядную (качественную). Расчетная - это решение приближенных уравнений и оценка энергии связи и других параметров молекулы. При этом приближенные расчеты тоже различаются степенями приближения, бывают более или менее строгими. Наглядная квантовая химия - это диаграммы и формулы, а также понятия, выраженные не на языке математики, а на обычном разговорном языке (его также называют ф естественным языком в отличие от искусственного - языка математи-^ ки, впрочем, различение искусственных и естественных языков тоже ф условно).
О Только что речь шла о расчете энергии связи молекулы водорода,
выполненного Гейтлером и Лондоном в рамках теории валентных щ связей. Эта теория известна и своим наглядным вариантом, назван® ным теорией резонанса (эта теория упоминалась в § 1: в начале 1950-х гг. в советской науке проходила целая «антирезонансная кампания»). Теорию резонанса можно трактовать как теорию, развиваю-Ф щую классическую химическую символику. Еще в доквантовой химии использовалось многоструктурное изображение химического ф) строения молекул. Например, строение молекулы бензола изображалось в виде двух структур Кекуле (рис. 1).
ф
V 3
(а
НС = СН /4 3\ нсч5
Ч6
н н
н н
с —с
У4 зх
н
С 5
2 С
Н
\6 1 /
С - с
Н - н
Рис. 1
В теории резонанса многоструктурное представление химического соединения опирается на квантово-механический принцип суперпозиции, согласно которому всякое стационарное состояние может рассматриваться как суперпозиция (наложение) базисных состояний. Обычное устойчивое состояние любой молекулы является стационарным. В теории резонанса в качестве базисных принимаются гипотетические состояния, изображаемые классическими структурными формулами (или доквантовыми электронными формулами). Предполагается, что эти состояния могут вносить разный «вклад» в реальное строение химического соединения. В принципе чем больше классических структурных формул может быть написано для данной молекулы, тем выше ее стабильность.
Теория молекулярных орбиталей также существует в двух версиях. Ее количественная (расчетная) версия, известная как теория Хар-три-Фока, это эффективная теория расчета молекулярных структур, фактически вытеснившая расчеты по методу валентных связей. Теория молекулярных орбиталей (которая сама есть «подтеория» квантовой химии) нередко применяется в версии «молекулярная орбиталь -линейная комбинация атомных орбиталей», или сокращенно МО ЛКАО. Речь идет о том, что волновые функции, представляющие состояния электронов в молекуле, строятся как линейные комбинации волновых функций, представляющих состояния электронов атомов, входящих в молекулу.
Теория МО ЛКАО, однако, существует как в расчетном, так и наглядном (качественном) варианте. Последний состоит в построении диаграмм, изображающих, как молекула строится из атомов, точнее как состояния электронов молекулы слагаются из электронных состояний атомов. На рис. 2 приводится простая молекулярная (другое название - корреляционная) диаграмма, изображающая молекулу водорода.
За последние десятилетия получил распространение метод функционала электронной плотности. Этот метод был развит Р. Парром и соавторами в 1970-х гг. и генетически восходит к модели Томаса-Ферми, развитой непосредственно вслед за формулированием основ квантовой механики [Jensen, 2007: 232]. Электронная плотность -это плотность вероятности электрона находиться в той или иной точке (точнее, в малой окрестности той или иной точки) конфигурацион-
Ф
V 3
(Я ф
о
с
ф
о
со
(л ф
(О
ф
(а
Я
®
ного пространства молекулы. Функционалом (функцией от функции) электронной плотности является энергия молекулы, которая в методе электронных пар и молекулярных орбиталей рассматривается не как функция электронной плотности (и квантового состояния системы), а как функция квантового состояния системы. Решая соответствующие уравнения, можно анализировать структуру функции электронной плотности, точнее топологию электронной плотности молекулы (максимумы, минимумы, седло...). На рис. 3 показана достаточно простая «карта» электронной плотности для молекулы диоксида углерода С02.
