Глава 1. Интердисциплинарные “познавательные идеалы” и “внутринаучные идеологии” в процессах формирования естественнонаучных знаний

Исторический подход к проблеме взаимодействия естественных наук показывает, что ее рассмотрение целесообразно начать с вопросов исследования роли субъективных факторов научной деятельности: “внутринаучных идеологий” (этот термин вводится мной) и “идеалов научного познания”.

В данной главе анализируются пути зарождения и регуляционные функции таких субъективных факторов динамики научных знаний, как познавательные идеалы и внутринаучные идеологии: “физический идеал” в химии, “математический идеал” в химии, “химический идеал” в биологии, “минералогический идеал” в химии, “биологический идеал” в химии и соответствующие этим названиям внутринаучные идеологии.

Функционирование внутринаучных идеологий в процессах регуляции познавательной деятельности имеет нетривиальный характер. В частности, в исторический период XVII—XIX вв., в период от И.Ньютона до Д.И.Менделеева, “механическая идеология” в химии определила становление в химии и пограничных областях нового знания и вместе с этим устойчивых механистических тенденций.

Классическая ньютонова механика, не имея общего предмета с химией и воздействуя на нее в связи с этим только по “идейному каналу”, тем не менее ориентировала ряд направлений в химии, которые привели к важным открытиям: атомно-молекулярному учению, ряду положений химической кинетики, в том числе закону действующих масс. Поскольку в научной литературе нет общепринятого определения понятия “идеал научного познания”, для данной работы введу следующее рабочее определение:

Идеал научного познания на том или ином историческом этапе — это некоторая высшая цель научной творческой деятельности в данной отрасли знаний, достижение которой является на определенном этапе чрезвычайно трудным, но в то же время представляет огромный духовный (познавательный) или практический интерес.

В философско-методологической литературе идеалы и нормы исследовательской деятельности разделяются на три основные группы: идеалы объяснения и описания; идеалы доказательности и обоснованности знаний; идеалы строения (организации) знаний (см.: [Степин, 1985, c. 74]). Названные группы идеалов целесообразно дополнить идеалом создания искусственных объектов с заданными свойствами, что находит обоснование во многих разделах исследования.

Следует также отметить, что в контексте работы под интеграцией научного знания предлагается понимать процесс и результат простого аддитивного соединения разнородных научных знаний при разностороннем исследовании какого-либо целостного объекта. Под синтезом я понимаю процесс и результат органичного слияния разнородных научных знаний в единой теоретической конструкции в случае пересечения предметных областей соответствующих наук. Для анализа процессов взаимодействия наук я ввожу также такие рабочие понятия, как “физический идеал в химии”, “биологический идеал в химии”, “химический идеал в биологии”, “химический идеал в геологии” и т.п. Под такими интегрирующими понятиями следует понимать весь комплекс идеалов из числа перечисленных выше четырех групп.

Подчеркну, что если бы я использовал, например, вместо понятия “биологический идеал в химии” понятие “идеал биологии в химии”, то мы имели бы более узкое по содержанию понятие, связанное с идеалами научности. В этом случае из поля исследования выпал бы, например, идеал химического синтеза веществ, выделенных из живых организмов, который обусловил развитие органической химии, но возник в результате собственного развития химии без прямого воздействия биологической науки.

В работе я ввожу и использую понятие “научная идеология”, которое всегда дается в кавычках и обозначает в контексте данной работы только идеологию (т.е. систему взглядов, идей, убеждений и т.п.), зарождающуюся и распространяющуюся внутри института науки. К примеру, термин “физическая идеология” в химии обозначает систему взглядов, идей и их пропаганду о значимости физического знания для знания химического, имеющих место внутри сообщества ученых. То же можно сказать о “математической идеологии” в химии, “физико-химической идеологии” в биологии и т.д. Для единства терминологии в данной работе я пользуюсь термином “идеология” в обозначенном выше понимании, хотя в ряде случаев можно было бы использовать близкий по значению термин “методологическая установка”.

 

“Физико-математическая идеология”
и “познавательные идеалы” в химии

Ньютонова (если называть ее именем основателя), или классическая (если характеризовать ее научную законченность и непреходящее значение для науки и техники в целом), механика, или же, наконец, механика макроскопических тел (если подчеркивать предметное отличие ее от квантовой механики — механики микроскопических тел) оказала большое воздействие на развитие химии. Надо сразу сказать, что для характеристики отношений этих двух наук использование понятия “взаимодействие” не вполне подходит, так как исторически имело место однонаправленное действие механики на химию.

Особенностью воздействия механики на химию являлось то, что оно осуществлялось не в связи с “посреднической ролью” общих объектов или предмета исследования, а через субъективные факторы: “механическую идеологию” в химии и связанный с ней научно-познавательный идеал механики.

Поскольку мы берем рассмотрение проблемы не обезличенно, отметим, что при анализе взглядов ученых на вопросы взаимоотношений химии и механики возникают большие, порой не разрешимые до конца проблемы. А именно: трудно различать в тех или иных высказываниях о том, что химия должна стремиться преобразовать свое знание по образцу или в соответствии с механикой, имеется ли в виду приведение законов химии к законам механики или же построение химического знания в соответствии с идеалом научности, представляемым механикой, но необязательно на основе законов механики. Проблема анализа и оценки персональных позиций осложняется еще и тем, что некоторые авторы подобных высказываний (выполняя роль распространителей соответствующей “научной идеологии”) сами не отдают себе полного отчета в указанной разнице и имеют в виду нечто среднее.

