Обложка Печенкин А.А. Взаимодействие физики и химии: редукционизм и самоорганизация
Id: 278332
906 руб.

Взаимодействие физики и химии:
редукционизм и самоорганизация Изд. 2, доп.

URSS. 2022. 216 с. ISBN 978-5-9519-2906-8.
Типографская бумага
  • Твердый переплет
Проблема границ между физикой и химией • Учение о химическом сродстве • Химическая термодинамика • Электронные теории • Целостность атома • Квантовая химия • Квантовая теория химической связи • Сводится ли химия к физике? • От химического учения о составе к физико-химическим теориям самоорганизации.

Аннотация

Взаимодействие двух фундаментальных областей естествознания — физики и химии — стало существенным фактором интенсификации научных исследований и ускорения научно-технического прогресса. Поэтому закономерности их взаимодействия все более привлекают внимание ученых-естествоиспытателей, специалистов в области организации науки и философов. В книге рассматривается вопрос о месте этих наук в структуре естествознания и материального... (Подробнее)

Содержание
ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ3
ВВЕДЕНИЕ3
Глава I. ФИЗИКА И ХИМИЯ В СИСТЕМЕ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ9
1. Проблема границ между физикой и химией9
2. Физика как наука о телах и полях24
3. Химия как наука о веществе39
4. Физические и химические теории53
Глава II. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФИЗИКИ И ХИМИИ: ИСТОРИЧЕСКОЕ И ЛОГИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ63
1. Три этапа взаимодействия наук63
2. Физические идеи в химии. Учение о химическом сродстве69
3. Физические законы в химии. Химическая термодинамика83
4. Физические идеи в химии. Электронные теории89
5. Химические идеи в физике. Целостность атома98
6. Физические законы в химии. Квантовая химия102
7. Физическое обоснование химии. Квантовая теория химической связи122
Глава III. СВОДИТСЯ ЛИ ХИМИЯ К ФИЗИКЕ?130
1. Вопрос о сводимости химии к физике в трудах химиков и физиков130
2. Вопрос о сводимости химии к физике в современной философии137
Глава IV. ОТ ХИМИЧЕСКОГО УЧЕНИЯ О СОСТАВЕ К ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМ ТЕОРИЯМ САМООРГАНИЗАЦИИ158
1. Альтернативы физикализации химии158
2. Учение о химическом составе166
3. Структурные теории химии171
4. Учение о химическом процессе и об организации химических систем176
5. Учение о самоорганизации в химии184
ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА195

Предисловие ко второму изданию

В данной книге рассматриваются те проблемы взаимодействия физики и химии, которые можно представить как упорядоченные вдоль двух «координатных осей». Первая группа проблем (первая «координатная ось»): это проблемы физикализации химии, отчетливо просматриваемые в истории этой науки, относящейся к XIX и XX векам. Это внедрение идей физики, а затем и законов этой науки в химию. XIX век отмечен в химии интенсивным проникновением таких понятий, как масса, сила, электрический заряд. Во второй половине XIX века в химию входят понятия и законы термодинамики, возникает химическая термодинамика. Уже в первой половине XIX века формируется электрохимия. В XX веке, однако, наступает новый этап. Теория химической связи формулируется на базе квантовой механики, возникает квантовая химия.

В философской литературе этот третий этап стал интенсивно обсуждаться в связи с идеей редукционизма. Сводится или нет химия к физике? Философская линия настоящей книги: проблему редукции химии к физике следует обсуждать на базе логического анализа структуры знания, а не решать априори, ссылаясь на понятия (натурфилософские по своей сути) формы движения материи и структурного уровня материи. Философия науки изучает то, как устроено знание, а не то, как устроена природа.

Интересен, однако, не только вопрос о соотношении квантовой механики и химии. Интересен вопрос о структуре самой квантовой химии. Квантовая химия строится на базе приближенных представлений. Уравнение Шредингера, фундаментальное уравнение квантовой механики, допускает строгое решение лишь для одноэлектронной системы — молекулярного иона водорода H2+. Квантовая химия — совокупность приближенных положений и методов квантовой механики.

