Структура эмпирической реальности

Картина мира становится зависящей от того, из какой «системы отсчета знаний», то есть из какой науки, мы на анализируемую систему «смотрим».
Источник: Compuart.ru

В современном представлении о вселенной между представителями различных наук имеется противоречие. Оно серьезнейшим образом зависит от того, «глядя» из какой науки эти представления формулируются.

Физики-лирики и химики-эмпирики

«Глядя из физики», общепризнанной и несомненной является фундаментальная вселенная, основанная на фундаментальных законах. Согласно этой концепции то, что происходит на более высоких уровнях организации материи (например, в биологии, в которой иерархия структур состоит как минимум из четырех уровней: атом > молекулы > молекулярные комплексы > живые организмы), в принципе полностью может быть выведено из законов, определяемых на более низких уровнях организации материи. Таким образом, все происходящее в мире определяется фундаментальными законами физики.

Нерешенные в настоящее время проблемы (такие, как предсказание структуры молекул исходя из уравнения Шредингера, написанного для составляющих их атомов), «глядя из физики», – всего лишь временная трудность: пройдет пять, 50 или 500 лет, улучшатся вычислительные методы и компьютеры – и все проблемы будут решены. В этом нет и не может быть никакого сомнения.

«Глядя из химии» (а также «из наук», изучающих более высокие уровни организации вещества: молекулярной биологии, material science и др.), ситуация совершенно иная. Поскольку строение ни одного (или почти ни одного за редчайшими исключениями) химического вещества вывести из уравнения Шредингера не удается, для прикладных задач теоретик задается структурой, полученной из эксперимента, а затем, подбирая соответствующие коэффициенты по заданной (но не предсказанной!) химической формуле вещества, вычисляются конфигурации, химические активности и другие свойства системы. И дело даже не в том, что химики, согласно общепринятой в их сообществе точке зрения, рассматривают фундаментальный подход физики как абсолютно бесполезный – что само по себе должно настораживать. Главное заключается в том, что, «глядя из химии», мир устроен не фундаментально и введение элементов эмпиризма или квазиэмпиризма представляется неизбежным. Причем физическая природа этих дополнительных предположений или результатов экспериментов остается невыясненной.

Попытка решать проблему молекулярного мира на основе единого для всех электронно-ядерных состояний уравнения и явного учета только фундаментальных взаимодействий между частицами приводит к некорректности постановки задачи в указанном выше смысле и делает невозможным сопоставление результатов расчетов с экспериментом.

Сегодня вопрос о фундаментальной – или не фундаментальной – картине мира, «глядя из химии», является вопросом веры, не более. Одни исследователи, работающие в прикладных областях, верят в то, что все может быть выведено из фундаментальных законов физики, другие не верят. Но доводов в пользу той или иной точки зрения (говоря объективно), «глядя из химии» (а также биохимии, молекулярной биологии, энзимологии, material science и других наук, изучающих соединения атомов), сегодня нет.

Эмпирическая реальность

Прежде всего обратим внимание на тот факт, что отсутствие предсказания того, какие именно структуры возникнут при соединениях молекул, имеет место не только при образовании молекул, но и при образовании твердых тел. В физике твердого тела все возможные кристаллические решетки классифицированы. Однако предсказания того, какой тип симметрии будет образован из составляющих решетку веществ при тех или иных внешних условиях, сделать не удается практически никогда. Таким образом, с точки зрения фундаментального подхода к проблеме ситуация в физике твердого тела во многом напоминает ситуацию в химии.

Из эксперимента, то есть эмпирически, а не на основе фундаментальных законов, задается структура вещества, а уже затем производятся соответствующие вычисления (во многих случаях находящиеся в хорошем соответствии с экспериментами). Таким образом, структура вещества, состоящего из взаимодействующих атомов, и возникающие при этом симметрии из фундаментальных законов физики в настоящее время не определяется ни в одной области науки, изучающей системы с взаимодействующими атомами.

Трудность в предсказании структур и симметрий в многоатомных системах представляется не удивительной, так как с точки зрения современной теории валентности существуют всего две возможности для образования валентной связи: полный переход электрона с одного атома к другому (ионная связь) и разделение его волнововой функции между атомами (ковалентная связь).

