Лекция 18. ПРОБЛЕМА РЕДУКЦИОНИЗМА: СВОДИТСЯ ЛИ ХИМИЯ К ФИЗИКЕ?
Важным для осмысления химии моментом является соотношение химии и физики, вопрос о том, является ли химия самостоятельной наукой. Этот вопрос имеет давнюю историю, но современная его трактовка связана с тем, что в начале 1930-х гг. появилась квантовая химия, использующая созданные в рамках квантовой механики физические теории атома и молекулы. С их помощью объясняется Периодическая система элементов Менделеева и строятся физические теории межатомной и межмолекулярной связей и молекулярной структуры в химии. Поскольку эти понятия лежат в основании химии, то возникает впечатление о принципиально полном сведении (редукции) химии к физике.
Чтобы разобраться с этим вопросом, рассмотрим его с различных сторон. Сначала, продолжая линию гл. 9, т.е. из развиваемого А. И. Липкиным варианта постпозитивистского взгляда на структуру естественнонаучного знания, а потом из более традиционной философской позиции, близкой логическому эмпиризму, излагаемой А. А. Печенкиным.
Химия Лавуазье и Дальтона
Следуя объектному подходу (см. гл. 9), попробуем ответить на вопрос "Что такое химия" и чем она отличается от физики.
Для химии XIX в. (химии Лавуазье и Дальтона) группа понятий, входящих в модельную часть теоретической части ее оснований (ОРН), существенно сложнее, чем в физике, – их существенно больше, и связи их многообразнее. Первая тройка состоит из понятий химических атомов, химических связей и химических соединений, где химические соединения представляют собой ансамбли определенным образом связанных между собой атомов (простейший пример – химическая молекула, более сложные случаи см. в работе [5]). К этим трем понятиям добавляется понятие идеального "химического вещества", которое характеризуется набором свойств произвольной природы. Химические вещества – это гомогенные или гетерогенные (коллоиды и др.) вещества в различных фазах, отличающиеся друг от друга разнообразными химическими (способностью превращаться друг в друга) и нехимическими свойствами. Спектр свойств весьма широк: от неопределенных, опирающихся на человеческие чувства вкуса и запаха (характерные для периода становления химии) до очень четко и точно количественно измеряемых физических свойств (превалирующих сегодня). Список свойств открыт и постоянно увеличивается. Эти свойства играют роль измеримых величин и задаются операционально (они в основном внешне заданы по отношению к теоретической части химии). Химия стремится к установлению однозначного соответствия между набором свойств химического вещества и системой химических атомов и связей, определяющих химическое соединение (это отражают многомерные диаграммы состав – структура – свойства).
Связь между идеальными химическими веществами и отвечающими им соединениями вводится посредством еще двух пар важных определений. Во-первых, вводятся понятия простого и составного вещества. Вещества делятся на "простые" (или "элементы") и "составные" (или "соединения") (разные химики пользуются здесь разной терминологией, не всегда четко разводя понятие соединения и вещества. – А. Л.). "Вещество, которое можно разложить на два или несколько других веществ, называют соединением. Вещество, которое нельзя разложить, называют элементарным веществом (элементом)", – пишет в современном учебнике химии дважды нобелевский лауреат Л. Полинг [20, с. 17]. Во-вторых, с ними связываются понятия молекулы и атома. Понятием химической молекулы определяется минимальное количество вещества, обладающего всеми свойствами этого вещества. Молекулы простого вещества состоят из одинаковых атомов. Сколько атомов в такой молекуле, выясняется из анализа тех химических превращений (реакций), в которой она участвует.
Определение элемента, или простого тела, дал еще Р. Бойль в 1661 г. Хотя он не назвал ни одного примера реального элемента в новом понимании, его определение было постепенно признано многими химиками XVIII в. Во второй половине XVIII в. суть этого понятия вполне адекватно изложена Макером: "Я положил, что будто бы все тела разрушены и приведены к самым простейшим их началам, дабы, узнав главные свойства сих первых начал, можно было по ним исследовать различные их соединения и иметь некоторое главное познание о свойствах сложенных тел, которые из соединения оных происходят". В 1787 г. Лавуазье высказал следующее определение понятия "простое тело". По его мнению, следует называть "простыми все тела, которые мы не можем разложить, которые мы получаем в последнем итоге путем химического анализа. Несомненно, настанет день, когда эти вещества, являющиеся для нас простыми, будут в свою очередь разложены... Но наше воображение не должно опережать факты" [23, т. 1, с. 361–362]. Дальтон приводит ряд конкретных правил для выявления простых и составных тел: "Следующие главные правила могут быть приняты в качестве руководства во всех наших исследованиях, относящихся к химическому синтезу: 1. Если возможно получить только одно соединение (combination) из двух веществ (bodies), можно предположить, что оно будет двойным, если отсутствуют какие-либо данные, свидетельствующие о противном. 2. Если наблюдалось два соединения, следует предполагать, что они двойные и тройные..." ([23, т. 2, с. 45]).
