Физика как теоретическая основа естествознания

Естествознание «держится» на двух «китах» – физике и биологии. Однако положение этих наук в естествознании не равнозначно. Биология может быть определена кратко – как наука о живой природе. Что же есть сегодня физика?

 Начиная с работ Галилея, физика непрерывно расширяла и углубляла область своего познания, раскрывая все более общие закономерности, определяющие строение и свойства материального мира.

 Сегодня физика есть наука о фундаментальных структурах материи, о веществе и поле, наука о формах существования материи – о пространстве и времени. Никакого иного определения физике дать нельзя.

 Физика стала тем, что она есть сегодня, в результате революции в естествознании, произошедшей в начале XX века. Создание специальной и общей теории относительности Эйнштейном, разработка квантовой механики, раскрытие строения атома и атомного ядра определили решительный прорыв в тайны природы. Эта революция, этот прорыв были подготовлены всем предшествующим развитием физики, столкнувшейся на рубеже XX в. с принципиальными трудностями. Их преодоление потребовало создания новой физики, включившей в себя классическую как частный случай. Новая физика, новое научное мировоззрение дали современное понимание общего смысла и содержания физики, осветили всю ее предшествующую историю.

 Мы знаем теперь, что вещество и поле – виды существования материи. Мы знаем законы микромира, соединяющиеся с макроскопической физикой согласно принципу соответствия. Теория относительности раскрыла смысл измерений пространства и времени, показала, что свойства пространства и времени непосредственно связаны с материальными явлениями. Физика достигла этих высот на основе совершенного эксперимента и органического включения математики в самое существо физических построений.

Математика, как наиболее абстрактный и общий метод исследования количественных взаимоотношений во Вселенной, находит в физике не только безграничное поле применения, но и реальное обоснование. Умозрительные построения неевклидовой геометрии в трудах Лобачевского, Больяи, Гаусса соединились с физической реальностью в общей теории относительности Эйнштейна.

 Геометрия стала, таким образом, частью физики и утратила свою кажущуюся априорность. В этом случае, как и в ряде других, математические абстракции обгоняли физику, предшествовали ей, а затем получали физическое обоснование.

 Свойства пространства определяются характером взаимодействий между материальными телами. Течение времени выражает необратимость реальных физических процессов, необратимость развития Вселенной.

Химия

Рассматривая в дальнейшем связь физики с химией и биологией, мы попытаемся показать, что такое отождествление не следует из определения физики. Часто употребляемый в негативном смысле термин «сведение» не имеет реального содержания.

 Практически бесконечное разнообразие объектов и явлений неживой и живой природы по мере их познания приводит к возникновению все более разнородных областей естествознания, к широкому разветвлению сети естественных наук. Физика и биология – обобщенные понятия. Так, в единой биологии существуют зоология, ботаника, цитология и генетика, биология развития и учение об эволюции, экология и физиология и т.д. Эти области разнятся предметами и методами исследования и существуют в той или иной мере самостоятельно – во всяком случае сегодня.

 По мере своего развития и превращения в область точного знания любая наука во все большей степени пользуется математическим аппаратом. Сейчас уже никого не удивляет публикация в зоологическом журнале изощренных математических изысканий, посвященных динамике популяций. В наше время это естественно.

 Математизация естествознания имеет двоякий смысл. Во-первых, она означает достижение высокого уровня знаний, позволяющего рассматривать изучаемые проблемы количественно. Во-вторых, по тем же причинам, математизация естествознания означает его углубление и открывает пути к пониманию теоретических основ изучаемой области. Несмотря на то, что математизация всегда вынуждена исходить из упрощенных моделей, ее развитие не связано ни с какими потерями. Математизация – чистый выигрыш.

Признание фундаментального значения физики в естествознании не только не отменяет самостоятельности любой из естественных наук, не «сводит» их к физике, но углубляет их, дает им подлинное обоснование. Нахождение теоретических основ биологии ведет к преодолению разобщенности знания, к установлению глубокого единства в бесконечном разнообразии явлений природы.

 Физические закономерности, определяющие основные явления, с которыми имеет дело химия, сейчас раскрыты. Главные проблемы теоретической химии – природа химической связи и химической реакции. В рамках химии, как таковой, было установлено количественное понятие валентности, выяснена ее насыщаемость и направленность. Вершина химии – периодический закон Менделеева – определил зависимость химических свойств элемента от строения атома. Необходимо подчеркнуть, что эти фундаментальные положения, да и сами понятия об атоме и молекуле, были сформулированы в химии задолго до того, как они стали достоянием физики. Дальнейшее развитие теоретической химии привело ее к полному слиянию с физикой – физика стала теоретической основой химии, т.е. развила новый раздел физики – теоретическая химия.

