- •1. Основная проблема химии
- •2. История химии как закономерный процесс смены способов решения ее основной проблемы
- •3. Принцип субординации дискретных уровней развития научного знания — основной принцип классификации науки
- •4. Принцип гомологии, или принцип уплотнения научной информации, и его значение для изучения химии
- •5. Иерархия дискретных уровней научного знания — основание теории развития химии
- •Литература
- •1. Решение проблемы химического элемента
- •2. Развитие учения о периодичности и теории валентности
- •3. Решение проблемы химического соединения
- •4. Учение о составе и появление технологии основных неорганических веществ
- •Литература
- •111 Химии. Вторая концептуальная
- •1. Возникновение первых структурных представлений
- •2. Эволюция понятия структуры в химии
- •3. Конец антиномии «структура — динамика»
- •4. Новые проблемы структурной химии
- •5. Пределы структурной химии. Ограниченность химической технологии, основанной на принципах структурных теорий
- •IV о химическом процессе.
- •1. Логические основы учения о химическом процессе
- •2. Рост исследований многофакторности кинетических систем — первая и основная тенденция развития учения о химическом процессе
- •3. Химия каталитическая и химия экстремальных состояний
- •4. Исследование гидродинамических факторов
- •6. Математическое моделирование в учении о химическом процессе
- •7. Новые методы управления химическими процессами. Спиновая химия
- •Литература
- •V концептуальная система.
- •1. «Лаборатория живого организма» — идеал химиков
- •2. Изучение ферментов в русле биохимии и биоорганической химии
- •3. Пути освоения каталитического опыта живой природы
- •4. Самоорганизация химических систем — основа химической эволюции
- •5. О понятиях «организация»
- •6. О различных подходах к проблеме самоорганизации предбиологических систем
- •7. Общая теория химической эволюции и биогенеза а. П. Руденко
- •8. Нестационарная кинетика и развитие представлений об эволюции химических систем
- •9. Явления саморазвития химических систем
- •Литература
- •VI и химического производства
- •2. Особенности интенсификации развития химии как науки и производства
- •3. Возможно ли предвидение научных открытий?
- •4. Пути интенсификации химических процессов
- •5. Наиболее перспективные направления исследований в области химии экстремальных состояний
- •6. Пути интенсификации развития химии и химического производства посредством катализа
- •7. Теория химической технологии вместо «технического оформления процессов» — важный путь интенсификации химического производства
- •8. О резервах интенсификации развития химии на уровне двух первых концептуальных систем
- •Литература
- •Глава 1. Основная проблема химии '4
- •Глава 1. Возникновение первых структурных представлений . . 75
- •Глава 1. Логические основы учения о химическом процессе . . .108
- •Глава V
- •Глава VI
9. Явления саморазвития химических систем
в свете учения И. Пригожина* о необратимости
Выше было уже сказано, что разработанная И. Р. Пригожиным термодинамика необратимых процессов устраняет запреты на эволюцию химических систем в направлении их упорядочения, налагаемые термодинамикой Р. Клаузиуса и Л. Больцмана. Ввиду того, что при обсуждении проблем химической эволюции и биогенеза в литературе чаще всего обращаются к одной из первых работ И. Пригожина, а именно к работе [11], в которой дана новая интерпретация второго начала термодинамики, более поздние работы того же автора рассматриваются всего лишь как экстенсивное развитие работы [11]. Между тем
* Пригожин Илья Романович — бельгийский физик и физико-химик. Род. в 1917 г. в Москве. В 1942 г. окончил Брюссельский ун-т, работал там же, с 1947 г. профессор. Лауреат Нобелевской премии (1977). Иностранный член АН СССР.
211
подход Пригожина к проблеме химической эволюции — это не просто «новый термодинамический подход», как его нередко именуют. Это значительно более широкий общенаучный подход, который лишь для краткости мы назвали здесь «учением о необратимости».
Во-первых, «пригожинскую термодинамику» следует рассматривать не только как область термодинамики, объектом которой являются необратимые процессы, но как «обобщенную термодинамику», по отношению к которой классическая термодинамика представляет собой частность.
