Философия_проб.проис.х.мат

Глава 2	ПРОБЛЕМА ПРОИСХОЖДЕНИЯ
	ХИМИЧЕСКОЙ МАТЕРИИ

Всеобщий закон развития и гипотеза двойного обеспечения низшей формой материи результата эволюции высшей формы при ее порождении. Различие физических процессов образования элементоворганогенов и других элементов. Происхождение химических элементов как интегральный прогресс. Значение распространенности химических элементов. Направлены ли на живое все порождающие химическую материю физические процессы?

Происхождение химической формы материи, в отличие от происхождения жизни, а в последнее время и физической материи, практически не обсуждалось в литературе как философская проблема естествознания. Отчасти это объяснимо сомнениями в самостоятельности химической материи, ее статусе основной формы объективной реальности. Отчасти – тем, что химия построила свои главные концептуальные системы, не затрагивая вопроса о происхождении ее предмета. Отчасти – тем, что вопрос, кажется, решился с развитием теории горячей расширяющейся Вселенной1. В этом решении можно видеть подтверждение ряда положений научной философии: идеи развития, его направленности в сторону усложнения и других, – но остается неясным, может ли философия сделать его более глубоким и как именно.

Если да, нужно предположить, что в конкретно-научном материале по этому вопросу имеется малозаметная пока с точки зрения химии составляющая, необходимость которой вытекает, однако, из всеобщих законов развития, что делает ее роль существенной. Философский анализ этого материала должен способствовать ее выявлению. Данная составляющая, как и химическая форма материи в целом, есть особенное, и ее выявление средствами философии есть переход от всеобщего к специфическому содержанию этого особенного. Такой пере-

ход возможен лишь на базе конкретно-всеобщей философской теории

материи и развития. Первое представление о вероятном характере этой составляющей можно сформировать по аналогии с отношениями, свойственными развитию физической материи, чем и продолжим.

Происхождение химической формы материи исследуется главным образом космологией и астрофизикой. Они не оставляют сомнений в его необходимости при развитии вселенных, где физические постоянные (скорость света, гравитационная постоянная, постоянная Планка, спектр масс элементарных частиц, константы физических взаимодействий и т.д.) имеют установленные для нашей Вселенной

56

(Метагалактики) величины. Разные варианты небольшого изменения этих величин2 либо исключают возникновение атомов, либо настолько сужают их набор, что возникновение жизни оказывается невозможным. Результаты подобных мысленных экспериментов лежат в основе современных формулировок космологического антропного принципа3.

Он отражает неустойчивость структуры физической реальности к изменению значений констант и факт их точной «подгонки» в нашей Вселенной под возможность появления человека (а прежде – жизни и порождающей ее химической материи). Ответ на вытекающий из этого факта вопрос: «Почему константы именно таковы?» – требует решения проблемы происхождения самой физической Вселенной, поскольку константы относятся к ее фундаментальным свойствам, которые, скорее всего, нельзя объяснить изнутри физической материи – физическими законами. Их значения не выводятся из этих законов, а, повидимому, определяются, как и сами законы, природой и процессами дофизической (субфизической) формы материи4. Тем не менее, фактически – в случае нашей Вселенной с ее константами – процессы,

приведшие к появлению ее физической материи, в определенном смысле были непосредственно направлены на возникновение химической и следующих за ней форм материи.

Строго говоря, значения констант гарантируют возникновение химической материи и лишь не исключают – жизни и человека, поскольку появление последних определяется не только физическими законами, в которые «подставлены» соответствующие константам числа, но также природой химической и живой материи. Однако такая гаран-

тия говорит об известном предопределении в самом начале физической эволюции Вселенной ее результата, и в ней можно видеть проявление

всеобщего закона развития материи, который определяет «необхо-

димую, а не случайную, закономерную последовательность основных форм материи», ведущую к человеку5. В этом свете открытие физикой

«константного» предопределения, связывающего – подобно некоему маршрутному предписанию – начало и итог эволюции физической материи Метагалактики как бы поверх и в дополнение к ее физическим законам (которые – как законы ее движения по любому маршруту – тоже определяют результат физической эволюции), выглядит важным прецедентом6.