Как будет показано ниже, глубина и трагизм противоречий в развитии химии и ее пограничных областей в связи с “механической идеологией”, долгое время доминировавшей в химии, особенно ярко проявились в работах Д.И.Менделеева, на долю которого в конце XIX в. выпал период, когда химия закономерно подошла к окончательному вырождению идеала классической механики и теоретических представлений, исходящих из идей Ньютона.

Идейное влияние классической механики на развитие химии необходимо проанализировать в существенных исторических деталях. Как уже отмечалось, в связях между механикой и химией (в период XVII—XIX вв. от Ньютона до Менделеева) установилось одностороннее воздействие: механика выступала донором, химия — акцептором идей, сложившихся в естествознании в связи с влиянием “механической идеологии”.

Картина дискретной материи, даваемая небесной механикой, послужила моделью и основанием для развития соответствующих концепций о строении микромира. Уверенность в абсолютной всеобщности основных понятий и законов ньютоновой механики (механики макроскопических тел) порождала представления, что при переходе в область микропроцессов (гипотетических в то время атомов, корпускул) все эти законы должны сохранить свою силу. Ньютон высказывал подобные предположения, но в то же время (см. ниже) совершенно строгой аналогии между макро- и микромиром не устанавливал. В свою очередь М.В.Ломоносов высказывался, что “надо специально сказать о механике мельчайших частичек и что к ним не везде можно приложить законы чувствительных (макроскопических. — В.К.) тел” [Меншуткин, 1936, c. 195], хотя он же в “Элементах математической химии” (см. ниже) строит рассуждения в духе механизма в химии.

Основная причина активного внедрения идей классической механики в область химического знания (равно как и в области физического и биологического знаний) достаточно ясна. В 1687 г. вышли в свет “Математические начала натуральной философии” И.Ньютона, в которых, в отличие от картезианской, в науку была введена новая концепция, объяснявшая взаимодействие тел действием сил различной природы с обоснованием возможности их математического описания. По словам Ньютона, “новейшие авторы, отбросив субстанции и скрытые свойства, стараются подчинить явления природы законам математики” [Ньютон, 1936, c. 1]. Важно, что сам Ньютон, видя большое продуктивное начало в созданной им механике, не абсолютизирует ее значения для других областей естество-знания, что нельзя сказать о многих его последователях, в том числе и в химии. Ньютон, скорее, представляет как образец развитые им принципы, чем собственно законы механики. “Я вывел, — писал он, — с помощью математических соображений движение планет из действующих на них сил. Желательно было бы и другие явления природы объяснить из механических начал с помощью такого же способа рассуждения. Многие соображения побуждают меня догадываться, что явления эти зависят от некоторых сил, которыми частицы тел, вследствие причин нам еще неизвестных, гонятся одна к другим и соединяются в правильные фигуры и сталкиваются взаимно” [Ньютон, 1954, c. IX]. Здесь обороты Ньютона “зависят от некоторых сил” и “вследствие причин нам еще неизвестных” показывают, что он не считал законы механики абсолютно универсальными, хотя и предполагал возможность их применения в других областях естественнонаучного знания (“натуральной философии”).

Гипотетические предположения Ньютона о природе сил химического взаимодействия (частиц тел, соединяющихся в правильные фигуры) в той их части, где предполагается аналогия с открытыми им механическими законами, оказались неверными, однако для своего времени они были естественными и оправданными. В частности, в химии они утверждали “научную идеологию” и идеал механики, определившие в XVIII—XIX вв. развитие тенденций перехода химии от экспериментального искусства к теоретическим построениям с применением математического аппарата. Гипотеза Ньютона служила для многих химиков XVIII и XIX вв. удовлетворительной основой объяснения явления химического сродства как силы, подобной тяготению, но в то же время она не давала (да и не могла дать) никаких конкретных указаний для постановки химических экспериментов. Поэтому химики-экспериментаторы исследовали явление химического сродства чисто химическими методами, изучая реакции вытеснения одного соединения другим и составляя соответствующие систематические таблицы (первая таблица — Э.Ф.Жофруа, 1718). Характерно, что сложившаяся ситуация является, пожалуй, первым ярким примером расхождения объяснительных и предсказательных возможностей физики (в лице механики) в химии.

Продолжающиеся успехи классической механики в естествознании и технике в XVIII—XIX вв. служили основанием для укрепления “механической идеологии” в химии (отметим, что понятие “механицизм в химии” я употребляю в общепринятом значении и в тексте не беру его в кавычки). Такая идеология являлась фактором интенсификации исследовательской деятельности в направлении объяснения всего многообразия химических процессов на основе нескольких фундаментальных принципов, подобных механическим. Можно сказать, что физика (в лице механики) была идеалом химии XVIII в.

Прежде чем перейти к взаимосвязанным вопросам становления “математической” и “физической идеологии” в химии, проведем краткий анализ историко-логического процесса реализации регуляционных функций “механической идеологии” в химии. Ньютон ввел в химическое знание представление о химическом сродстве как проявлении особой силы притяжения на малых расстояниях. Он предполагал, что “частицы притягивают одна другую некоторой силой, которая очень велика при непосредственном соприкосновении и производит на малых расстояниях химические действия, но не простирается со значительным действием на большие расстояния от частиц” [Ньютон, 1954, c. 255].