— Е*
Е,
— Е,
МО н,
Рис. 2
К»
Ф
<0
Ф о
с
ф
о со
(О ф
(О ф
0)
(в
®
Рис. 3
Как и предыдущие методы, метод функционала электронной плотности редукционистский, поскольку базируется на дедукции (приближенной) химических структур из квантовой механики. Однако сводится ли химия (точнее, теория химической связи и валентности) к квантовой механике? Пока мы выяснили, как устроена эта дисциплина и как совершается процесс сведения химической теории к физике. Ответ на вопрос, который имели в виду Энгельс и Кедров (см. § 1), а именно вопрос о химических и физических областях природы,
вытекает из сказанного выше: если химические законы выводятся из физических, то и тот регион природы, который постигается в химии, оказывается лишь фрагментом физической природы. Однако что такое химические законы? Это утверждения об энергетических соотношениях, которые выполняются при образовании химической связи? Нет, понятийный аппарат химического учения о валентности и химической связи более богат: он включает представления о химической структуре, видах химических связей. Редукция химии к физике предполагала бы экспликацию всех этих понятий на базе физики.
3. Что еще говорит аналитическая философия по вопросу о редукции? Онтологическая редукция
Из этого, однако, не следует, что дальше пойдет какая-либо метафизика. Ресурсы аналитической философии еще не исчерпаны. Скажем, в работах В.О. Куайна речь идет об онтологической редукции: о замещении онтологии, свойственной теории, которая редуцируется, на онтологию той теории, к которой осуществляется редукция. Не вникая в строгие определения, которые дает Куайн, отметим, что кроме значений и денотатов теоретических терминов теория характеризуется еще и онтологией - совокупностью объектов, существование которых предполагает эта теория. Например, классическая механика в ее ньютоновской форме предполагает существование масс, сил, ускорений. Квантовая механика предполагает существование квантовых состояний физических систем.
В качестве примера онтологической редукции Куайн приводит редукцию пространственно-временной онтологии к онтологии четверок чисел [Quine, 1975: 219]. Эта редукция достигается посредством декартовских координат. Декартовские координаты служат тем, что ф Куайн называет функцией замещения. JÍ
Редукция как дедукция (о ней писал Нагель, см. § 2) сама по себе _Ф не предполагает онтологической редукции, при которой онтология редуцируемой теории замещается онтологией теории, к которой осуществляется редукция. В элементарных случаях это имеет место: так, при сведении макроскопических газовых законов к кинетической теории температура замещается средней кинетической энергией движения молекул. Но при редукции теории валентности и химической
ф
V 3
0)
о со
(О
связи такая редукция происходит локально. Ряд онтологических ф
представлений химии действительно замещает квантовая онтология. ®
Например, многоформульное представление строения молекулы, (ф применявшееся в классической химии, замещено в квантовой химии
«резонансом структур»: классические структуры Кекуле понимаются теперь как суперпозиция электронных структур (собственно теория резонанса - часть метода валентных схем, о котором речь шла в § 2).
«Классическая структурная теория, - писал один из создателей квантовой химии Л. Полинг, - развивалась на основе только химических фактов, без всякой помощи со стороны физики. Теория резонанса также находилась в процессе становления еще до открытия квантовой механики. Теория резонанса является частью этой структурной теории, которая имеет в сущности эмпирическую индуктивную основу, она не является просто областью квантовой механики» [Полинг, 1971: 134]. «Основное значение квантовой механики для химии, - писал он в другой своей работе, - состоит во внедрении новых идей, как, например, представления о резонансе между несколькими электронными структурами, сопровождающемся увеличением устойчивости» [Полинг, 1947: 5].
Однако понятийный аппарат, выражающий онтологию учения о химической связи и валентности, богат и разнообразен. Онтологическая редукция многоформульного представления молекулы к суперпозиции структур - лишь одна из линий концептуального развития химии.
Как обстоят дела с редукцией учения о координационной связи к квантовой механике? Квантовая химия координационных соединений - одна из важных областей квантовой химии. Как сказано в одной из основополагающих книг по координационной химии, «квантовая теория химической связи является в сущности разделом прикладной квантовой механики и вместе с теорией атома и твердого тела образует так называемую физику низких энергий (в отличие от физики высоких энергий, включающей теорию ядра и элементарных частиц)» [Берсукер, 1971: 7]. Но тот же автор пишет и о химических аспектах координационной химии [Там же]. Следо-Л) вательно, не все в понятийном аппарате координационной химии ф сведено к онтологии квантовой механики. «Химический аспект в изучении электронного строения и связей в многоатомных систе-
Ф
о
ф мах выражается также в анализе зависимости этих связей от элек-О тронного строения и свойств связывающих атомов, т.е. в исследо-^ вании генеалогии связей» [Там же: 8].