Во-вторых, и физико-математические способы описания природных явлений, и философское толкование их далеко выходят за пределы даже и обобщенной термодинамики. Скорее они составляют некое целостное учение, корни которого уходят и в естествознание, и в философию. Сюда относятся, в частности, работы [31—34], содержание которых имеет не только естественно-научный, но и ярко выраженный философский характер.
Нельзя не отметить, однако, что в работах Пригожина почти невозможно отграничить физико-математические аспекты от философских. И те и другие методы познания природы выступают в этих работах удивительно слитно, во взаимном дополнении. Не упуская из виду специальную физико-математическую сторону работ Пригожина, нам хотелось бы здесь отметить в них методологическую сторону, с которой связаны идеи не только об эволюции Природы, но и об эволюции науки о природе, о достижении такого уровня развития естествознания, на котором природа впервые воспринимается в необратимом движении по координате времени.
«Наука прошлого века завещала нам не только впечатляющие достижения,— говорит Пригожий,— мы унаследовали по меньшей мере два фундаментальных противоречия» [35, с. 41]. Одно из них — это противоречие между открытием в 1859 г. Ч. Дарвином законов биологической эволюции, указавших на стремление материи к усложнению, самоорганизации посредством флуктуации, отбора и необратимого зарождения новых структур, с одной стороны, и открытием в 1865 г. Р. Клаузисом закона возрастания энтропии, с другой. Согласно закону Клаузиса система приходит к равновесию, необратимые же процессы — к остановке, а в целом система — к хаосу. «Другое противоречие, пожалуй, еще глубже»,— отмечает Пригожий. Оно состоит в полном пренебрежении понятием времени как в классической механике, так и в квантовой, несмотря на то, что они описывают движение. «Для нас, убежден-ных-физиков, различие между прошлым, настоящим и будущим — всего лишь иллюзия, хотя и довольно стойкая»,— приводит При-гожин слова А. Эйнштейна. «С другой стороны, для нас, обыкновенных живых людей,— продолжает уже от себя Пригожий,— время в высшей степени реально. Это реальность нашего повседневного опыта, наших надежд и опасений, наконец, реальность нашей
212
ответственности за судьбы мира сегодняшнего и завтрашнего,— мира, меняющегося быстро и необратимо» [35, с. 42].
Разрешение обоих этих противоречий Пригожий видит в переходе всей науки на новый уровень развития, более высокий, чем тот неклассический (или послеклассический) уровень, который характеризовался господством теории осносительности и квантовой механики.
Основными требованиями научного познания на этом уровне являются: 1) признание времени такой формой бытия, одномерность и асимметричность которой обусловливают всеобщую необратимость изменений, происходящих в мире; закрытые равновесные системы рассматриваются в свете этого требования как частный случай всеобщего неравновесия; 2) положение о колебательных процессах как одном из важнейших признаков высокоорганизованных неравновесных систем, в частности колебательных реакций, или «химических часов»; 3) исследование «коллективной стратегии поведения» микросистем в единой макроскопической системе; 4) изучение природы изнутри с учетом того, что исследователь является частью изучаемой системы.
«Вероятно, мы находимся лишь в начале долгого пути и только начинаем понимать природу,— говорит Пригожий.— На глазах меняется наука, меняются ее служители. Они становятся более, чем когда-либо, естествоиспытателями. Видимо, это — финал великой научной революции, начатой в свое время Галилеем и Ньютоном» [35, с. 44].
Можно, конечно, согласиться и с этим утверждением Пригожи-на, если развитие естествознания рассматривать в очень крупном масштабе и видеть во всей его истории только два периода: натурфилософский догалилеевский и собственно естественно-научный, начатый Галилеем и Ньютоном.