Согласно механистическому миропониманию, постигнуть причины процесса изменения вещества означало понять эти причины как следствие механического движения материальных тел, следствие их пространственного перемещения. Поскольку же химические изменения представлялись как следствие движения вещества, то они должны объясняться на основе законов механики как универсальной науки о движении материальных тел. Тенденция к осуществлению в химии идеала механики Ньютона нашла наиболее полное выражение в XVIII в. в работах А.Лавуазье, П.Лапласа и К.Бертолле. Эти ученые поставили задачу создать фундаментально-научные основы химии, которые позволили бы сжать в единой теории нараставшую лавину эмпирического материала химии. За основу была принята ньютонова механика как идеальный образец системы научных теорий. “Быть может, — писал А.Лавуазье в 1783 г., — однажды точность имеющихся данных будет доведена до такой степени, что геометр сможет рассчитывать в своем кабинете явления, сопровождающие любое химическое соединение, тем же, так сказать, способом, каким он рассчитывает движение небесных тел. Взгляды, имеющиеся на этот счет у г. Лапласа, и эксперименты, которые мы запланировали на основе его идей, чтобы выразить силы сродства различных тел, уже позволяют не рассматривать эту надежду как некую химеру” (см.: [Дорфман, 1962, c. 200—201]).

Находившийся в сфере того же идеологического влияния Лаплас не без излишнего оптимизма писал: “То, что он (Ньютон. — В.К.) говорит о химических сродствах, весьма значительно для его времени и подтвердилось в большей части трудами новейших химиков” [Лаплас, 1861, c. 176]. Утверждающееся в химической науке направление выражается и в высказывании Лавуазье о том, что “наиболее способна стать со временем точной наукой та часть химии, которая трактует о химическом сродстве” (см.: [Погодин, 1943, c. 355]). Первые шаги по реализации намечаемой программы в конкретных химических исследованиях основывались, в первую очередь, на механических представлениях о массе и весовом экспериментальном методе.

Эти шаги на начальных этапах оказались весьма успешными и способствовали утверждению в химии “механической идеологии”. Так, понятие о массе и обусловленные этим количественные весовые измерения в химии, которые особенно активно вводил в химию А.Лавуазье, революционизировали развитие теоретической химии и всего естествознания. Это уже ярко проявилось в XVIII в. с открытием Лавуазье закона сохранения вещества. На этом же пути химия пришла к научной атомистике. “Поставив массу (вес) веществ во главе всех своих обобщений, — отмечал Д.И.Менделеев, — химия пошла за Галилеем и Ньютоном” [Менделеев, 1958, c. 475]. В 1803 г. Дж. Дальтон на материале обширных химических экспериментальных исследований весовых соотношений при вещественных превращениях создал основы научной (а не натурфилософской, как это было, по существу, до него) атомистики и ввел понятие “атомный вес”. В этот период еще не были осознаны границы и вообще ошибочность переноса концепций классической механики в химию, что, однако, хорошо видно при ретроспективном взгляде, особенно с позиций современного естествознания. Как мы сейчас знаем, масса вещества сама по себе, равно как и атомная масса сама по себе, не является непосредственным фактором химического движения, химических качественных превращений вещества. Вплотную к этой проблеме подошел Д.И.Менделеев, исходивший при поисках закономерностей взаимосвязи химических свойств элементов с их атомной массой из концепций механики и пришедший к противоречию с ними в созданной им же периодической таблице.

Таким образом, хотя введение в химию представлений о массе и весового метода привело к созданию такого важнейшего раздела естествознания, как учение об атоме (в начальной фазе — атомистическое учение Дальтона), это не было, как мы сейчас знаем, основным направлением взаимодействия химии и физики вопреки стойким убеждениям химиков от Лавуазье до Менделеева. Вес химического вещества, в данном случае атомный или молекулярный вес, не определяют сами по себе химические свойства вещества. Так, например, изотопы, заметно различаясь по массе, практически эквивалентны по своим химическим свойствам. Именно поэтому до создания базы научных знаний о субатомной структуре вещества, теории химического строения и квантовой механики приведение даже малой части химического знания (в области атомно-молекулярного учения) к знаниям физики, особенно на основе классической механики, было безнадежным делом. В то же время этот путь химического знания к познанию “внутренней” стороны химизма на основе механики привел к становлению многих важнейших областей химии и естествознания в целом.

Последнее подтверждается также становлением знаний о химическом процессе. Так, в начале XIX в. К.Бертолле, основываясь на концепциях механики Ньютона, открыл фундаментальное для химии положение о зависимости скорости протекания химических реакций от масс реагентов, что связывалось с проявлением сил сродства, аналогичных силам притяжения в механике. Также и Вильгельми, предложивший первое математическое выражение для скорости химических реакций, в которое входило значение массы реагентов, видел в своей работе подтверждение идей ньютоновой механики в химии. Наконец, выведенный во второй половине XIX в. К.Гульдбергом и П.Вааге закон действующих масс — основной закон химической кинетики — также подтверждал, по мнению ученых, действенность законов классической механики в химии.

Таким образом, мы видим интереснейший путь становления нового научного знания в химии под воздействием механики, когда “механическая идеология” в химии обусловливала неверные теоретические посылки о природе химического сродства как процесса механического, что, однако, привело к принципиально важным открытиям в химии. Так, роль “действующей массы” определялась, как полагали тогда ученые, основываясь на концепциях механики, спецификой химического взаимодействия, подобного тяготению, известному для макроскопических тел в ньютоновой механике. Как нам сейчас известно, закон действующих масс имеет иное объяснение: пропорциональность скорости химической реакции массе реагентов связана со статистикой столкновений молекул — чем больше “действующая масса”, или, иными словами, концентрация, тем больше вероятность встреч частиц соответствующих реагентов и больше скорость соответствующей реакции.

