Предмет химии
Вопрос о предмете химии, как и всякий философский вопрос, имеет историческую ретроспективу. В «Логике» Гегеля, представляющей собой своеобразную историю становления абсолютной идеи, упоминаются
три определения «объективности» — механизм, химизм и организм[132].
Механизм — это такое соединение частей, при котором между ними отсутствует «духовная связь». Говоря о механизме, мы вспоминаем механическое (машинальное) поведение, механическое заучивание и восприятие. В механизме нет внутреннего единства, самодеятельности.Химизм означает такое единство, которое вытекает из природы частей. Химическое соединение имеет свою специфику и, в отличие от механического соединения, не сводится к комбинации и сложению частей. Химическая совокупность взаимодействует с другими совокупностями как единое целое. Составные части этой совокупности — «стихии», «материи» (в современной терминологии — химические элементы), проявляющие в отношении других составных частей свою природу и сообщающие эту природу всей совокупности.
Организм представляет собой объединение составных частей, при котором реализуется цель, единство, имеющее телеологическую природу. Иными словами, организм — это то, в чем заключена жизнь или душа.
Не вникая в построения Гегеля, которые крайне трудно состыковать не только с современной наукой, но и с наукой того времени, отметим, что в его триаде «механизм, химизм и организм» заключена идея иерархии, идея развития от низшего (механизма) к высшему (организму). Эта идея была воспринята той концепцией предмета химии, которая высказана Ф. Энгельсом и которая оказала большое влияние на советскую и далее на российскую философию науки. У Энгельса уже нет абстрактных «механизма, химизма и организма». Он вводит понятие механической, физической, химической и биологической форм движения материи[133].
Каждая из этих форм движения имеет своего материального носителя: механическое движение — это движение макроскопических тел, физическое — движение молекул (речь шла о тепловом движении, описываемом молекулярно-ки- нетической теорией), химическое — движение атомов и биологическое — жизнь — способ существования белковых тел. Энгельс считал механическое движение низшим, а биологическое — высшим. Физическое и химическое движения занимали промежуточное положение между механическим и биологическим. Отношение высшей формы движения к низшей он характеризовал гегелевским термином «снятие»: низшая форма присутствует в высшей в снятом, подчиненном виде. Скажем, физическое движение — это тоже механическое движение, но подчиняющееся новым вероятностным закономерностям.Энгельс сознавал, что его классификация форм движения материи выражает лишь тенденцию, осуществляющуюся в природе[134]. Кроме указанных форм движения он упоминал электрические и магнитные взаимодействия, не укладывающиеся в эту тенденцию. Однако даже эта оговорка не позволяет его классификации справиться с той ситуацией, которая возникла в XX в. Уже в начале XX в. сложилась атомная физика, изучающая строение тех частиц материи, которые для Энгельса были мельчайшими, — атомов. «Физика обновляет химию и отнимает у нее атом» — так озаглавлена последняя глава в одной из авторитетных книг по истории химии[135]. В 1911 г. Э. Резерфорд выдвигает электронно-ядерную модель атома, где атом предстает в виде планетарной системы. Но физика занялась не только строением атомов, но и строением молекул. В первые два десятилетия XX в. формируется квантовая теория атома и химической связи. В 1925—1927 гг. возникает квантовая механика, фундаментальная физическая теория, объясняющая процессы, происходящие в микромире. Один из создателей этой теории — П.А. Дирак писал: «Общая теория квантовой механики уже закончена... Решающие физические законы, необходимые для математической теории большей части физики и всей химии, известны полностью, и трудности заключаются в том, что точное содержание этих законов ведет к слишком сложным для решения уравнениям»[136].
А вот фраза из более поздней книги (первое английское издание — 1946 г.), объясняющая, почему химия все же сохраняет свою самостоятельность как экспериментальная наука. «Квантовая механика сводит проблемы химии к задачам прикладной математики. Несмотря на это, химия, вследствие своей сложности, в значительной мере остается опытной наукой, подобно тому как понимание законов, управляющих движениями небесных тел, за последние три столетия не устранило необходимости непосредственных наблюдений»[137].В результате тех изменений, которые произошли в естествознании в первой трети XX в., ортодоксальные философы-марксисты оказались в трудном положении. С одной стороны, идеи Энгельса об иерархии форм движения материи казались им неоспоримыми. С другой стороны, они не могли не признать: то, что Энгельс называл химической формой движения, стало неотличимо от того, что изучает физика. Во всяком слу- чае «материальный носитель» химического движения — атом — стал объектом исследования физики, более того, физика вплотную подошла к тому, чтобы объяснить строение молекул и процессы соединения атомов и разложения молекул. Нельзя было не признать, что физика одерживает на этом пути новые победы.