Уверенность в том, что все существующие структуры и симметрии в химии и молекулярной физике (включая и жизнь) образуются благодаря только двум этим фундаментальным эффектам, естествоиспытателю, который не знает о том, что такая картина образования структурированного вещества является общепризнанной, несомненно, показалась бы чересчур упрощенной, неполной.

Тот факт, что ни одна или почти ни одна химическая формула молекул, а также почти ни одна конформация молекулы с заданной химической формулой при наличии множественности возможных конфигураций не выведена из фундаментальных принципов, а введена эмпирически, показался бы такому «пришельцу» совершенно естественным; отсутствие таких предсказаний явилось бы веским доводом (и, более того, доказательством) того, что общепринятая в начале XXI века модель валентности неполна или неверна.

Таким образом, наличие пропасти между физикой и остальными естественными науками именно в этом месте во многом предопределено теорией валентной связи, остающейся в основополагающих постулатах неизменной с 30-х годов XX века. В любом случае понимания того, откуда берутся «полуэмпирические соотношения», структуры и симметрии в многоатомных соединениях, в настоящее время нет.

Фундаментальность: снизу и сверху

По традиции фундаментальными называют законы, которые определяют более высокие уровни строения вещества на основе того, что происходит на нижних этажах организации материи. Однако прогресс биохимии и молекулярной биологии заставляет расширить это определение. Так, фундаментальной для генетики является комплементарность (complementarity) двух пар нуклеотидов; для энзимологии фундаментальным является набор аминокислот, из которых состоят все белки; фундаментальной для мембран клеток является структура липидов, составляющих их основу, и т.д.

Но если картина мира фундаментальна, то фундаментальные законы на верхних этажах организации материи должны определяться фундаментальными законами на более нижних этажах иерархии. Поскольку все указанные соединения состоят из атомов, то в принципе, если фундаментальная картина мира верна, все указанные закономерности должны выводиться из теории атома. В настоящее время, однако, ни один из упомянутых выше законов генетики, энзимологии, физики мембран в приведенных выше примерах (а также многие другие в других областях) из фундаментальных законов физики не выведен – что не может не озадачивать и не вызывать озабоченности.

Оптимизм 30-х годов относительно безграничных возможностей физики, когда каждый год приносил новые триумфальные результаты, основанные на квантовой механике, был понятен. Он был естественен также вплоть до конца 70-х годов прошлого века, времени колоссального уважения к физике, особенно к теоретической физике во всем мире. Казалось, что причиной нерешенности многих фундаментальных проблем являются ограниченные вычислительные возможности человека, который может произвести приблизительно одну арифметическую операцию в секунду.

То, что решение многоэлектронных задач невозможно получить аналитически, стало очевидно уже к 1930 году. Однако то, что все фундаментальные проблемы были бы решены, если бы появилась возможность осуществлять численные вычисления любой сложности, казалось само собой разумеющимся.

За последние четверть века ситуация кардинально изменилась. Со времени появления компьютеров скорости вычислений выросли в миллиарды раз. Но существенного прогресса в предсказании симметрий, возникающих при взаимодействии атомов, достигнуто не было. Это абсолютно новая ситуация, в которой проблема фундаментальной – или нефундаментальной – картины мира, как и в начале XX века, снова выходит на первый план.

В поисках утраченной целостности

Пропасть между фундаментальными законами и уравнениями (в частности, квантовомеханическим описанием систем с помощью уравнения Шредингера) и структурами, возникающими при взаимодействии атомов, является не только практической, но и концептуальной проблемой. Каковы возможные пути заполнения этой пропасти?

Возможность первая. Мир устроен фундаментально. Предсказания структур, образующихся при взаимодействии атомов, на основе теории атома не удается осуществлять просто потому, что задача эта очень сложна. Такова точка зрения, «глядя из физики».

Отметим, однако, что вселенная, в которой вещество, состоящее из взаимодействующих атомов, обладает многочленными структурами и симметриями, предсказать ни одну из которых (за редчайшими исключениями) из фундаментальных законов физики до настоящего времени не удается, но которые тем не менее определяются фундаментальными законами физики, представляется крайне странной. В этой ситуации естественно приглядеться к самим фундаментальным концепциям, включая теорию атома: не требуют ли они дополнения или модификации?