Введение понятия “атомная масса” не претерпело со времен Дальтона принципиальных изменений, хотя долгое время атомная масса измерялась только в относительных единицах, поскольку не было известно число Авогадро.

Вместе с “механической идеологией” в химии формировалась и “математическая идеология”, причем ее влияние на развитие химического знания всегда было опосредовано через влияние физического, включая механику, знания.

Математика как идеал построения научного знания стала утверждаться с глубокой древности. Хорошо известно, что пифагорейцы (V—IV вв. до Р.Х.) провозгласили количественные отношения как основу сущности вещей, а число — основой Мира. Идеи пифагорейцев получили развитие в философии Платона, который определил математику как эталон науки. Наконец, идеальный образ математики в связи с ее внешней удаленностью от грубой эмпирии нашел утверждение со времени создания дедуктивно-аксиоматической теории Евклида.

При этом важно заметить, что, несмотря на такое “идеологическое давление”, химики (алхимики) с древних времен до XVI в., а далее химики (иатрохимики) в XVI—XVII вв.

не видели особой пользы в использовании образцового метода познания и описания Мира. Распространение “математической идеологии” и математических методов в химии было связано с посреднической ролью физики (на начальных этапах — механики). Этому способствовало распространение “математической идеологии” в естествознании в целом. Пропаганда значения математических знаний для наук о природе и утверждение идеала математики в науке XV—XVIII вв. связаны с именами Леонардо да Винчи, Г.Галилея, Р.Декарта, Б.Паскаля, И.Ньютона, И.Канта и многих других мыслителей. “Истинная наука всегда от первых и доступных познанию начал, — писал Леонардо, — постепенно передвигается к делу при помощи истинных заключений, как это явствует из математических наук, называемых арифметикой и геометрией, т.е. числа и меры” [Леонардо, 1970, c. 86]. Общеизвестны слова Галилея о том, что книга природы “написана на языке математики, ее буквами служат треугольники, окружности и другие геометрические фигуры, без помощи которых человеку невозможно понять ее речь; без них напрасное блуждание в темном лабиринте” (см.: [Льоцци, 1970, c. 80]). Для философа-рационалиста Р.Декарта было вполне естественным принять математику за идеал научного знания (см., напр., [98]). Тенденция утверждения “математической идеологии” в науке нашла продолжение в трудах Б.Паскаля, который, в частности, заметил: “Все, что превышает геометрию, превышает нас” [Стрельцова, 1979, c. 114]. Наконец, И.Ньютон утвердил значимость математики для наук о природе (натуральной философии) в созданной им механике, что отражено в его известных словах: “Я вывел с помощью математических соображений движение планет из действующих на них сил. Желательно было бы и другие явления природы объяснить из механических начал с помощью такого же способа рассуждения” [Ньютон, 1954, c. 44].

Идеал математики для науки в целом пропагандировал и И.Кант. “В любом частном учении о природе, — писал великий мыслитель, — можно найти науки в собственном смысле столько, сколько имеется в ней математики” [Кант, 1966, c. 58].

Развертывание приложений математики в физике (механике) и, более того, развитие математики в области физического знания (например, создание основ дифференциального и интегрального исчислений Ньютоном в связи с проблемами описания движения) послужили решающим фактором для внедрения “математической идеологии” в химию. В XVIII в. передовые ученые-химики устремились к математике, стремясь привести ее вслед за механикой к образцам точности и математической строгости последней. Здесь показательны устремления Лавуазье в союзе с Лапласом, о чем мы говорили выше, приводя замечание Лавуазье о том, что в будущем “геометр сможет рассчитывать в своем кабинете явления, сопровождающие любое химическое соединение” [Дорфман, 1962, c. 200—201]. В этот период М.В.Ломоносов пишет работу “Элементы математической химии” (1741), в которой были представлены программа и методологические основания математизации химии. Принципиально важно именно то, что в этой работе нет ни конкретной химии, ни конкретной математики и сам труд по современной классификации является исключительно методологическим. Обоснование возможностей и путей математизации химии Ломоносов строит по следующей логической схеме. “Химия — наука об изменениях, происходящих в смешанном теле, поскольку оно смешанное”, — делает первую посылку ученый [Ломоносов, 1950, c. 67]. Далее им выстраивается следующая цепочка рассуждений: “Все изменения тел происходят посредством движения. Следовательно, изменения смешанного тела происходят также посредством движения” [там же, с. 73]. В итоге ученый приходит к выводу: “Наука о движении тел есть механика; итак, изменения смешанных тел происходят механически. А поэтому изменения эти могут быть объяснены законами механики” [там же, с. 73]. Механицизм Ломоносова в последней фразе выражен вполне отчетливо.

Итак, по Ломоносову получается в итоге следующая логическая цепь, определяющая пути математизации химии: химия есть наука о смешанных телах — изменения смешанного тела происходят посредством движения — наука о движении есть механика — механика основана на математике — химия должна находить основания в математическом аппарате механики.

Заключительная позиция Ломоносова выражается словами: “В самом деле, если математики из сопоставления немногих линий выводят очень многие истины, то и для химиков я не вижу никакой иной причины, вследствие которой они могли бы вывести больше закономерностей из такого обилия имеющихся опытов, кроме незнания математики” [Ломоносов, 1950, c. 75].

Позиция Ломоносова механистическая, в этом — ее некоторый отрицательный заряд, но ее положительное значение намного больше, поскольку на раннем и ответственном этапе становления химии она утверждала значимость для химии аппарата математики.