ад Сказанное подтверждают импликации понятия координацион-
® ной связи, проявившиеся при развитии супрамолекулярной химии (1970-1980-е гг.). Что такое супрамолекулярная химия? Это новый раздел химии - соединений без валентных связей. Супрамолекуляр-Ф ная химия имеет дело с частицами, сформированными по принципу информационных связей между их компонентами, по принципу своему) образной дополнительности, ярко проявившейся в строении ДНК (двойная спираль), - в них выделяются субстрат и рецептор, причем
рецептор «воспринимает», «ощущает» субстрат. В супрамолекуляр-ной химии различают координационные связи, вандерваальсовы взаимодействия, водородные и иные супрамолекулярные связи. Однако, как отметил один из классиков этой новой области химии, Дж. Лен, в своей нобелевской лекции, современная структурно-информационная теория синтеза может рассматриваться как обобщение классической теории комплексных соединений, где комплексообра-зователем (субстратом) необязательно служит ион переходного металла: в качестве такового могут выступать катионы, анионы и нейтральные органические молекулы [Lehn, 1988].
Супрамолекулярная химия генетически восходит к новейшему развитию биохимии. «Что такое супрамолекулярная химия? Лен определил ее как химию межмолекулярных связей, изучающую ассоциацию двух и более химических частиц... Она лежит за пределами классической химии, исследующей структуру, свойства и превращения отдельных молекул. Если последняя имеет дело главным образом с реакциями, в которых происходит разрыв и образование валентных связей, то объектом изучения супрамолекулярной химии служат почти исключительно невалентные взаимодействия - водородная связь, электростатические взаимодействия, гидрофобные силы, структуры "без связи". Как известно, энергия невалентных взаимодействий на 1-2 порядка ниже энергии валентных связей, однако если их много, они приводят к образованию прочных и вместе с тем гибко изменяющих свою структуру ассоциатов. Именно сочетание прочности и способности к быстрым и обратимым изменениям - характерное свойство всех биологических структур - нуклеиновых кислот, белков, ферментов, переносчиков частиц» [Пожарский, 1997: 32].
Формирование супрамолекулярной химии - предмет, достойный философского анализа. В настоящей статье речь, однако, идет о сводимости химии к физике. Выше было отмечено, что кроме редукции как дедукции существует онтологическая редукция. ф Дедукция теории химической связи из квантовой механики еще Ji не означает онтологической редукции - замещения химической ф онтологии физической онтологией. Более того, появление супра- О молекулярной химии показывает творческие возможности хими-
ческой онтологии. Химические концепции не только дополняют квантово-механические, их развитие ведет к появлению новых направлений химических исследований. Мы должны учитывать взаимосвязь учения о валентности и химической связи с кинети-
ф
V 3
0)
<д ф
(О
ческими теориями. Как писал еще в 1960-е гг. В.И. Кузнецов, тео- ф
рия химического строения испытывает влияние учения о химиче- ®
ском процессе. Навстречу физикализации химии идет ее биологи- (ф зация [Кузнецов, 1967: 258].
4. Научный реализм и вопрос о редукции
За последние несколько десятилетий в философии науки стал популярен термин «реализм». Уже Нагель (см. начало § 2) аттестовал себя как реалиста, но интенсивные дебаты между реалистами и их противниками развернулись в 1980-е гг. (например, полемика между Пат-нэмом и Ваном Фраассеном [см.: Фурсов, 2010]). Реалисты видят в теории не только инструмент предсказания, не только систематизацию данных опыта, но продукт познания реальности. Это не означает возврата к метафизике - к философскому конструированию картины мира. В философии науки работает научный реализм (близкий термин - реализм с человеческим лицом). Он утверждает реальность теоретических сущностей, причем реальность относительную: сущности, полагаемые теорией, реальны, поскольку принята данная теория, причем они реальны по отношению к той сфере фактов, которую эта теория описывает. Утверждение же о реальности, познаваемой в теории, но существующей до теории, отметается как метафизический реализм.
Выше речь шла об онтологии, полагаемой теорией, которая редуцируется. Онтология - это совокупность объектов, существование которых вытекает из данной теории. Однако существование может пониматься по-разному. Реализм предполагает реальное существование: соотношения между теоретическими сущностями могут трактоваться как истинные. С инструменталистской же точки зрения онтология лишь обеспечивает предсказания и описания эмпирических фактов.