Возможность вторая: квазиэмпирическая картина мира, «глядя из химии»: вселенная управляется фундаментальными законами не полностью. Структуры молекул и симметрии кристаллов из фундаментальных законов не могут быть выведены. Введение дополнительных параметров и структур, получаемых из экспериментов, является необходимым и неизбежным.

Представление о том, что происходящее в макромире фундаментальными законами физики определяется не полностью, подавляющему большинству специалистов, работающих в фундаментальных областях знаний, может показаться признаком недостаточной компетентности высказывающих ее. И даже – антинаучным. Но не всем. Вот, например, высказывание Поля Дирака: «Если бы не инженерное образование, я, наверное, никогда не добился бы успеха в своей последующей деятельности, потому что достижение успеха требовало отказа от точки зрения, что следует иметь дело лишь с точными уравнениями и результатами, полученными логически из принятых на веру известных точных законов. Инженеры занимались поисками уравнений, пригодных для описания Природы. Им не было дела до того, как эти уравнения получены. Отыскав уравнения, инженер брался за логарифмическую линейку и получал необходимые ему результаты».

Возможность третья. Существуют фундаментальные законы, которые действуют на вещество в масштабах ангстремов. Именно эти в настоящее время неизвестные (и проявляющиеся как эмпирические соотношения в химии, биологии и физике твердого тела) законы определяют структуру молекул и их свойства, а также симметрии в твердых телах.

Возможность четвертая. Следует внимательно присмотреться к теории атома, не подвергая сомнению (в соответствии с принципом бритвы Оккама) эффективность квантовой механики как проверенного временем математического аппарата. Ключом к такому решению могут быть идеи Эйнштейна, высказанные им на Сольвеевском конгрессе 1930 года в дискуссиях с Нильсом Бором. Во время этого обсуждения – и до конца своих дней – Эйнштейн выражал уверенность в том, что решение проблем квантовой механики, которые обобщенно были названы им «Игрой Бога в кости», может быть найдено с помощью расширения и общей теории относительности и квантовой механики, посредством разработки квантовой теории поля (quantum field theory). Квантовая механика, по Эйнштейну, должна вытекать из этой более общей теории.

В первой половине XX века под впечатлением стремительного прогресса квантовой механики и ее приложений сложилось мнение, что в дискуссии с Бором неправ был Эйнштейн. Однако, глядя из XXI века, представляется, что, возможно, правы оба великих ученых.

Заделать брешь!

Предположение, что теория атома может быть расширена таким образом, что имеют место полевые взаимодействия между электронами оболочки и протонами ядра и что симметрии межатомных соединений контролируются не только электронными оболочками, но и атомными ядрами, представляется наиболее перспективным для заполнения бреши в фундаментальной картине мира. Альтернативы полевому подходу к теории атомов и молекул, по-видимому, не существует.

Какая из четырех описанных выше возможностей в действительности имеет место?

Если вселенная управляется фундаментальными законами, такие термины, как «глядя из физики», «глядя из химии», «глядя из биологии», описывают методологию исследования и не более того. Принцип дополнительности Бора в наиболее распространенной трактовке (невозможности описания макромира только на основе фундаментальных законов) в том случае, если мир устроен фундаментально, также является всего лишь методологическим правилом. Он означает, что на определенном этапе познания того или иного объекта использование эмпирических данных при конструировании модели является неизбежным.

Если вселенная устроена нефундаментально, принцип дополнительности Бора является не методологическим инструментом, а фундаментальным законом. Выражения типа «глядя из физики», «глядя из химии», «глядя из биологии» становятся строго научными терминами, ибо познание природы в нефундаментальной вселенной является проективным. Картина мира становится зависящей от того, из какой «системы отсчета знаний», то есть из какой науки, мы на анализируемую систему «смотрим».

В этом контексте вопрос о природе эмпирических данных, используемых при решении задач химии и биологии, а также вопрос о том, не требуют ли теория атома и теория валентных связей модификации, становится правомерным и актуальным.

Нью-Йорк