Если выделить только математический аппарат химии XVIII в., который, действительно, вошел в практический инструментарий химии, то это будет аппарат арифметики и некоторое подобие алгебраических уравнений в виде химических уравнений. Количественные физические инструменты в химических исследованиях дали возможность включить в описание химических процессов количественные арифметические соотношения. Отмечая элементарный уровень математизации химии до конца XVIII в., важно иметь в виду, что использование простых физических инструментов и элементарных численных расчетов определило открытие важнейших для всего естествознания законов: постоянства состава Ж.Прустом, простых кратных отношений Дж.Дальтоном, соединительных объемов Ж.Л.Гей-Люссаком, составивших научную основу атомно-молекулярного учения XIX в.

Атомно-молекулярное учение, получившее интенсивное развитие в XIX в. во взаимодействиях химии и физики, качественно обогатилось в ХХ в. новыми пограничными физико-химическими областями, предполагающими применение различных разделов математики.

Что же касается XIX в., то математизация химии в разделах исследования микроскопических процессов (атомно-молекулярного учения) не состоялась, механистические ньютонианские концепции оказались несостоятельными, ошибочными (в частности, развитые в “Элементах математической химии” Ломоносова), а время квантовой механики и квантовой химии еще не пришло.

Положительная роль атомно-молекулярной теории XIX в. в процессе математизации химического знания заключалась в том, что в ней были определены понятия “атом”, “элемент”, “молекула” и, естественно, была получена возможность перейти от рецептурных химических описаний к языку химических и математических символов. Последнее, в свою очередь, предполагало возможность арифметических и алгебраических операций. В результате к началу XIX в. под влиянием вдохновляющих успехов механики и математики и вследствие энергичного развития химической науки, основывавшейся во многих важных частях на концепциях механики, стал утверждаться “математический идеал”. Идеальный образ математики стал одним из заметных факторов регуляции исследовательской деятельности в химии. Последнее хорошо выражается в словах Ш.Жерара, который в 1847 г. в предисловии к учебнику химии писал: “Я старался, насколько возможно, сочетать в изложении явлений точность с ясностью, приняв за образец математиков, которые всегда предварительно определяют смысл каждого термина. Настанет время, когда учебники химии будут писаться так, как пишется геометрия или алгебра” [Фаерштейн, 1968, c. 42]. Относительно середины XIX в. мы еще не можем говорить о сколько-нибудь заметной математизации химии; в это время Жерар ориентируется только на образцы логической стройности математического знания, не используя операционально-математический аппарат.

Обсуждая тенденции математизации химии в XIX в., надо сказать, что, как и в XVIII в., в химии наблюдается влияние “математической идеологии” и “идеалов математики”, которое не во всех случаях выражается в конкретном использовании математического аппарата.

Можно также сказать, что с развитием химической атомистики язык химии стал более определенным как в понятийной, так и в символической части, что создало определенные условия для более эффективного использования в химии формальной логики. Последнее, в свою очередь, послужило в будущем фактором математизации ряда содержательных разделов химического знания. Становление этой тенденции особенно проявилось в развитии теорий строения химических соединений. Так, например, Ш.Жерар назвал свои исследования по теории типов “химической алгеброй” [Фаерштейн, 1968, c. 141] (хотя и не использовал в своей теории математический аппарат), подчеркивая тем самым значение логических подходов при анализе обширного экспериментального материала химии. Если говорить о непосредственном использовании математического аппарата в химии XIX в., то необходимо подчеркнуть, что в то время количественные математические методы применялись главным образом в сфере феноменологических химических дисциплин, таких как химическая кинетика и химическая термодинамика. Только в этой сфере, позволяющей получать количественные данные интегральных характеристик систем (изменения массы реагентов, тепловые эффекты и т.п.), оказалась возможной математическая формализация некоторых разделов химического знания, точнее, знания в пограничных областях химии и физики.

В XIX в. становление и развитие временных представлений в химии определили принципиально новый уровень ее математизации. Действительно, если исследования весовых и объемных характеристик химических превращений привели к использованию в химии элементарного аппарата арифметики и алгебры, а также (с развитием атомистики) способствовали, как отмечалось, увеличению в творчестве химиков доли логических рассуждений по отношению к опытному творчеству, искусству, то исследования химических превращений как происходящих во времени определили использование в математическом аппарате химии первой независимой переменной — времени. В химической кинетике была вскрыта предметная область химии, в свою очередь определившая использование в ней математического аппарата обыкновенных дифференциальных уравнений — аппарата, имеющего принципиальные отличия от ранее использовавшихся арифметики и алгебры (причем последней в самом элементарном варианте).

Для характеристики историко-логического процесса математизации химии в такой области, как химическая кинетика, важно отметить, что все математические выражения в феноменологической по своей сути химической кинетике не были выведены дедуктивно из каких-либо начальных посылок, а представляли собой математическое оформление тех или иных моделей, построенных на основе экспериментальных зависимостей.

В связи с этой особенностью в химической кинетике XIX в. и во многих ее разделах ХХ в. расширение и усложнение математического инструментария происходило в непосредственной связи с обогащением научного знания о сложном характере кинетики и механизма химических реакций.