По-видимому, всеобщая необходимость последовательного возникновения основных форм материи включает двойное обеспече-

ние низшей формой материи результата эволюции высшей формы при ее порождении. Во-первых, он обеспечен законами поведения объектов очередной формы материи, допускающими «пошаговое» дви-

57

жение этих объектов в сторону следующей ее формы. Во-вторых, – неким охватывающим весь этот путь «предписанием». Данные законы и предписание даются ее предшественницей, низшей формой материи, так сказать, в разных конвертах – в том смысле, что эти законы не определяют этого предписания, и наоборот.

Если так, то порождающие химическую материю физические процессы должны порождать не только ее законы, но и нечто напрямую связывающее ее возникновение с появлением жизни и не отражаемое непосредственно содержанием концептуальных систем (законов) химии. Не обязательно, чтобы это нечто буквально было набором констант, но его изменение – при неизменности химических законов – должно препятствовать возникновению живого. Так или иначе, оно, вероятно, известно науке, но требует соответствующей интерпретации, которая позволила бы дополнить космологический антропный принцип его химическим аналогом.

В одном из аспектов конкретно-всеобщее является законом развития объективной реальности, требующим определенной последо-

вательности и определенных различий между крупными ступенями мирового процесса, который необходимо ведет к социальному как решающему фактору своего продолжения. Это является всеобщим основанием, на котором существенные черты результата эволюции каждой формы материи могут предопределяться при ее возникновении ее предшественницей. Философское отражение данного закона выступает общим теоретическим объяснением космологического антропного принципа, а также теоретическим основанием поиска содержания аналогичных ему принципов химии и биологии. На этом основании нас будут интересовать далее два вопроса. Что в физических процессах,

обеспечивших возникновение химической материи, можно квалифицировать как их непосредственную направленность на живое? Выража-

ется ли эта их направленность также и в чем-то внешнем тому, что составляет содержание известных законов химии?

Чтобы ответить на них, остановимся на характере физических процессов, в которых возникают химические элементы, исходя из деления последних на элементы-органогены (биогенные элементы) и прочие элементы. Элементы-органогены незаменимы при построении живого вещества, прочие элементы могут присутствовать в нем как в принципе заменяемые и в этом смысле необязательные. По тому, какая доля атомов живого вещества приходится на элемент, органогены делятся на две группы: главные органогены, доля их атомов велика; и органогены, на долю которых приходится незначительное количество атомов. Главные органогены – водород (60,3% всех атомов), кислород

58

(25,5%), углерод (10,5%), азот (2,42%), фосфор (0,134%) и сера

(0,132%) 7. Органогены второй группы – натрий, магний, хлор, калий, кальций, марганец, железо, кобальт, медь, цинк, молибден, йод. У некоторых организмов в их число входят и другие элементы, например кремний, селен, алюминий, но совокупная доля их атомов у живого в целом близка к 1%, а доля каждого колеблется от десятых до тысячных процента. Вопроса, почему живое «предпочитает» состоять из этих атомов и в такой пропорции, мы здесь касаться не будем. Наш вопрос:

чем отличаются порождающие их физические процессы, которые по характеру их продуктов можно считать непосредственно направленными на живое, от процессов, в которых возникают элементы, не являющиеся органогенами? Имеется ли существенное различие физи-

ческих процессов образования элементов-органогенов и других элементов?