Но такой масштаб лишает нас возможности рассматривать ход развития науки более конкретно и с несравненно большим интересом. Исходя из тех же идей Пригожина, в послегалилеевском естествознании можно отчетливо различить такие три его блока, как: 1) классическое естествознание от Ньютона до Менделеева, 2) неклассическое естествознание, стержнем которого следует считать квантовую механику и квантовую электродинамику и 3) естествознание сегодняшнего дня с синергетической основой. Последовательность появления этих блоков представляет собой •иерархию трех уровней развития естествознания, происходящего как бы по спирали. Основным объектом исследования на первом уровне являются макротела и равновесные макросистемы, законы движения которых (механику Ньютона) естествоиспытатели распространяют и на микромир, т. е. на все формы коллективизации атомов, рассматриваемых в качестве неизменных элементарных частиц размером 10~8—10~10 см. Главным же объектом естествознания второго уровня служат микросистемы, характеризующиеся
213
непрерывным и, в общем случае, равновесным изменением элементарных частиц размером 10~13—10~15 см, их взаимным превращением, аннигиляцией и т. д. Посредством законов квантовой механики и квантовой электродинамики естествоиспытатели на этом уровне развития науки пытаются объяснить физическую и химическую организацию также и микромира. И, наконец, объектом естествознания третьего уровня являются вновь макросистемы, но изучаемые и понимаемые уже не только с позиций синтеза механики и квантовой механики, но плюс к этому еще с единых позиций историзма, самоорганизации материи, господства необратимости, с позиций, охватывающих как единое целое и макро-и микромиры.
В высшей степени интересной представляется эволюция методов научного познания в этой иерархии уровней: от жесткого детерминизма через гейзенберговский принцип неопределенности к эволю ционным взглядам на причинность; от видения мира со стороны наблюдателя к изучению природы изнутри ее с учетом места и роли в ней человека; от равновесной статистической механики к неравновесной, а в общем — от метафизических методов к диалектическим. И, может быть, наиболее резко выраженной формой диалектиза-ции научного познания в учении Пригожина выступает целостный подход к своему объекту — макросистеме как такому целому, которое существует за счет когерентности «коллективной стратегии поведения» ее частей. Одно изучение частей, по Пригожину, не приводит к адекватным представлениям о целом, и это глубоко диалектическое положение нельзя не рассматривать как подъем на новую ступень диалектизации познания по сравнению с квантовой механикой.
Иллюстрируя это положение на примере колебательных химических реакций, Пригожин говорит: «Ведь что в самом деле получается? Основа колебательной реакции — наличие двух типов молекул, способных превращаться друг в друга. Назовем один из них А (красные молекулы), другой В (синие). Мы привыкли думать, что химическая реакция — это хаотические, происходящие наобум столкновения частиц. По этой логике взаимные превращения А и В должны приводить к усредненному цвету раствора со случайными вспышками красного или синего. Но когда условия далеки от равновесия, происходит совершенно иное: раствор в целом становится красным, потом синим, потом снова красным. Получается, будто молекулы как бы устанавливают связь между собой на больших, макроскопических расстояниях через большие, макроскопические отрезки времени. Появляется нечто похожее на сигнал, по которому все А или все В реагируют разом. Это • действительно неожиданность. Ведь мы привыкли считать, что молекулы взаимодействуют только на близких расстояниях и ничего «не знают» о своих дальних соседях. А здесь система реагирует как единое целое. Такое поведение традиционно приписывалось
214
только живому — теперь же ясно, что оно возможно и у систем сравнительно простых, неживых» [35, с. 43].
Недаром И. Р. Пригожин называет открытие Б. П. Белоусовым колебательной реакции «одним из важнейших экспериментов нашего века». Сказанное не означает, однако, того, что Пригожин пользуется лишь одним макроскопическим методом описания эволюционных изменений. Нет, в его арсенале находятся и стохастические методы, и методы классической механики и квантовой механики.
В работах [31—33} Пригожин рисует картину поведения систем с большим числом взаимодействующих субъединиц (например, молекул А и В) в одном случае вблизи состояния равновесия, а в другом— при достаточно большом удалении от равновесия. В первом случае система обладает определенной устойчивостью, иммунитетом к возмущениям, и если эти возмущения оказываются не очень сильными, она возвращается к состоянию равновесия, ее структура разрушается. Во втором случае, при удалении от равновесия, система «теряет свой иммунитет к возмущениям», становится неустойчивой, и если эти возмущения (например, химические реакции с нелинейными стадиями, в частности автокатализ) оказываются достаточно сильными, то система достигает точки бифуркации (разветвления), в которой отклик системы на возмущение становится неоднозначным, возврат к начальным условиям не обязательным. В таком случае происходит необратимый переход системы в новое, когерентное, состояние: система приобретает устойчивую диссипа-тивную структуру (т. е. структуру, образованную за счет диссипации, рассеяния энергии). Суть когерентности здесь выражается все в той же «коллективной стратегии поведения» субъединиц системы. Система может далее пройти вторую точку бифуркации, третью и т. д.