Особенности взаимосвязей математики и термодинамики (в том числе химической термодинамики) интересным образом проявляются в форме записи математических выражений, устанавливающих взаимосвязи термодинамических функций. Как известно, значения основных термодинамических функций определяются несколькими независимыми переменными. Энергия Гельмгольца может рассматриваться как функция температуры и объема, внутренняя энергия — как функция энтропии и объема, энтропия — как функция внутренней энергии и объема. Такие функциональные взаимосвязи дают основание для записи термодинамических уравнений, в том числе используемых для описания химических систем, в виде уравнений в частных производных.

Действительно, основные термодинамические функции в большей части не определены по своему абсолютному значению, в термодинамических же расчетах пользуются величинами изменений значений термодинамических функций, что отражается в записи термодинамических уравнений в виде уравнений в частных производных. Однако в данном конкретном примере существенно учесть, что во второй половине XIX в. и в значительной степени в наше время такая форма записи математической зависимости термодинамических функций используется более для собственного выражения такой зависимости и не предполагает решения математических задач для уравнений в частных производных.

Дело в том, что термодинамика построена как феноменологическая наука, законы которой представляют собой обобщение большого эмпирического естественнонаучного материала по исследованию макроскопических систем. В этом смысле термодинамика — типичная индуктивная область знания.

К тому же в термодинамике XIX в. и в большинстве разделов термодинамики ХХ в. изучались равновесные процессы и соответственно описывались системы, находящиеся в равновесном состоянии или близкие к нему. По названным выше обстоятельствам дифференциальная форма уравнений для термодинамических функций не выведена дедуктивным путем и не предполагает аналитических решений уравнений в частных производных. Здесь мы имеем представление только в математической форме эмпирических взаимосвязей термодинамических переменных.

С точки зрения методологического анализа проблемы математизации естественнонаучных знаний рассмотренный случай интересен тем, что показывает типичный вариант использования математической формализации без специальной цели получения аналитических решений.

Интересно отметить следующее. Так, если в химии XVIII в. использовались математические знания, соответствовавшие уровню развития этой науки в Древнем мире, т.е. “асин-хронность” развития была порядка тысячелетий, то к середине XIX в. эта “асинхронность” составляла порядка полутора столетий; в ХХ в. этот разрыв сократился до нескольких десятилетий, а сейчас в ряде случаев разрыв во времени вообще отсутствует. Последнее особенно характерно для развивающихся разделов вычислительной математики, которые находят прямое применение для решения задач химии.

Особое распространение методы вычислительной математики в химической термодинамике получили во второй половине ХХ в., когда создание достаточно быстродействующих ЭВМ, компьютерной техники позволило проводить анализ и расчет равновесий для сложных многокомпонентных систем, недоступных ранее анализу в силу большого объема вычислительных процедур. При всей математизации химии в области равновесной термодинамики специфика ее предметной области обусловливает справедливость общего замечания, высказанного А.Баблоянц: “Красота равновесной термодинамики заключается в том, что с помощью всего лишь нескольких законов и несложных математических вычислений можно вывести множество общих и полезных соотношений между различными параметрами состояния системы” [Баблоянц, 1990, c. 80]. Качественный скачок в процессе математизации химии в области исследования макроскопических химических систем произошел с возникновением так называемой новой химии [там же, с. 160—235], или ее частного варианта, называемого “динамикой химических реакций” [там же, с. 159]. Основным предметом новой химии являются открытые самоорганизующиеся молекулярные системы — диссипативные структуры [там же, с. 170—171].

Эта принципиально новая область естествознания основывается на концепциях неравновесной термодинамики (разработанных в 30—40-х гг. ХХ в. Л.Онсагером, И.Р.Пригожиным на материале, что показательно, преимущественно химических и биохимических систем, эмпирических знаний, вытекающих из открытия осциллирующей реакции Белоусова—Жаботинского.

Рассматривая вопрос становления “математической идеологии” и математического идеала в химии, следует сказать и о развитии “контридеологии”, играющей сдерживающую роль в процессе математизации химии.

Важно отметить, что в связи с тем, что математика значительно раньше других наук (физики, химии, биологии и т.д.) выделилась в самостоятельную область знания, ее абсолютизация как образца познавательного метода (утверждение “математического идеала”) и ее непринятие как излишне формализованного метода (дискредитация “математического идеала”) проявились в весьма ранние сроки. Так, Паскаль, принимая в целом рационализм Декарта и видя для познавательной деятельности большие преимущества аксиматико-дедуктивного метода, тем не менее высказывался о том, что познание истины идет не только разумом, но и волей и сердцем [Стрельцова, 1979, c. 124]. Великий поэт и естествоиспытатель Гете заявлял, что он не принимает чисто математическую картину Мира (см.: [Вернадский, 1981, c. 250—251]).

Примеры охарактеризованных выше взглядов показательны как позиции, дискредитирующие идеальный образ математики для науки в целом, истоки утверждения которого восходят к пифагорейцам. Данная позиция в отношении к проблемам физической химии хорошо иллюстрируется для ситуации XIX в. словами Вант-Гоффа, в которых он указывал на опасность подмены понимания сущности химических явлений формализмом сложных математических расчетов (что и в современной литературе довольно заметное явление). В частности, по поводу формулы для осмотического давления П.Дюгема Вант-Гофф заметил, что она содержит 41 символ и что ее излишняя сложность мешает пониманию сущности дела [Добротин, 1977, c. 98].

В целом можно сказать, что значение “математической идеологии” в химии не стало столь важным, как “физической идеологии” по двум основным причинам: внедрение математических знаний в химию всегда осуществлялось и осуществляется сейчас в подавляющем большинстве случаев через лимитирующий фактор — внедрение соответствующего физического знания с его математическим аппаратом.