Согласно теории горячей расширяющейся Вселенной8, химическая материя возникает в два этапа. На рекомбинационной стадии эволюции Вселенной образуются атомы двух элементов – водорода и гелия – в соотношении примерно 7/3 по массе (90,3% и 9,7% по числу атомов). Примерно через 1 млн. лет от начала расширения Вселенной их вещество становится прозрачным для излучения, плотность энергии которого из-за расширения оказывается недостаточной для поддержания их ионизации. Однородный водородно-гелиевый газ теряет устойчивость по отношению к флуктуациям плотности вещества, и в эволюции Вселенной начинается пострекомбинационная стадия. На этой стадии газ – за счет роста названных флуктуаций под действием главным образом гравитационных сил – фрагментируется в скопления, разделяемые обедненными им промежутками. Они (скопления), в свою очередь, распадаются по той же причине на фрагменты, а те – еще раз. Так формируются скопления галактик, галактики и их звездное население. Этот неотвратимый при «наших» константах процесс заключает необходимость второго этапа в возникновении химической материи

– образования ядер остальных химических элементов. Бо льшая часть водородно-гелиевого вещества Вселенной сосредоточивается в звездах и возвращается за счет их гравитационного сжатия в состояние плазмы, смеси ядер и электронов. Среднее число звезд в галактике имеет порядок 1011, примерно таков же порядок числа галактик в наблюдаемой части Вселенной. Внутризвездные физические процессы обеспечивают образование ядер почти всех химических элементов тяжелее водорода и гелия, так что на пострекомбинационной стадии Вселенная в целом становится гигантской «фабрикой» по их производству.

59

Физические процессы образования атомных ядер – подробности см.: 1 – имеют два типа. Первый – синтез, увеличивающий число частиц (протонов и нейтронов) в ядре. Второй – распад, ведущий к ядрам

сменьшим, чем у исходного ядра, числом этих частиц. Синтез имеет два варианта. Первый из них – термоядерный синтез – слияние двух

ядер в одно. Его разновидности – альфа-захват и протонный процесс, последовательно добавляющие к ядру α-частицы (ядра 4Не) или протоны (ядра 1Н), – обеспечивают синтез ядер вплоть до группы железа. Термоядерный синтез требует преодоления кулоновского потенциального барьера отталкивания положительно заряженных ядер, который

препятствует необходимому для него сближению ядер на расстояние сильного взаимодействия (~10-13см). Это возможно при высокой скорости движения ядер (температуре ~2·109К для водорода и более высокой – для более тяжелых ядер) и большой плотности вещества, а также за счет туннельного эффекта – прохождения частицы сквозь потенциальный барьер, когда ее энергия меньше его высоты. Это явление квантовой природы: вследствие соотношения неопределенностей частица с недостаточным для перехода через барьер импульсом (m·v) имеет ненулевую вероятность оказаться в точке (иметь координаты), соответствующей преодоленному барьеру. Вероятность растет при повышении температуры и плотности вещества, поэтому термоядерный синтез в природе осуществляется кооперативно – факторами, повышающими энергию частиц, и туннелированием. Второй вариант синтеза – нейтронный захват – добавление к ядру нейтронов с последующим превращением (β-распадом) их или их части в протоны. Повидимому, это основной путь образования ядер тяжелее железа – до U, но так могут возникать и ядра легче Fe. «Преимуществом» нейтронного захвата является отсутствие кулоновского отталкивания нейтронов и ядер. Поэтому нейтроны могут непосредственно взаимодействовать

сядрами в широком температурном диапазоне, начиная с низких температур, «медленных» и даже «холодных» нейтронов. Вариантами распада являются самопроизвольный (радиоактивный) распад неустойчивых ядер и «скалывание» устойчивых ядер квантами или частицами высоких энергий.

Синтез ядер есть особая форма физического прогресса, он является ведущим по отношению к их распаду как физическому регрессу. Синтез последовательно обеспечивает ключевые точки на пути построения все более тяжелых и физически сложных ядер, создавая этим и исходный материал для распада. Распад вторичен, он заполняет своими продуктами оставленные синтезом пробелы в ряду элементов (включая и изотопы). Кроме того, разрушая одни ядра, он служит син-

60

тезу других, обеспечивая его α-частицами, протонами и нейтронами. В

этом отношении происхождение химических элементов есть инте-

гральный прогресс, который включает свою противоположность – регресс.