Исторически квантовая химия формировалась на базе двух альтернативных идей: валентных связей и молекулярных орбиталей. Валентная связь обеспечивается парой электронов (точнее, предполагалось, что пара электронов с противоположными спинами соответствует валентному штриху в структурной формуле молекулы), молекулярная орбиталь — одноэлектронная волновая функция молекулы. Согласно методу молекулярных орбиталей, волновая функция молекулы строится как произведение одноэлектронных волновых функций — молекулярных орбиталей. Одним из вариантов метода молекулярных орбиталей был метод ЛКАО: «молекулярная орбиталь — линейная комбинация атомных орбиталей».

Качественный (и наглядный) вариант теории валентных связей получил название «Теория резонанса».

Было бы, однако, упрощением сводить развитие квантовой химии к конкуренции двух альтернативных теорий — валентных связей и молекулярных орбиталей. Структура квантовой химии достаточно сложна. Следует упомянуть метод матрицы плотности — описание многоэлектронных систем в терминах электронной плотности, а не волновой функции.

В середине XX века в квантовой химии происходит компьютерная революция. «Теперь ясно, что электронный компьютер изменил лицо квантовой химии. Его мощь и скорость были поразительны. В ряде областей компьютер дает результаты более точные, чем дает и может дать эксперимент. Компьютер дает возможность рассматривать такие структуры, к которым эксперимент не в состоянии подступиться…

Компьютерная квантовая химия строго опирается на практику решения уравнения Шредингера для молекул. Эта квантовая химия может работать на различных уровнях строгости и точности, учитывать размер молекулы и особенности целей нашего исследования. Любой прогресс в численных методах может изменить структуру расчетов. Любой прогресс в конструкции компьютера может воздействовать на область их применения и точность вычислений» [6].

К списку литературы, помещенному в книге, надо добавить важный источник по истории квантовой химии [1].

Еще одно замечание. В связи с развитием квантовой химии возникает философская проблема, которая типична для философии науки конца двадцатого века и начала двадцать первого, а именно — проблема «реализм — инструментализм». Этот вопрос ставится, например, в статье, рассматривающей метод «атом в молекуле». Это только расчетный метод или атомы в молекуле обладают реальностью? (См., например, [5].)

До сих пор речь шла о тенденции, которая может быть названа физикализацией химии. Как было сказано выше, в книге присутствует и вторая «координатная ось». Это «ось» понятийного развития химии от учения о составе к учению о самоорганизации. Ее иллюстрирует «лестница»: состав — структура — организация — самоорганизация. Более подробно: «лестница» состоит из треугольников, построенных по принципу «тезис — антитезис — синтез». Первый треугольник: состав — свойство — структура. Второй треугольник: структура — функция — организация. Третий треугольник: организация — поведение — самоорганизация.

Переведя эти условные треугольники на язык истории химии, мы получаем следующее. Нижняя строчка — состав—свойство — представлена в истории химии идеей химического элемента, представлением о качественном, а затем и количественном составе вещества. Первый треугольник символизирует формирование понятия о химическом строении. Второй треугольник символизирует развитие понятий химической кинетики, или более полно — учения о химическом процессе. В книге приводится выразительная характеристика химии катализа, высказанная известным специалистом в этой области С. З. Рогинским — учение о катализе призвано раскрыть «внутреннюю кибернетику каталитической системы». И, наконец, третий треугольник символизирует дальнейшее развитие учения о химическом процессе — учение о самоорганизации. Этот треугольник ссылается на те концептуальные сдвиги в учении о химическом процессе, которые имели место ближе к концу двадцатого века. Речь идет об исследованиях А. М. Жаботинского, касающихся открытых Б. П. Белоусовым химических колебаний в гомогенной системе, и концептуальных сдвигах в термодинамике, совершенных И. Пригожиным и его соавторами.

Исследования Б. П. Белоусова и А. М. Жаботинского описаны в моей книге по истории изучения периодических процессов в химии [4].

«Самоорганизация» — это художественный образ, метафора. Но за этим образом стоит достаточно строгое научное понятие — «диссипативная структура» — понятие нелинейной неравновесной термодинамики, сформулированной И. Пригожиным с соавторами.