При этом уже на ранних стадиях химики (включая физхимиков) стали осознавать ограниченность познавательных возможностей математических методов в химии. Такая позиция была связана не только с консервативностью и парадигмальностью традиционного “химического мышления”, но и с достаточно обоснованным пониманием ограниченности возможностей формализованных методов для развития содержательного знания химии и естественных наук в целом. Совершенно очевидно, что признаки развития математики существенно отличаются от таковых для естественных наук, совпадая лишь в некоторых частях. Можно сказать, что в ХХ в. стали достаточно ясно видны пределы формализации и математизации содержательных знаний химии. Относительно нашего времени можно говорить о значимости математики для химии, констатировать резкое расширение фронта математизации химии, становление в связи с этим “математической идеологии” в химии, но одновременно мы можем утверждать о практически полном вырождении “математического идеала”.

Выше было рассмотрено становление “механической” и “математической” идеологий в химии, а также соответствующих идеалов научного познания. В заключение поговорим о становлении “физической идеологии” в химии.

Поскольку механика относится к области физических наук, вопросы “механической идеологии” и “идеала механики” в химии, рассмотренные выше, можно отнести к вопросам утверждения “физического идеала”, “физической идеологии” в области химического знания. Однако, естественно, понятия “физической идеологии” и “физического идеала” будут шире, и соответственно нам нужно проанализировать проблему в более широкой постановке. Для этого обозначим наиболее заметные этапы, определяющие зарождение “физической идеологии” в химии (утверждение “физической идеологии” в химии со второй половины XIX в. и по настоящее время связано со множеством феноменов взаимодействий химии и физики, которые достаточно известны; многие из них анализируются в последующих частях).

Понятие “физическая химия” возникло в конце XVII в. и заметное распространение получило в XVIII в. В первой половине XVIII в. вышли в свет руководства под названием “Физическая химия”. Это были типичные химические руководства (руководства Тейхенмейера, 1729, Каптейзера, 1736, Валериуса, 1759 и др.), содержащие обычные для XVIII в. химико-аналитические описания, в которых химия понималась как искусство разделять вещества на составные части (анализ) и составлять тела из этих начал (синтез) (см.: [Соловьев, 1980]).

Указанные труды не имели заметного физико-химического содержания, что естественно, так как такового в химии того времени еще не было. В связи с этим можно сказать, что названия этих руководств выражали не их конкретное содержание, а зарождавшуюся тенденцию развития “физической идеологии” в химии и новый “физический идеал”, противоположный идеалам алхимии и иатрохимии и связанный со стремлением химиков того времени приблизить химическое искусство к науке, наподобие той, каковой являлась уже физика, в первую очередь механика.

Немаловажно отметить, что в этот же период Ломоносов написал “Элементы математической химии”, в которых также не было никакого математического содержания. Все это позволяет говорить, что в конкретных науках “научная идеология” часто играет инициирующую и регулирующую роли в развитии процессов взаимодействия научных знаний, а не только пишет серыми красками по серому (пропагандируя уже реализованные тенденции).

Таким образом, “физическая химия” в XVII—XVIII вв. была не столько конкретной исследовательской областью, сколько новой “научной идеологией” внутри института химии, носительницей “физического идеала”.

Напряженное движение естествоиспытателей второй половины XVIII в., ориентировавшихся на этот идеал, привело к ожидаемым результатам — в первую очередь имеется в виду возникновение “центра” взаимодействия химии и физики в области научной атомистики, определившее зарождение многих междисциплинарных областей знания.

Мы проанализировали становление “научных идеологий” и идеалов научного познания, привносимых в химию из системы физико-математического знания. Сам по себе процесс такого становления, являясь первым этапом взаимодействия наук в субъективной сфере (на “идеологическом фронте”), только предполагает развитие взаимодействий соответствующих знаний в конкретных научных областях. В то же время рассматриваемые феномены научной деятельности являются заметными факторами, приводящими к определенной ориентации и концентрации действий субъектов научной деятельности, что, в конечном итоге, определяет ее эффективность и результативность в соответствующем направлении.

 

Химические знания и идеи в минералогии

Напомним один из вариантов современного определения понятия “минерал”: “Минералом называют любой гомогенный материал, встречающийся в природе как продукт неорганических процессов; т.е. минерал не является продуктом деятельности живых организмов” [Полинг, 1978, c. 15].

Взаимодействия научных знаний, которые по современной классификации можно отнести к химическим и геологическим, начали происходить намного раньше выделения этих разделов знания в качестве самостоятельных дисциплин.

В прикладной технологической области взаимосвязь химии и минералогии начала проявляться в деятельности древних металлургов (см.: [Сборник, 1980]). В сфере синкретической науки минеральный мир, окружая человека в зримых формах, послужил основанием для натурфилософских концепций о строении Земли и всего окружающего мира. Хорошо известно, что, например, Аристотель, опираясь на представления о четырех стихиях (земля, воздух, огонь и вода), составляющих окружающий мир и дающих основание огненным и водным образованиям, объяснял происхождение из водных стихий металлов, а из огненных — камней. Он же разделил ископаемые на земли, камни и руды. Можно отметить, что в подходе Аристотеля заложены методологические основания как описательной минералогии, так и историко-химической ее составляющей (в попытках объяснения состава и происхождения минеральных тел). В средневековье в государствах Средней Азии поддерживалось и развивалось учение Аристотеля. В трактатах Бируни, Ибн Сины (Авиценны) минералы классифицировались на камни, горючие ископаемые, соли и металлы.