Заметную роль в марксистских дебатах о формах движения материи и о классификации наук сыграл Б.М. Кедров (1903—1985), советский философ и историк, специалист по истории атомно-молекулярного учения, отдавший много сил изучению творческого наследия Д.И. Менделеева. Кедров выдвинул идею «химического клина» в физике. С его точки зрения, химия рассекает физику на две части — субатомную и молекулярную. Субатомная физика — это физика элементарных частиц, физика строения атомного ядра и электронной оболочки атома, молекулярная физика — это физика теплового движения молекул. «Химическая форма движения материи, — писал Кедров, — есть та форма движения, при которой происходит изменение внутренней структуры молекулы в результате движения составляющих ее атомов, но при которой не происходит коренного изменения (разрушения или взаимопревращения) атомов»[138].
Развивая свои идеи, Кедров далее стал подразделять формы движения на «общие» и «частные»: «общие» не связаны с определенным субстратом или свойственными им видами материи, «частные» имеют своих материальных носителей.
«Общие» — это механическая и кванто- во-механическая, кибернетическая и термодинамическая формы движения, «частные» — по сути дела, все остальные: химическая, субатомная, молекулярно-физическая и т.д. Оставляя в стороне эти усложнения, отметим, что Кедров, выделяя химическую форму движения, отстаивал иерархическое строение мира, где есть высшее и низшее. Он не допускал сведения химии к физике, поскольку химические явления составляют более высокий уровень материальных процессов, нежели электронные, ядерные и прочие физические процессы. «Суть дела заключается здесь, — писал он, — в выяснении правильного соотношения между различными формами движения материи, из которых одни (химическая и биологическая) выступают как высшие, другая (квантово-механичес- кая, т.е. физическая) — как низшая»[139].Для Кедрова был велик авторитет классиков марксизма, и цитаты из их сочинений стали для него чем-то близким к доказательству. Но Кедров апеллирует и к данным науки XX в. Возражая тем, кто сводит химию к физике, он ссылается на сложные химические системы и взаимодействия. «Невозможность "сведения" химического процесса к движению физических частиц, — пишет он, — становится все очевиднее и ощутимее по мере увеличения, во-первых, числа электронов в атомной оболочке, во-вторых, числа атомов в молекуле и, в-третьих, числа молекул, участвующих в химическом процессе. Иными словами, переход количества в качество становится тем яснее и резче, чем в более значительной степени количество превышает ту границу, при достижении которой оно переходит в новое качество»[140]. Это, однако, опять философия: аргументация в пользу одного философского положения (иерархии форм движения) при помощи другого философского положения (закона перехода количественных изменений в качественные). Кедров здесь все же не столь прямолинеен: он ссылается на практику квантовой химии, которая учитывает доквантовые химические представления при расчете многоэлектронных систем. Например, он указывает, что расчеты энергии сложных молекул ведутся, исходя из подразделения электронов на «валентные» и «остовные».
«В принципе нельзя представить взаимодействие атомов просто как взаимодействие входящих в них электронов и ядер, подобно тому как нельзя представить человечество состоящим прямо из животных клеток»[141].Аналогия, разумеется, не может служить доказательством. Однако главное в другом. Кедров и его последователи деформируют суть кванто- во-механического объяснения химической связи и химического взаимодействия. Квантовая механика — фундаментальная физическая теория, обеспечивающая понимание не только явлений микромира, но и ряда макроскопических эффектов (например, сверхпроводимости и сверхтекучести). Ее объектом служит абстрактная квантово-механическая система, а не просто микрочастицы — электрон, нейтрон, протон, атомное ядро и т.д. Квантово-механической системой, состояние которой представляет волновая функция, может быть и атом, и молекула. Другое дело, что волновую функцию многоэлектронных атомов и молекул нельзя найти путем решения уравнения Шрёдингера. Эти волновые функции ищут путем приближенных методов, используя, например, множество более простых волновых функций.