Довольно широкий диапазон условий и процессов образования и преобразования химических элементов не позволяет ограничить возникновение химической материи строго определенным временем и типом астрономических объектов. Ее эволюция идет на фоне продолжающегося возникновения атомов, и не исключено, что эти процессы совпадают не только во времени, но – отчасти – и в пространстве, прежде всего за счет радиоактивного распада атомов. Предложена также гипотеза9, что нейтроны могут возникать непосредственно из физического вакуума, возбуждаемого гравитационными полями космических объектов от астероидов до звезд, которые таким образом способны с ускорением увеличивать свои массы и размеры – расти изнутри. Для планет это означало бы, что ядерные реакции с участием постоянно добавляемых нейтронов изменяют химический состав и структуру их вещества наряду с химическими реакциями, и если Земля действительно увеличивается в размерах и массе (что вызывает большие сомнения10), это чревато революцией в космологии.

Названные обстоятельства требуют уточнить границу между происхождением и последующей эволюцией химической материи, избегая их метафизического разрыва. Поскольку остаются в силе положения, что основная масса ядерного вещества Вселенной заключена и преобразуется в звездах, что химические процессы на периферии их «атмосфер» не имеют серьезных перспектив и что потери звездами вещества (в результате их катастрофического разрушения типа взрывов сверхновых звезд) далеко превосходят по массе новообразование атомов вне звезд, можно остановиться на следующем. Элементарный состав Вселенной определяется в основном физическими процессами внутри звезд, хотя и модифицируется вне звезд, и именно с этими процессами нужно связывать происхождение химической материи как «вселенской» по масштабам формы материи. В этих масштабах ее происхождение продолжается до настоящего времени, поскольку вещество перерабатывается в новых поколениях звезд, что изменяет элементарный состав Вселенной и должно сказываться на химических эволюционных процессах, но не определяется в существенной степени ни этими процессами, ни внезвездными модификациями элементарного состава вещества. В этом свете следует остановиться на соотношении обеспечивающих происхождение химической материи «стандартных» внутризвездных физических процессов.

61

Термоядерный синтез считается главным из них, так как именно его энергия уравновешивает гравитационные силы сжатия и этим обеспечивает устойчивость и сохранение звезды как астрономического объекта. Его реакции имеют определенную последовательность. Сначала «выгорают» самые легкие элементы, затем более тяжелые продукты их синтеза и т.д. до образования ядер группы железа. Реальная длина этой последовательности зависит от массы звезды. Вся она требует звезды в 30 раз массивнее Солнца. Ядра Fe обрывают ее, поскольку дальнейшие подъем температуры и сжатие недр звезды вызывают их диссоциацию на ядра гелия и нейтроны (железо-гелиевая смена фазы). Нейтронный захват не является самостоятельным физическим процессом, так как сопряжен (рождение нейтронов из вакуума в самой звезде – довольно экзотическая гипотеза) с реакциями, которые поставляют ему нейтроны. Ими могут выступать железо-гелиевая смена фазы и взрывное горение сравнительно легких ядер. Реакции нейтронного захвата зависят от главных, идущих с выделением энергии реакций.

В настоящее время принято считать, что большинство ядер, которые становятся атомами, только покидая звезду, образуются не в период ее стабильного существования, заранее накапливаясь в звезде, а в момент ее катастрофического (полного или частичного) разрушения. Известно несколько возможных его механизмов, но одним из источников энергии разрушения выступает та же цепочка термоядерных процессов, она поддерживает и сопряженные процессы быстрого синтеза тяжелых элементов за группой Fe. Можно заметить, что термоядерные процессы, таким образом, не только обеспечивают синтез основной массы ядер, в конечном счете, всех элементов, но и их освобождение из звезд, т.е. их переход в собственно химические объекты. В этом отношении они тоже являются главными. Нужно также иметь в виду, что покинувшее звезды вещество может опять перерабатываться в звездах, которые образуются вновь из вещества объектов межзвезд-