В квантовой химии дебаты относительно реальности теоретических сущностей стали актуальны в связи с развитием метода «атомы в молекулах» (AIM). Этот метод возник в развитие метода функциона-"ф ла электронной плотности (см. конец § 2). «Новый наиболее строгий ^ метод разделения молекулярного объема на атомы - это метод AIM, развитый Р. Бадером. В подавляющем большинстве случаев этот метод показывает, что максимы электронной плотности оказываются на О ядрах (или близко к ним), что понятно, поскольку ядра - единствен-Ф ные источники положительного заряда. Ядра, таким образом, проявля-"ü ют себя как аттракторы электронной плотности» [Jensen, 2007: 321].
Реальны ли те атомы и химические связи, которые проглядываются на картах электронной плотности? Или же реальность принад-_Ф лежит молекуле как единой электронно-ядерной системе? Флизца в своей монографии утверждает, что «мы должны быть чрезвычайно осторожны в приписывании значения атомным зарядам. В подходе, известном как инструментализм, их можно рассматривать как полез-
Й ные идеи или полезные инструменты, чтобы объяснять, предсказы-(В ,
ф) вать и управлять нашим опытом» [Fliszar, 2009: 7]. «Несмотря на полезность метода атомы в молекулах, - говорится в методологической
(0 ф
со
(О
(О ф
статье Парра с соавторами, - невозможно наблюдать непосредственно атом в молекуле, мы не можем точно определить его параметры. Заимствуя термин "ноумен" из кантовской философии, мы видим, что он вряд ли применим к атомам в составе молекул, ибо эти объекты остаются непознанными как в плане наблюдения, так и в плане интеллектуального конструирования» [Parr, 2005: 3957].
Однако есть и другая точка зрения (высказанная в ходе критики приведенных философских замечаний [Shahbazian, 2012; 2013]). Метод «атомы в молекулах» не только стал одним из важных методов исследования. Он вылился в особую область исследования. Позиция реализма позволяет не только объяснить успех этого метода, но и понять взаимосвязь между его различными версиями и его превращение в центральную область квантовой химии.
Заключение
Итак, как «работала» материалистическая диалектика при обсуждении вопроса о соотношении химии и физики? Она застыла на тавтологической точке зрения: химия изучает химическую форму движения и не сводится к физике, изучающей физическую форму движения. Аналитическая философия меняет угол зрения: вопрос состоит не в том, сводится или нет химия к физике, а в том, как формируется научное знание. Квантовая механика служит основанием для вывода (который приближенно может быть понят как дедукция) ряда химических положений. Имеет место и онтологическая редукция: ряд химических представлений замещает физика. Но онтологическая редукция здесь ограниченна: не все центральные химические понятия замещаются физическими. Картина более сложная: в химию входят понятия, восходящие к биохимии и биофизике и обладающие собственной траекторией эволюции. Аналитическая философия также содержит концептуальные ф ресурсы, позволяющие обсуждать вопрос о реальности теоретических О конструкций квантовой химии. Это актуально, в частности, в связи с ф вопросами научной политики: то, что реально, заслуживает более вы- О сокого места в иерархии научных ценностей.
Библиографический список
<д ф
(О
Берсукер, 1971 - Берсукер И.Б. Строение и свойства координационных ®
соединений. М. : Химия, 1971. щ
Васильева, 1983 - Васильева Т.С., Орлов В.В. Химическая форма мате- (®) рии. Пермь, 1983.
Веселов, 1962 - Веселое М.Г. Элементарная квантовая теория атомов и молекул. М., 1962.
Кедров, 1962; 1971 - Кедрое Б.М. Предмет и взаимосвязь естественных наук. М. : АН СССР, 1962. См. также: Кедрое Б.М. Взаимосвязь форм движения материи и их классификация // Пространство. Время. Движение. М.: Наука, 1971.
Коулсон, 1965 - Коулсон Ч. Валентность. М. : Мир, 1965. Кузнецов, 1967 - Кузнецое В.И. Эволюция представлений об основных законах химии. М. : Наука, 1967.
Мак-Вини, 1972 - Мак-Вини Р., Сатклиф Б. Квантовая механика молекул. М. : Мир, 1972.
Малликен, 1968 - Малликен Р.С. Спектроскопия, молекулярные орбита-ли и химическая связь // Успехи физических наук. 1968. Т. 94, вып. 4. С. 606.