Кедров подчеркивает роль представлений доквантовой химии в поиске волновых функций многоэлектронных молекул. Действительно, эти волновые функции нередко ищут, используя деление электронов атомов, составляющих молекулы, на «остовные» и «валентные» и предполагая спаривание (образование электронных пар) валентных электронов, принадлежащих атомам, составляющим молекулу. Однако квантовая механика молекулы не зациклена на химических идеях. Кроме метода валентных схем, при котором волновую функцию молекулы представляют в виде ряда[142] волновых функций, соответствующих различным способам спаривания ва- лснтных электронов, составляющих молекулу атомов, квантовая механика применяет метод молекулярных орбиталей[143], коренящийся не в химии, а скорее в спектроскопии. Согласно этому методу, молекула рассматривается как единая электронно-ядерная система. Волновую функцию молекулы представляют в виде произведения одноэлектронных волновых функций, называемых молекулярными орбиталями.
(Чтобы учесть требование принципа Паули, строят антисимметризованное произведение.) Здесь, правда, те, кто вслед за Кедровым отстаивает химическую форму движения материи, могли бы сказать, что и метод молекулярных орбиталей использует традиционные химические понятия, например, этот метод применяется в варианте МО ИКАО, что означает: молекулярная орбиталь равна линейной комбинации атомных орбиталей (атомной орбиталью называют одноэлектронную волновую функцию атомов). Метод МО ИКАО несет на себе печать доквантовой химии, а именно опирается на представление о молекуле как системе, состоящей из атомов. Но этот аргумент в поддержку химической формы движения исходит из узкого взгляда на метод молекулярных орбиталей. Хотя исторически этот метод действительно строился на идее МО J1KAO, он не сводится к этой идее. Начиная с середины XX в. метод молекулярных орбиталей «работает» в первую очередь как метод компьютерных расчетов. Он совершенствуется, основываясь на эффективности этих расчетов. При этом возникают такие его разновидности, которые не только не отвечают химической интуиции, а скорее идут против нее. Так, например, молекулярные орбитали конструируют не из волновых функций, центрированных на ядрах атомов (как в варианте МО ЛКАО), а на какой-либо характерной точке молекулы. Вместо водородо- подобных волновых функций (эти функции аналогичны волновым функциям электрона в простейшем из атомов — водородном атоме), пропорциональных е~аг, где г — радиус, используют гауссовские, имеющие вид с-аг2 Применение водородоподобных волновых функций может быть соотнесено с идеей «молекула состоит из атомов». Гауссовские же функции используются просто из соображений вычислительной эффективности.Нельзя не согласиться с Кедровым, когда он замечает, что «никакая квантовая механика, даже с помощью самой современной электронно- вычислительной машины, не может описать реальный химический процесс, в котором задействовано порядка 1022 молекул, в котором участвуют не идеально чистые вещества, который протекает... в определенном сосуде и при определенных условиях, например, при помешивании, и т.д.»[144]. Однако нельзя принять пафос этих строк. Чтобы применить квантовую механику, надо сформулировать задачу на языке этой теории, т.е. это должна быть задача из теории строения атомов и молекул, химической связи и элементарного химического акта. Вопрос о ходе реакции «при помешивании» в терминах квантовой механики не ставят и не решают. Отсюда не следует, что здесь действуют какие-то химические законы, не сводимые к физическим. Физика не исчерпывается квантовой механикой, объяснение химических процессов следует искать также в термодинамике, статистической механике и кинетике. В самой физике существуют прикладные области (например, физика твердого тела), в которых, как и в химии, используются приближенные методы и многое достигается в результате использования не только квантовой механики, но и электродинамики, классической статистической механики. Однако это не означает, что физика не сводится к физике!
Концепция химической формы движения, разработанная Кедровым на базе идей Энгельса, была поддержана рядом отечественных философов, которые вносили в нее некоторые коррективы[145]. Не останавливаясь на этих работах, заметим, что философские попытки проведения в природе разграничительных линий (пусть диалектических) оказывались до сих пор безуспешными. Кедров пишет, что границы между химией и физикой подобны границам между дружескими государствами: они не разделяют, а соединяют эти науки. Этого мало: границы между физикой и химией относительны, подвижны, неопределенны. Всякие попытки как-то зафиксировать эти границы рано или поздно входят в противоречие с теми идеями и методами, которые возникают в науке.