CC BY
20
В 1965 г. Джейфф (H.H.Jaffe) и М.Орчин (M.Orchin) опубликовали работу «Симметрия в химии» («Symmetry in chemistry»), которая способствовала внедрению идеи теории групп в химию. В конце XX в. дальнейшее обобщение было достигнуто в теории категорий Ф.УЛовером (F.W.Lawvere) и С.Шануэлем (S.Schanuel) (1997 г.).
Теория групп стала одной из важных составных частей электронной и колебательной спектроскопии молекул. Теория групп хорошо описывает действие связывающих сил в молекулах. Абстрактное понятие группы применимо также к системам химических реакций. Пришло время для философского осмысления открытия, сделанного Галоисом 180 лет тому назад.
Л.А. Боброва, Н.В.Лысков
2005.01.009. КОЛДИН Э.Ф. СТРУКТУРА ХИМИИ В ОТНОШЕНИИ К ФИЛОСОФИИ НАУКИ.
CALDIN E.F. The structure of chemistry in relation to the philosophy of science // HYLE: Intern. j. for philosophy of chemistry. - Karlsruhe, 2002. -Vol.8, N2. - P.103-121. - Form of access: http://www.hyle.org.
Как указывается в биографическом введении к статье, написанном Морисом Крослендом (Университет Кента, Великобритания), Эдвард Фрэнсис Колдин (1914-1999) был специалистом в областях термодинамики и физической химии и вместе с тем всегда интересовался историей и философией науки. Впервые реферируемая статья была опубликована издательством «Sheed&Ward» (N.Y.; L.) в 1961 г. Поскольку она малоизвестна современному читателю, редакция электронного журнала «HYLE» решила ее переиздать.
В статье обосновывается мысль, что рассмотрение структуры химии может внести вклад в обсуждение научного метода, в дискуссии о природе научных обобщений, о месте теории в системе знаний, о статусе теорий в объяснении, о соотношении теорий и природы.
Химия сегодня может быть охарактеризована как наука естественная, физическая, а также экспериментальная. Хотя физика и химия традиционно разделяются, трудно увидеть какие-либо фундаментальные различия между ними. Безусловно, существует различие в акцентах, большинство химиков больше интересуют явления, зависящие от специфических свойств природы вещества. Но в методах, принципах доказательств и оснований выводов нет существенных отличий.
К фундаментальным понятиям химии относятся: 1) чистые вещества; 2) элементы и соединения; 3) молекулы, атомы и субатомные частицы; 4) энергия.
До XVIII в. люди практически не встречались с чистыми веществами. Даже такие металлы как золото и серебро имели свойства, зависящие от содержащихся в них примесей. Сегодня можно выделить эти «чистые вещества», которые однородны и имеют воспроизводимые свойства. Это понятие стало фундаментальным для химии как науки. С развитием численных методов анализа его применение стало особенно широким и плодотворным.
Опыт проведения химических реакций привел к разделению чистых веществ на два класса: соединения и элементы (для которых неизвестны реакции разложения). «Революция» в химии, которой содействовал Лавуазье, заключалась в переклассификации основных типов реакций и чистых веществ. Например, обжиг металлов, который ранее рассматривался как разложение на окалину и флогистон, теперь классифицируется как соединение металла с кислородом. Новая классификация возникла независимо от теории атомов и молекул, посредством которой позже она была объяснена.
В соответствии с теорией атомов, элементы состоят из простых атомов, которые подобны друг другу и отличаются от атомов других элементов тем, что имеют характеристическую массу, в то время как соединения состоят из одного вида молекул, содержащих несколько атомов, соединенных вместе. Теория объясняла законы химических реакций и дала возможность кратко представлять химические реакции. Оставался вопрос о числе атомов в молекулах, что приводило к неопределенности в атомных весах. Эта неопределенность была устранена в 1860 г. (на конференции в Карлсруэ). Стали считать, что атомы могут соединяться в элементах (например, двухатомная молекула кислорода).
Идея, что атомы могут занимать определенное пространственное положение в молекуле, оставалась невостребованной до работ по изометрии. Позже органическая химия стала использовать трехмерное изображение молекул.
Эти гипотезы были подтверждены в XX в., когда получили развитие более прямые методы исследования: дифракция рентгеновских лучей, электронов и нейтронов, а также спектроскопические методы. Для простых молекул сейчас могут быть созданы модели путем заданий положе-
ния атомов и их движений. Это дает возможность визуализировать химические соединения и реакции.
С 80-х годов XIX в. построена теория растворов электролитов. С помощью ионов некоторые свойства этих растворов могут быть численно интерпретированы.
В начале XX в. электронное объяснение спектров, химического сродства достигло передового уровня. С появлением волновой механики в 1926 г. теория претерпела некоторые изменения, и до сих пор она активно развивается.
Атомная теория быстро была освоена химиками. Но скептические замечания оставались на протяжении всего XIX века. Скептицизм был вызван воздействием позитивистского учения. При этом необходимо помнить, что до конца XIX в. не было известно явлений, относящихся к одиночным молекулам. После интерпретации броуновского движения в терминах одиночных молекул и наблюдения эффектов, связанных с индивидуальными атомами с помощью спинтарископа, скептическое отношение к атомной теории прекратилось. Сейчас кажется невозможным формулировать химическую теорию, не рассматривая атомы, их электронную структуру и их пространственное расположение в молекулах.