Что такое диссипативная структура? В первом приближении диссипативной структурой может быть названа устойчивая структура, находящаяся в сильно неравновесном термодинамическом состоянии. Примерами такой структуры являются ячейки Бенара и химические колебания в гомогенной системе (реакция Белоусова—Жаботинского).

Развернутое определение дается в книгах и статьях И. Пригожина и его соавторов. «В итоге мы обнаружили, что расстояние от равновесия и нелинейность, — пишут Г. Николис и И. Пригожин, — могут быть источниками упорядоченности, способны вести систему к упорядоченной конфигурации. Возникает нетривиальная связь между порядком, устойчивостью и диссипацией. Чтобы ясно обозначить связь, мы называем упорядоченные конфигурации, которые возникают за пределами неустойчивости термодинамической ветви, диссипативными структурами» [3, с. 60].

Что такое термодинамическая ветвь? «Предположим, — пишут И. Пригожин и Г. Николис, — мы рассматриваем химическую реакцию типа А → X → F, где А — множество начальных продуктов, X — множество промежуточных продуктов, F — множество конечных продуктов. Уравнения химических реакций, как правило, нелинейны. Следовательно, для промежуточных продуктов существует много решений. Одно из них соответствует термодинамическому равновесию и может быть продолжено в неравновесную область. Назовем это решение термодинамической ветвью. Важная новая особенность состоит в том, что при превышении некоторого критического расстояния от равновесия термодинамическая ветвь может стать неустойчивой» [3, с. 108].

Приведем также определение диссипативной структуры, содержащееся в книге П. Гленсдорфа и И. Пригожина, фундаментальной книге по нелинейной неравновесной термодинамике. «С макроскопической точки зрения, — сказано в этой книге, — надо различать два типа структур — равновесные структуры и диссипативные структуры. Равновесные структуры формируются и существуют благодаря обратимому превращению, не предполагающему заметного отступления от равновесия. Диссипативные структуры имеют совершенно иной статус: они формируются и сохраняются в неравновесном состоянии благодаря обмену энергией и веществом с окружающей средой» [2, с. 9].

Примечательно то, что в фундаментальной книге П. Гленсдорфа и И. Пригожина отсутствует образ самоорганизации. Повторяем, «самоорганизация» — это образное интерпретационное понятие, поясняющее и популяризирующее понятие диссипативной структуры.


Об авторе
Печенкин Александр Александрович
Доктор философских наук, профессор. Профессор кафедры философии и методологии науки философского факультета МГУ имени М. В. Ломоносова. Главный научный сотрудник Института истории естествознания и техники имени С. И. Вавилова РАН. Проходил стажировку в отделе истории и философии науки Гарвардского университета (США), в отделе истории и философии науки Кембриджского университета (Великобритания), Научно-исследовательском институте при Немецком музее (Deutsches Museum) в Мюнхене (Германия), Историко-научном химическом фонде (Филадельфия, США), Обществе Макса Планка (Германия), Центрально-Европейском университете (Будапешт, Венгрия) и в других научных организациях.

А. А. Печенкин — автор книг «The history of research on chemical periodic processes» (Springer, 2018), «L. I. Mandelstam and his school in physics» (2nd ed. Springer, 2019), «Объяснение как проблема методологии естествознания: Логика и эпистемология» (2-е изд. URSS, 2022), «Обоснование научной теории: Математическое обоснование квантовой механики с философской точки зрения» (2-е изд. URSS, 2022), «Математическое обоснование в развитии физики: Философские проблемы» (2-е изд. URSS, 2022), «Взаимодействие физики и химии: Редукционизм и самоорганизация» (2-е изд. URSS, 2022), «Борьба против идеализма в квантовой химии: Антирезонансная кампания в советской науке 1949–1951 гг.» (2-е изд. URSS, 2022); переводчик книги К. Р. Поппера «Квантовая теория и раскол в физике» (1998); ответственный редактор книги «Технонаука как категория истории естествознания» (2018).


Страницы (пролистать)