 Построение теории атома Бором незамедлительно «сработало» в химии. Льюис дал первую качественную теорию химической связи, показав, что валентный штрих выражает обобществление двух электронов, и валентность атома определяется числом электронов его внешней оболочки. Сам Нильс Бор объяснил периодический закон распределением электронов по квантовым уровням энергии. Полная теория периодического закона была дана после построения квантовой механики, после открытия принципа Паули.

 Количественная теория химической связи оказалась одним из первых следствий квантовой механики. При этом физика встретилась с классической задачей многих тел, неразрешимой аналитически. На новой, квантово-механической основе пришлось идти путями, задолго до этого изученными в небесной механике, – путями приближенных теоретических расчетов. Уже на этом этапе оказалось возможным точное вычисление энергии и длины связи в простейших случаях. Вначале приближенные методы квантовой химии естественно объединялись с ранее отработанными моделями структурной химии, что привело к построению теории электронного резонанса (Л. Полинг). В дальнейшем, по мере углубления квантово-механического анализа, физическая теория химической связи обрела необходимую самостоятельность, и расчеты, основанные на так называемом методе локализованных пар, утратили свое значение. Современная ситуация в этой области такова, что мы располагаем принципиальной возможностью расчета свойств молекул в весьма сложных случаях. Такие расчеты дают энергии валентных и невалентных взаимодействий, равновесные расстояния между атомными ядрами в молекуле, распределение в ней электронной плотности и т.д. Независимо от практического выполнения таких расчетов, требующих большого времени работы ЭВМ, существенна именно принципиальная их возможность и тем самым уверенность в том, что задачи, относящиеся к строению молекул, к природе химических связей, полностью решаются физикой.

 Теоретическая химия имеет в своей основе области, именуемые физической химией и химической физикой. Различие между этими областями условное, но и в том и в другом случае речь идет о физике.

 Сейчас ясно, что свойства электронных оболочек атомов и молекул имеют непосредственное макроскопическое выражение в химических реакциях.

 Очевидно, что создание физической теории атомов и молекул ничем не «подменяет» химию. Понимая физическую сущность химических явлений, мы изучаем строение молекул и их взаимодействие методами химии, дающими необходимую информацию несравненно быстрее, точнее и проще, чем теоретические расчеты, основанные на квантовой и статистической механике, на физической кинетике и термодинамике. Эти химические методы объединены сейчас с экспериментальными методами физики, широко применяемыми на всех этапах исследования.

 Для пояснения нынешнего состояния химии стоит рассмотреть ситуацию в некоторых частных, прикладных областях физики. Современная электрорадиотехника – обширная область с хорошо разработанными методами расчета сетей, зачастую весьма сложными, но приспособленными для рационального решения соответствующих задач. Можно говорить о специфических закономерностях электрических сетей, например, в простейших случаях мы имеем дело с законами Кирхгофа. При этом мы понимаем, что вся электрорадиотехника имеет в своей основе физическую электродинамику, уравнения Максвелла. Никому, однако, не придет в голову обращаться к этим уравнениям при решении конкретных электро- или радиотехнических задач – для этого существуют более целесообразные приемы.

Смысл изложенного состоит в том, что познание имеет многоуровневый характер. На каждом уровне познания мы встречаемся с закономерностями, специфичными для этого уровня, и если мы не переходим на другие уровни, то нет надобности выходить за пределы этих закономерностей – их применение наиболее целесообразно и разумно. Однако в природе всегда имеется уровень наиболее глубокий, на котором мы встречаемся с «исходными», фундаментальными законами материального мира – с законами физики. Построение теоретических основ естественной науки означает переход на этот уровень. В химии такой переход осуществлен.

Химия есть наука, изучающая определенный уровень явлений природы, уровень образований электронных оболочек атомов и молекул. Соответственно, химия раскрывает свои законы и пользуется для этого своими методами. В основе этих законов лежит физика, и современная теоретическая химия строится на более глубоком уровне познания. Но, оставаясь на уровне химии, нецелесообразно заменять адекватные этому уровню методы иными. Следует лишь дополнить химические методы физическими, что и делает современная наука.