Работа и теплота часто называются «формами энергии», но следует остерегаться рассмотрения их так, будто они являются одним веществом в разных формах или как будто это некий род жидкости. Энергия есть всего-навсего математическая функция, определенная в количественных величинах, которые могут быть экспериментально определены. Применение понятий энергии и энтропии к чистым веществам было очень плодотворно для химии. Например, идея химического сродства могла теперь основываться на численном фундаменте, выраженная в терминах свободной энергии и констант равновесия. Сегодня химическая термодинамика состоит из математических схем, выводимых из первого и второго закона термодинамики, и экспериментальных данных, которые позволяют применить эти схемы к действительным явлениям. Достигнута значительная степень систематизации. Но все это не зависит от атомной теории.
Применение квантовой механики к структуре молекул привело к теориям валентности, которые начали объяснять химическое сродство.
В химии существуют два разных типа эмпирических законов. Во-первых, это законы, выражающие функциональные зависимости между свойствами данной системы. При этом некоторые из них выражают свойства чистых веществ, другие - связаны со скоростями и равновесиями в
физических и химических превращениях. Во-вторых, это законы, утверждающие, что существуют типы веществ с воспроизводимыми свойствами.
Проблема индукции остается дискуссионной в химии. Представляется понятным, что нельзя доказать ложность возражений скептиков, которые признали бы науку только, если бы ее можно было бы свести к дедукции. Остается надеяться показать им, что их требования неразумны. Но проблема остается открытой: следует ли рассматривать научную рациональность как уникальную и отбросить попытки соотнесения ее с другими формами рациональности, или было бы полезнее рассматривать ее в связи с более широкими исследованиями интерпретации как метода перехода от доказанного к следствиям. Постижение путем интерпретации более распространено, чем дедукция. Оно касается и построения научных теорий.
В развитии почти каждого аспекта теорий существуют разногласия. Они касаются места теорий в системе научных знаний, их роли в научном исследовании, их статуса в объяснениях и при сопоставлении их с природой. Химия здесь может внести важные изменения в существующие точки зрения.
Ученые, подверженные влиянию позитивизма, считают, что теории не дают объяснений. Так, П.Дюгем и Э.Мах придерживались мнения, что цель теории - интеллектуальная экономия. То же мнение, вероятно, подразумевается в современном сравнении теории с картой; карта является консультантом по физическим особенностям ландшафта, но не объясняет его. Противоположный случай связан с химическими теориями. Так, Дальтон не выводил свою теорию, а фактически дал интерпретацию наблюдений и подогнал ее так, чтобы многообразие следствий соответствовало известным законам. Его теория является конструкцией, а не выводом и не обобщением эмпирических данных.
Теории не используются в химии только как инструменты для предсказаний. Их разрабатывают для того, чтобы помочь в понимании явлений, а не для того, чтобы просто описать их.
В каком смысле теории объясняют явления? С точки зрения логиков, теории объясняют законы в том смысле, что законы могут быть выведены из теорий. Но большинство химиков предпочитают молекулярные модели, которые могут быть визуализированы, нежели формальные математические модели.
Н.Кэмбелл1 строил объяснение как аналогию между системой и некоторой более привычной системой, чьи законы уже известны. Например, в кинетической теории газов незнакомые законы, описывающие поведение газов, объяснены путем рассмотрения их с точки зрения движения, которое хорошо изучено. Можно ли также неизвестные законы химии объяснить проведением аналогии с изученными механическими моделями? Современная модель молекулы не подчиняется законам механики макрообъектов. По-видимому, объяснение не зависит от изученности. Правильнее сказать, что известное объясняется неизвестным, поскольку известное множественно, тогда как неизвестное, постулируемое теориями, проще. «Хорошая» теория - это такая теория, которой легко манипулировать и которую легко применять в новых ситуациях.
Что можно сказать о статусе моделей как описаний реальных систем природы? Модели не могут приниматься как точное описание реальности, с одной стороны, и как полнейший вымысел - с другой. Модели -это аналоги реальной системы. Аналогия совершенствуется в свете новых данных. Современная модель атома есть лучшая аналогия, чем модель Бора, модель Бора лучше модели Дальтона, которая, в свою очередь, лучше модели Бойля. Будущие открытия могут показать, что и современная аналогия не полна.
В большинстве областей физико-химических исследований ни теория, ни эксперимент не содержатся во всей полноте. Типичный метод лежит между эмпирическим и гипотетико-дедуктивным методами. В экспериментах химики не тестируют модель, которая берется как основа, а пытаются сделать ее более точной. Например, измерения проводимости растворов проливают свет на поведение ионов, измерения скоростей реакции - на их механизм. Таким образом, эксперимент не ждет теоретических предсказаний, он служит источником новой информации из своих собственных оснований.
Л.А. Боброва, С.А.Удрой
1 Campbell N.R. What is science? - L.,1921. - Ch.5.