Марков, 1964 - Маркое А.А. Об отношении физических законов к биологическим // О сущности жизни. М. : Наука, 1964.
Огурцов, 1975 - Огурцое А.П. «Философия природы» Гегеля и ее место в истории философии науки // Гегель. Энциклопедия философских наук. Т. 2. М. : Мысль, 1975.
Печенкин, 1976; 1986- ПеченкинА.А. Методологические проблемы развития квантовой химии. М. : Наука, 1976; Он же. Взаимодействие физики и химии. М. : Мысль, 1986.
Печенкин, 1991; Pechenkin, 1995 - Печенкин А.А. Антирезонансная кампания в советской науке. 1949-1951 гг. Препринт № 64 Института истории естествознания и техники. М., 1991; Pechenkin A. The 1949-1951 anti-resonance campaign in Soviet Science // LLULL. 1995. Vol. 18. P. 135-166.
Пожарский, 1977 - Пожарский А.Ф. Молекулярное распознавание // Соросовский образовательный журнал. 1997. № 9.
Полинг, 1947 - ПолингЛ. Природа химической связи. М. ; Л., 1947. Полинг, 1971 - Полинг Л.Природа теории резонанса //Перспективы развития органической химии. М., 1971.
Руткевич, 1957; 1954-Руткееич М.Н. О формах движения в неорганиче-0) ской природе // Ученые записки Уральского госуниверситета. Свердловск, ^ 1957.Вып.21; Онже. Движение и развитие в природе и обществе. М., 1954. 5 Смотрицкий, 1999 - Смотрицкий Е.Ю., Шубин В.И. Редукционизм как
•Л научно-филосфский принцип. Днепропетровск. 1999. -® www.enlightenmebook.com/
g Солопов, 1963; 1973 - Солопое Е.Ф. Соотношение форм движения и ви-
ф дов материи в природе // Вопросы философии. 1963. № 8; Он же. Предмет и О логика материалистической диалектики. Л., 1973.
^ Фурсов, 2010 - Фурсое А.А. Проблема статуса теоретического знания в
полемике между реализмом и антиреализмом : автореф. дисс. ... канд. филос. ф наук. М. : МГУ, 2010.
"5 Штофф, 1962 - Штофф В.А. Формы движения материи в неорганиче-
Д ской природе // Философские вопросы современного учения о природе. Л., Ю 1962.
Ф Эйрингс, 1948 - Эйрингс Г., Уолтер Дж., КимбаллДж. Квантовая химия.
[ц М. : Изд-во иностранной литературы, 1948.
Энгельс, 1955 - Энгельс Ф. Диалектика природы. М. : Госполитиздат, 1955.
Dirak, 1929 - DirakP.A.M. Quantum Mechanics of Many-Electrons Systems // Proc. of Royal Society. 1929. Vol. 133 A.
Fliszar, 2009 - Fliszar S.: Atomic Charges, Bond Properties, and Molecular Energies. New Jersey: Wiley, 2009.
Jensen, 2007 - Jensen F. Introduction to Computational Chemistry. Hoboken: John Wiley and Sons, 2007.
Lehn, 1988 - Lehn J.M. Supramolecular Chemistry - Scope and Perspective. Molecules, Supramolecules, and Molecular Devices (Nobel Lecture) // Angewandte Chemie. 1988. Vol. 27, № 1, January. P. 89-112.
Nagel, 1961 - Nagel E. The Structure of Science: Problems in the Logic of Scientific Explanation. N.Y., 1961.
Parr, 2005 - Parr, R.G., Ayers, P.W., Nalewajski, R.F. What is an Atom in a Molecule? //J. Phys. Chem. 2005. A 109. P. 3957-3959.
Quine, 1975 - Quine W.V.O. Ontological Reduction and the World Numbers // W.V.O. Quine. The Ways ofParadox and other Essays. Harvard Univ. Press, 1975. P. 212-220.
Shahbazian, 2012; 2013 - Shahbazian Sh. Beyond the Orthodox QTAIM: Motivations, Current Status, Prospects and Challenges// Foundations of Chemistry. 2012. DOI 10.1007/s10698-012-9170-0; Shahbazian Sh. Letter to the Editor: Are there "Really" Atoms in molecules? // Foundations of Chemistry. 2013. DOI 10.1007/s10698-013-9187-z.
Ф
V
3 ■+*
in ф
о e ф
О CO
tf) ф
(0
ф
(A
Я
®