	ной среды.
		Поэтому в звездах второго					и	следующих поколений при-
			1			2			3
	сутствуют элементы, которые образовались не в них, и разнообразие
	путей и реакций14		синтеза ядер у них может быть больше, чем у первых
	CN-	N		Mg					Элементы
	звезд. цикл			Na					за группой
	Очень условноCпоследовательность реакций образования ядер
									Fe
	химических элементов отражаетNe приведенная ниже схема 5. Она раз-
	делена на три области,			степень	условности в изображении которых
			Li,Be,B
	растетH от первойHeк третьей вместе с ростом разнообразия реакций и их
							Группа
	продуктов. Область 2, например, гораздо богаче путями, чем показано
				S						термоядерный
						отмеченные образованиемсинтез					отсутст-
	на схеме, и они имеют ступени,
							Fe
			O	P						нейтронный
				Si						захват
						62				«скалывание»
	Схема 5. Порядок реакций нуклеосинтеза.

вующих на схеме элементов, а элементы, для которых указан «нейтронный захват», могут перерабатываться также в термоядерных реакциях, и наоборот.

Тем не менее, схема показывает, что главные термоядерные процессы находятся в области 1. Их главенство состоит в их незави-

симости от процессов области 2 и, напротив, в зависимости от них этих процессов как от источников сырья – ядер, с которых они начинаются. Примечательно, что главные органогены, которые синтезируются в звездах (O, C, N, S, P), возникают именно в главной, первой зоне реакций. В ней же образуются несколько прочих органогенов (Na, Mg), основное число которых возникает в области 2 – главной (на том же основании) по отношению к области 3. И только Cu, Zn, Mo и I являются продуктами последней. Ядра главных органогенов возникают первыми, независимо от наличия ядер прочих элементов, часть их служит материалом, из которого образуются ядра остальных элементов, и

в этом отношении главные физические процессы нуклеосинтеза действительно направлены на живое. Ряд деталей, относящихся к реак-

циям области 1, усиливает это впечатление.

В этой области не производятся, накапливаясь как продукты ее реакций, ядра Li, Be и B, не принадлежащие группе органогенов.

Процессы горения водорода и гелия создают ничтожные количества этих элементов как свои промежуточные продукты. Однако они легко разрушаются в реакциях, протекающих при более низкой температуре, чем температура горения водорода. Сейчас полагают, что их атомы возникают вообще вне звезд в результате «скалывания» ядер органогенов C, N и O частицами космических лучей. Напротив, «трудный» органоген 14N, который не образуется в обычных цепочках реакций горения ни водорода, ни гелия, ни углерода, тем не менее, может с их помощью присутствовать в звезде в больших количествах как промежуточный продукт особого термоядерного процесса переработки водорода в гелий – углеродно-азотного «каталитического» цикла. Для этого в области горения водорода должны находиться ядра углерода. Это возможно у звезд второго поколения и, может быть, в случае перемещения вещества в массивных звездах между областями синтеза углерода и синтеза гелия. Если процесс «каталитического» горения Н протекает стационарно, азота в веществе оказывается даже больше, чем углерода, и если он быстро прекращается (катастрофическое разрушение звезды, например) много азота окажется и в межзвездной среде.

Одним из критериев физической значимости процессов является их производительность. Ее показателем выступает относительная

