Давайте представим себе портного-безумца, который шьет всевозможные
одежды. Он ничего не знает ни о людях, ни о птицах, ни о растениях. Его не
интересует мир, он не изучает его. Он шьет одежды. Не знает, для кого. Не
думает об этом. Некоторые одежды имеют форму шара без всяких отверстий, в
другие портной вшивает трубы, которые называет "рукавами" или "штанинами".
Число их произвольно. Одежды состоят из разного количества частей. Портной
заботится лишь об одном: он хочет быть последовательным. Одежды, которые
он шьет, симметричны или асимметричны, они большого или малого размера,
деформируемы или раз и навсегда фиксированы. Когда портной берется за
шитье новой одежды, он принимает определенные предпосылки. Они не всегда
одинаковы, но он поступает точно в соответствии с принятыми предпосылками
и хочет, чтобы из них не возникало противоречие. Если он пришьет штанины,
то потом уж их не отрезает, не распарывает того, что уже сшито, ведь это
должны быть все же костюмы, а не кучи сшитых вслепую тряпок. Готовую
одежду портной относит на огромный склад. Если бы мы могли туда войти, то
убедились бы, что одни костюмы подходят осьминогу, другие - деревьям или
бабочкам, некоторые - людям. Мы нашли бы там одежды для кентавра и
единорога, а также для созданий, которых пока никто не придумал. Огромное
большинство одежд не нашло бы никакого применения. Любой признает, что
сизифов труд этого портного - чистое безумие.
Точно так же, как этот портной, действует математика. Она создает
структуры, но неизвестно чьи. Математик строит модели, совершенные сами по
себе (то есть совершенные по своей точности), но он не знает, модели
чего он создает. Это его не интересует.
.........
Математики прекрасно знают, что не знают, что делают. Весьма
компетентное лицо, а именно Бертран Рассел, сказал: "Математика может быть
определена как доктрина, в которой мы никогда не знаем, ни о чем говорим,
ни того, верно ли то, что мы говорим"
...............
Начиная с XVI века физики перетряхивают склады с залежами "пустых
одежд", создаваемых математикой. Матричное исчисление было "пустой
структурой", пока Гейзенберг не нашел "кусочка мира", к которому подходит
эта пустая конструкция. Физика кишит такими примерами.
Процедура теоретической физики, а заодно и прикладной математики
такова: эмпирическое утверждение заменяется математическим (то есть
определенным математическим символом сопоставляются физические значения,
вроде "массы", "энергии" и т.д.), полученное математическое выражение
преобразуется в соответствии с законами математики (это чисто
дедуктивная, формальная часть процесса), а окончательный результат путем
повторной подстановки материальных значений преобразуется в эмпирическое
утверждение. Это новое утверждение может предсказывать будущее состояние
явления или может выражать некоторые общие равенства (например, что
энергия равна произведению массы на квадрат скорости света) или физические
законы.
Итак, физику мы переводим на язык математики, с математикой
обращаемся по-математически, результат снова переводим на язык физики и
получаем соответствие с действительностью (конечно, при условии, что все
действия мы проводим, опираясь на "доброкачественную" физику и
математику). Это, безусловно, упрощение, так как современная физика
настолько "пропитана" математикой, что даже исходные положения физики
содержат ее в изобилии.
Нам кажется, что из-за универсальности связей Природы эмпирическое
знание всегда может быть только "неполным, неточным и ненадежным", по
крайней мере при сопоставлении его с чистой математикой, которая "полна,
точна и надежна". Следовательно, это неправда, что математика,
используемая физикой или химией, чтобы объяснить окружающий мир,
рассказывает об этом мире слишком мало, что этот мир "утекает" сквозь ее
формулы, неспособные охватить его достаточно всесторонне. Скорее все
обстоит наоборот. Математика говорит о мире (то есть старается говорить)
больше, чем можно о нем сказать, и это в настоящее время приносит науке
много беспокойств, которые, безусловно, будут в конце концов преодолены.
Может, когда-нибудь и матричное исчисление будет заменено в квантовой
механике иным, позволяющим осуществлять более точные, предсказания. Но
тогда будет признана устаревшей только современная квантовая механика.
Матричное исчисление не устареет, ибо эмпирические системы утрачивают свою
актуальность, математические же - никогда. Их бессмертие - в их "пустоте".