Посредством понятия бифуркации Пригожин, как он сам выражается, ввел в физику и химию «в известном смысле историю».
Значение работ Пригожина трудно переоценить. По-видимому, не будет преувеличением квалифицировать их как начало нового уровня научного познания природы. Для химии они означают открытие путей в область самоорганизующихся систем, находящихся не только и даже не столько в условиях нормальных температур и давлений, сколько в экстремальных условиях. И замечательно то, что они начали появляться со второй половины 1950-х годов, т. е. еще до того, как получили широкое развитие экспери-|ментальные работы в области химии экстремальных состояний, |в частности плазмохимии.
Как можно было бы расценить эмпирически полученные выводы Л. С. Полака о самоорганизации физико-химических систем [10] в условиях так называемой низкотемпературной плазмы (~ до 4000К), если бы они появились не в 1980-х, а в 1960-х горах? Л. С. Полак шел в своих исследованиях в области плазмо-
215
химии по существу параллельно линии исследований Пригожина, зная и цитируя последние. В самом начале 1970-х годов Л. С. По-лак разработал основные положения обобщенной неравновесной химической кинетики как «части физического учения об эволюции неравновесных систем» [36, с. 2]. По отношению к ней аррениусов-ская кинетика предстает такой же частностью, как больцмановская термодинамика по отношению к обобщенной термодинамике Пригожина. Но тем не менее открытие Л. С. Ползком целого ряда явлений «самоорганизации физико-химических систем» [10], явлений, которые он сам уподобляет предбиологической эволюции, скорее следует отнести к эмпирической процедуре, чем к теоретическому предвидению. Хотя нельзя не отметить того факта, что еще в 1972 г., говоря о «необходимости построения обобщенной (неравновесной) химической кинетики, вытекающей из развития различных направлений химии высоких энергий», Л. С. Полак сделал предположение, что «неравновесные плазмохимические процессы сыграли существенную роль в образовании аминокислот на стадии предбиологической химии в газовых оболочках планет» [36, с. 13]. Несмотря на то, что это предположение не может иметь строгих доказательств, от него, вероятно, протягиваются нити связей к той работе Л. С. Полака [10], в которой с очевидностью доказана возможность изучать стадию предбиологической химии в плазмохимической лаборатории.
В заключение важно отметить, что в подходах к проблеме химической .эволюции у И. Р. Пригожина и А. П. Руденко есть много общего. Общим является отрицание актуалистических теорий и противопоставление им эмпирически обоснованных теорий, решающих вопрос о возникновении порядка из хаоса, о саморазвитии открытых химических систем. Общим является также привлечение в качестве отправного пункта неравновесной термодинамики, статистических, кинетических и информационных принципов, или методов, исследования. Различие же состоит главным образом в разных самоорганизующихся объектах и разных целях исследования. У Пригожина такими объектами являются макросистемы, а основная цель исследования — доказательство принципиальной возможности самоорганизации. Концепция Пригожина не описывает химическую эволюцию с естественным отбором. Руденко, напротив, исследует самоорганизацию микросистем, преследуя цель реконструкции всего хода химической эволюции через естественный отбор вплоть до выяснения механизма ее тупиковых форм и биогенеза. В этом смысле можно сказать, что теория Руденко предметнее отражает проблемы эволюционной химии как самостоятельной концептуальной системы. Эта теория может уже сегодня решать практические задачи освоения каталитического опыта живой природы и управления химическими процессами, относящимися к нестационарной технологии. Перед учением Пригожина такого рода задач сегодня поставить нельзя. Однако если говорить
216
о наиболее вероятных практических перспективах учения Пригожи-на применительно к химии, то они находятся, по-видимому, на пути исследования систем, далеких от равновесного состояния, скорее всего, на пути развития химии высоких энергий, в частности плазмохимической технологии.
Подробнее о формировании новых высокоэффективных технологий и интенсификации развития химического производства на основе теорий эволюционной химии см. в работах [10, 30, 37, 38]„ а также в гл. VI.