63

распространенность продуктов этих процессов – в нашем случае –

распространенность химических элементов. Низкие распространен-

ности «совершенно ясно говорят о том, что процессы, ведущие к их синтезу, по своей природе должны быть побочными»11, и наоборот. Кривая распространенности химических элементов во Вселенной приводится во всех обзорах проблемы их происхождения (см. например: 1; 10, с.146). Самыми распространенными – в силу дозвездного происхождения – являются водород и гелий. Их обилие на три порядка выше следующих по распространенности элементов. В целом распространенность существенно убывает с ростом массового числа элемента. У элементов с массой 100 и больше она уступает распространенности водорода 10-12 порядков. Немного выше распространенность Li, Be и B, но для элементов начала периодической системы это очень глубокий провал. Падение распространенности от водорода к урану имеет вид ломаной линии с локальными «провалами» и «пиками» распространенности соседних (по периодической таблице) элементов. Главный «пик» соответствует элементам группы железа – последнему продукту термоядерных реакций, – количество атомов которых особенно велико по сравнению с соседними элементами. Органогены относятся к числу наиболее распространенных, а водород, кислород, углерод и азот большинством оценок помещаются в начало этого списка. Между ними на втором месте располагается только гелий, почти не участвующий в химической эволюции. Примечательно, что между собой они делят те же места, что и в составе живого вещества: H, O, C, N.

«Поразительная корреляция между относительной распространенностью… элементов (особенно H, C, O и N) в космосе и элементов, входящих в состав живой материи (Курсив мой – О.Б.), отмечалась мно-

гими авторами»12. Она позволяет сравнить совокупный результат физических процессов образования химических элементов с гигантской заготовкой живого вещества.

На основании сказанного можно полагать, что физические про-

цессы образования элементов-органогенов, «по определению» направ-

ленные на живое, действительно являются основными процессами,

обеспечивающими возникновение химической материи в целом. Ес-

ли бы не они, в природе отсутствовали бы и другие элементы периодической системы!

Кажется заманчивым допустить, что непосредственная на-

правленность на живое всех физических процессов, порождающих химическую материю, состоит в таком их соотношении, которое обусловливает сходство элементарных составов Вселенной и живого вещества, делает первый «заготовкой» второго. Это подсказывает здра-

64

вый смысл: как иначе могут быть непосредственно направлены на живое термоядерные и т.п. процессы, чем совместно обеспечивая избыток атомов, необходимых живой материи? Однако не факт, что получивший кучу денег наследник будет счастлив в своей дальнейшей жизни. Не факт и то, что именно наблюдаемая распространенность органогенов (наряду с их пригодностью живому) гарантирует возникновение жизни. Правда, не факт и обратное. Во всяком случае, подсказка заслуживает внимания в свете гипотезы о двойном обеспечении на-

правленности и результата эволюции каждой формы материи ее предшественницей при порождении ею этой формы материи.

Действительно, физические реакции образования элементов предопределяют их субстрат, структуру, свойства и, значит, законы их химического поведения, начиная периодическим законом (который, строго говоря, возникает вместе с атомами как результат развития физической материи – говорить о наличии закона, когда нет его объектов, можно только условно). Вместе с тем, физическая связь этих же реакций определяет количественное соотношение атомов разных элементов в природе. Таким образом, химические законы и распро-

страненность элементов имеют одно и то же физическое основа-

ние. Оно не является предметом химии, для которой законы химиче-

ского поведения элементов и их естественная распространенность

лежат в разных «конвертах», находятся в отношении внешнего дополнения. Однако единство физического основания этого дополнения дает основание полагать, что и в химическом отношении оно не является ни случайным, ни малозначимым, – основание полагать, что пошаговая реализация химическими элементами возможности появления живого, которая базируется на химических законах их поведения, требует именно такой, а не какой угодно распространенности элементов.

Если видеть в их распространенности аналог констант из физического антропного принципа, ситуация в химии отличается следующим. Физике известны законы, в которых фигурируют ее константы, но пока не известно, почему они таковы, неизвестен и источник их согласования с законами в «пользу» появления химической материи. Химии – поскольку происхождение ее объекта изучено глубже, чем происхождение физической материи, – до некоторой степени известно, почему распространенность и законы поведения элементов таковы, но это еще не совсем те законы.

Химией пока не открыты законы, в которых фигурировали бы показатели именно космической распространенности элементов, и нельзя точно судить, насколько химическая структура Вселенной устойчива к изменению этой распространенности. Под химической

65