Развитие горного дела в связи с потребностями металлургии и других практических отраслей, использующих минеральное сырье Земли, вело к обогащению эмпирических знаний о различных минеральных образованиях. Как видно, на начальном этапе эти знания накапливались вне института науки. На этом основании делается вывод, что “минералогия возникла как естественноисторическое знание в XVI столетии из практических проблем горного дела и металлургии” [Фабиан, 1967, c. 140].

В этом случае можно отметить существенное отличие начальных этапов становления геологического (минералогического) знания от этапов становления физико-математического, химического и биологического знаний, которые, помимо практических ценностных ориентаций, развивались также и под влиянием факторов духовно-познавательного свойства. Оформление геологии как обособленной области научно-технического знания связывается с XVIII в., “...когда под влиянием крупной капиталистической промышленности стали быстро расти потребности общества в ископаемом минеральном сырье и в связи с этим возрос интерес к изучению недр” [Косыгин, 1971].

Высказывается и прямо противоположная точка зрения. Генезис геологии и минералогии происходил внутри института науки, и это подтверждается тем обстоятельством, что в трудах естествоиспытателей XVIII в., наиболее близких по роду научной деятельности к проблемам геологии и минералогии (М.В.Ломоносов, И.И.Лепехин, П.С.Паллас — Россия; Ж.Л.Бюффон, Р.Делиль, Р.Ж.Гаюи — Франция; Г.Б. де Соссюр — Швейцария; А.Г.Вернер — Германия; У.Смит, Дж.Геттон — Англия), почти нет сведений о полезных ископаемых, за исключением некоторых работ М.В.Ломоносова и А.Г.Вернера (см.: [Яншин, 1979]). В связи с этим делается вывод: “... геология и минералогия рождались под влиянием философских идей французских энциклопедистов, первых успехов физики, химии и астрономии, достигнутых в первой половине XVIII в., широко распространившегося в образованных кругах Европы стремления понять истинный смысл природных явлений и процессов, хотя вначале вне связи с развитием горного дела” [там же, с. 104—105].

В результате синтеза этих крайних точек зрения можно отметить интересный феномен генезиса естественнонаучной области знания (геологии и минералогии), когда ее возникновение происходило, с одной стороны, в “приземленной” сфере деятельности (металлургии и горном деле), с другой — в “возвышенной” сфере культурной жизни, научно-познавательной и духовной атмосфере XVII—XVIII вв.

Как уже специально подчеркивалось, эмпирический базис для взаимодействия химии и геологии складывался естественным путем, в рамках различных практических технологий переработки минеральных продуктов и всей неорганической химии, материальную препаративную базу которой составляли минеральные источники. Поэтому до рубежа XVIII—XIX вв., когда вскрылись пограничные объект-предметные области химии и минералогии на молекулярно-минеральном уровнях, выделяется период “прото-взаимодействия” химии и геологии, который в этой работе назван также “химическим истоком кристаллографии и минералогии”.

Заметным обогащением химического инструментария для исследования минералов было открытие в XIV—XV вв. минеральных кислот — соляной, азотной, серной, которые являлись важными реактивами при аналитических химических исследованиях минералов.

В целом два фактора — кризис описательного морфологического подхода в минералогии и база знаний о химическом составе минералов — обусловили формирование в XVIII в. специальных программ целенаправленных исследований химического состава минералов, что привело к явной (дисциплинарной) форме взаимодействия химии и минералогии. Минерал как продукт физико-химических процессов, происходящих при эволюции планетарной системы, был включен со второй половины XVIII в. в программу междисциплинарных исследований в пограничных областях химии. В результате такого целенаправленного исследования минералов методами химии за достаточно короткий исторический срок (вторую половину XVIII в.) было получено много дополнительных знаний о химической природе минералов.

На рубеже XVIII—XIX вв. выходит в свет многотомный труд М.Г.Клапрота “К химическому познанию минералов” (1795—1810), представляющий в целом итог химического аналитического подхода в минералогии и одновременно рубеж, после которого стал реализовываться на новом уровне процесс взаимодействия химии с минералогией уже в тесной взаимосвязи с кристаллографией.

Отмечу, что химические исследования минералов имели и для химии первостепенное значение — для расширения сырьевой базы препаративной химии (в ее научной части) и химической технологии (в ее промышленно-прикладной области), и, особенно, для развития фундаментальных знаний об элементарных составляющих материальных тел — химических элементах, открытие которых во многих случаях происходило в результате химических исследований минералов.

Углубление и расширение знаний об элементарных составляющих материальных тел, разнообразии природных форм, в которых они встречаются, обогащали научную картину мира, входили в базу фундаментальных научных знаний, составляющих основу для развития и конкретизации учения о материальном единстве мира.

Описанный выше процесс взаимообогащения научных знаний в области химии и минералогии в результате химического анализа минералов еще не есть результат взаимодействия наук, а результат одностороннего действия химии на минералогию. И в описанной ситуации до конца XVIII в. и позднее мы еще не обнаруживаем явного пересечения предметных областей химии и минералогии. В этот период не минералогия как наука, а материальные объекты (минералы), исследуемые химическими методами, являлись объективными вещественными факторами взаимосвязи данных наук.

Аналогичен и процесс взаимодействия химии с биологией, в котором на начальных этапах (и приблизительно в этот же исторический период XVIII—XIX вв.) не биология как наука, а химические исследования биологических (живых) объектов давали материал для развития органической химии, и лишь позднее произошло формирование таких пограничных областей, как биохимия, биоорганическая химия, молекулярная биология.

1, 2