Надо только послать куда подальше этот философский принцип бритвы Оккамы.

Принцип Оккама - философский принцип который гласит, что наука не должна "плодить сущьности". Т.е. если химия начнет создавать независимые от физики теории (с использованием только математики чем собственно и должна заниматься математическая химия), то начнется своего рода интелектуальная война между двумя науками, что приведет к остановке научно-технического прогресса. Так вот принцип Оккама утверждает, что законы природы это занятие физики, но в основе физических и химических явлений часто лежат одни и те же фундаментальные закономерности и по логике химия тоже изучает фундаментальные законы природы (Периодический закон чего стоит) через превращение и строение веществ. Собственно споров с физиками в строении атомов и молекул много, но претензии химиков должны укладываться в квантовую механику. Иначе это будет приравнено к лженауке даже несмотря на очевидность фактов.
В химии есть немало явлений которые противоречат современной термодинамике и квантовой механике. Я все таки спросил у знакомого химика про горение угля в присутствии известняка, он говорит, что этой загадке уже 200 лет. В рамках современных физической и химической термодинамиках данное явление объяснить невозможно, а в квантовой механике тем более.
И потом второе начало термодинамики говорит о невозможности создания вечного двигателя второго рода полностью использующий теплоту для совершения работы (т.е. двигатель с КПД = 100%). Химия же говорит, что такие системы реализуемы (топливные элементы).
Но химии нельзя мешать физике создавать физическую картину мира и соответственно химия должна принимать физические концепции какими бы порой абсурдными они не казались.

А чем постулат от догмы отличается? В современной физике они приравнены. Я хотел сказать, что современная физика сильно идеализирована. В ней условно принято, что все законы природы уже известны, а остальное дело техники. Вот отсюда и весь цинизм физиков-теоретиков: ''Мы уже практически все познали. Поэтому не нужно плодить сущьности. Это нам мешает''.

Релятивиской механики и... миллиардов других галактик.

Среди физиков растет число противников теории относительности. Накапливается много фактов и астрономических наблюдений которые ставят под сомнение ее состоятельность.
То же относится и ко второму началу термодинамики (это старая история).
С другой стороны Классическая физика была похожа на химию по методологии (преимущественно индуктивный подход) познания. Современная физика приняв квантовую механику и отбросив труды классиков стремиться все явления свести к квантовой маханике (в идеале к единому фундаментальному уравнению) и вся физическая картина мира строится по такому дедуктивному типу ("тип многоэтажного сдания"). В химии проще, химия использует индуктивный подход (строится модель на основании эксперимента и далее определяется область ее применения уже дедуктивным методом с экспериментальным подтверждением). При этом не стремится свести весь багаж знаний к какому-то единому началу ("тип котеджного поселка"). Поэтому при перемене взглядов химия является более гибкой так как в ней не нужно менять систему взглядов, а лишь ее небольшую часть. А в физике нужно менять всю систему (сносить дом и строить заново). Поэтому физика будет сильно сопротивляться новым открытиям в химии перечащим квантовой механике. Ведь "Физики не любят переписывать свои лекции".

Структура эмпирической реальности

Возможно, теория атома и строения вещества требует модификации

Картина мира становится зависящей от того, из какой "системы отсчета знаний", то есть из какой науки, мы на анализируемую систему "смотрим".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 (наличие неких "скрытых параметров"). 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 (молекулярный и надмолекулярный уровень). 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.

Ю. Б. Магаршак

А если расчитать скорость вращения электрона вокруг собственной оси (вспомите спин), то получится занчение, которое превышает скорость света.