Итак, через понятия простого и составного вещества вводятся понятия химического атома (подобно тому, как была введена минимальная порция электричества).
При этом Дальтон – отец химического атомизма – исходил из модели "физического атомизма", он начинал с исследования газовых смесей. Он утверждал, что "элементарные частицы (ultimate particles) всех однородных тел (bodies) абсолютно подобны по весу, форме и т.д. Другими словами, любая частица воды подобна другой частице воды, любая частица водорода подобна другой частице водорода и т.д." [25, с. 113]. Кроме того, он конструирует модели составных атомов (молекул) из простых атомов (обозначая их кружочками):
"1 атом сорта А + 1 атом сорта В = 1 атом сорта С, бинарного;
1 атом сорта А + 2 атома сорта В=1 атом сорта D, тернарного..." [25, с. 163-164]).
Так выглядит его теоретическая модель. Но он описывает и конкретные эмпирические процедуры для воплощения этой химической модели в эмпирический материал, т.е. способ распознавать химическими средствами простые и составные "химические тела" [25, с. 167]. В этой модели существенно, что атомы бывают разных сортов (относятся к разным элементам).
Следующим необходимым элементом исходной системы понятий является понятие химического превращения одних химических соединений (и веществ) в другие (химической реакции):
(18.1.1)
"Если определить химическую реакцию как процесс, в результате которого одно химическое соединение превращается в другое (или некоторая совокупность соединений переходит в другую совокупность), то к числу важнейших систем базисных химических индивидов целесообразно причислить многообразие химических реакций" [5]. Структура (18.1.1) играет в химии роль, подобную структуре 
в физике. Химические формулы составляют соответствующий математический слой. Так выглядит теоретическая часть для химии, отвечающая схеме, изображенной на схеме 9.2.1.
В определение понятия идеального химического вещества входит возможность его реализации в виде эмпирического вещества. Эмпирические вещества в виде жидкостей, газов или твердых тел, обладающих соответствующими свойствами, являются эмпирической реализацией (материализацией) "химических веществ" (с определенной точностью, "чистотой"). Эмпирические вещества – то, что "приготовляется" и "измеряется" в химии.
Их приготовление и измерение (т.е. отождествление эмпирического вещества с определенным "химическим веществом" и отвечающим ему соединением) – дело аналитической химии, которая согласно одному из современных определений является "научной дисциплиной, разрабатывающей и применяющей методы, инструменты и стратегии получения информации о составе (composition) и природе (nature) вещества в пространстве и времени" [27]. "Аналитическая химия – наука об определении химического состава и, в некоторой степени, химического строения соединений. Алхимики XIV–XVI вв. впервые применили взвешивание и выполнили огромный объем экспериментальных работ по изучению свойств веществ, положив начато химическому методу анализа. В XVI–XVII вв. появились новые химические способы обнаружения веществ, основанные на реакциях в растворе... Родоначальником научной аналитической химии считают Р. Бойля, который ввел понятие “химического анализа”... До первой половины XIX в. аналитическая химия была основным разделом химии", – пишет в статье "Аналитическая химия" Ю. А. Золотов в работе [4].
С помощью аналитической химии из "базового множества химических веществ и их превращений" определяется набор атомов и связей. В отличие от атомов, число сортов которых довольно быстро устоялось (в химических соединениях присутствует не более 80 разных сортов атомов), множество химических связей чрезвычайно велико и продолжает расти[1]. Поскольку набор связей открыт, постольку в принципе открыто и "базовое множество", по практически оно в основном сформировалось уже к началу XIX в.[2]
В результате ОРН химии образует Вперед замкнутая система совместно определяемых исходных химических понятий, отображенная па схеме 18.1.1: "химические атомы" разных сортов, "химические связи", "химические соединения", "химические вещества", "простое" и "составное" вещество, математический слой М{}, изображенное горизонтальной стрелкой "химическое превращение" (химическая реакция) – в теоретической части (Т), "эмпирические вещества" – в операциональной части (ЭМ), где индексы "1" и "2" отвечают, соответственно операциям приготовления и измерения. Так выглядит ОРН для химии Лавуазье – Дальтона – аналог изображенного на схеме 9.1.2 ОРН для физики. Сравнение этих двух схем дает пример различий на уровне разных наук (дисциплин): разные типы процессов и ПИО.
Схема 18.1.2. Основания химии
Затем, используя определенные в рамках ОРН атомы и связи, создается расширяющееся множество химических соединений и соответствующее расширяющееся множество химических веществ (это отвечает ВИО-типу работы). Этот процесс идет полуэмпирическим путем, но описывается с помощью химических атомов, играющих роль ПИО химии. В рамках ВИО-типа работы строят разнообразные химические соединения и изучют "не только химические реакции, но и функциональные зависимости вида р = р(Х), где X– по-прежнему химическое вещество, ар – какое-либо свойство. Это может быть и такое “химическое” свойство, как реакционная способность, и такое физическое свойство, как температура плавления или электропроводность..." [5][3]•