Головна
ГоловнаІсторіяІсторія наук → 
« Попередня Наступна »
В. А. Канке. Історія і філософія хімії: Навчальний посібник - М.: НІЯУ МІФІ. - 232 с., 2011 - перейти до змісту підручника

1.9. Про співвідношення квантової і класичної хімії

Питання про співвідношення квантової і класичної теорій досі залишається дискусійним. Нільс Бор вважав, що «як би далеко не виходили явища за рамки класичного фізичного пояснення, всі досвідчені дані повинні описуватися за допомогою класичних понять.

Обгрунтування цього складається просто в констатації точного значення слова «експеримент». Словом «експеримент» ми вказуємо на таку ситуацію, коли ми можемо повідомити іншим, що саме ми зробили і що саме ми дізналися. Тому експериментальна установка і результати спостережень повинні описуватися однозначним чином на мові класичної фізики »30.

Неважко переконатися, що наведене «обгрунтування» не витримує критики. Результати експериментів висловлюють передбачення квантової теорії, отже, і їх опис ставиться до неї, а не до класичної теорії. Заперечення Бора полягає в тому, що опис результатів експериментів є однозначним, а не імовірнісним. Але і цей аргумент не цілком коректний. Результати одноразового експерименту дійсно описують якесь цілком певна подія. Але справа в тому, що результати повторюваних експериментів неможливо описати без залучення імовірнісних уявлень. Можна навести ще один аргумент на користь класичної теорії. Макроскопічні об'єкти поводяться інакше, ніж мікроскопічні, зокрема, вони не беруть участь у процесах інтерференції і дифракції. Але і цей аргумент б'є мимо цілі. Згідно з квантовою механікою явища, що знаходяться в змішаному стані, поводяться інакше, ніж когерентні процеси. Але це не означає, що вони випадають їх сфери дії квантової теорії. У хімії дуже часто оперують так званими комбінованими квантово-класичними методами. Система ділиться на дві частини, менша, як правило, відносно невеликих розмірів, описується квантово-механічно. Це може бути, наприклад, група атомів. Її оточення, наприклад розчинник, вва-ється об'єктом, описуваних класичним образом. Залишається нез'ясованим, наскільки правомірно комбінувати два різні способи опису - квантовий і класичний. Розглянемо це питання в систематичній формі.

Був час коли фізикам і хімікам була відома лише класична теорія (ТКЛ). У першій чверті XX в. з'ясувалося, що є такий клас явищ, який може бути осмислений не інакше, як за допомогою квантової теорії (Ткв). Тут же виникло питання про сполучуваність ТКЛ і Ткв. Такого роду питання не було чимось несподіваним для дослідників. Вони знали, що нова теорія перевершує застарілу концепцію. В рамках останньої концепції щось не враховувалося, вже тому вона недостатня. Але ситуація із співвідношенням ТКЛ і Ткв виявилася унікальною. Багато фізиків, серед яких найбільш знаменитим був Нільс Бор, вирішили, що класична фізика адекватно описує макроявленія, тому стосовно них вона є бездоганною. Але це думка не знайшло підтвердження. Вся справа в тому, що макросистеми є результатом взаємодій мікрооб'єктів, які, за визначенням, описуються квантовою механікою. Отже, статус макрооб'єктів може бути визначений на основі квантової механіки. Але в такому випадку класична теорія буде зведена до квантової.

«Поява квантової механіки, - аргументовано стверджують Григор'єв, Мякишев і Широков, - не можна розцінювати як спростування механіки класичної. Механіка Ньютона, прекрасно описує рух макроскопічних тіл, виступає як деяке наближення до квантової механіки, причому остання дозволяє визначити, коли це наближення є гарним. Співвідношення між фізичними величинами в класичній теорії можна вивести з квантової теорії як наближені співвідношення між середніми значеннями цих величин. Класична механіка може розглядатися як граничний випадок квантової механіки, як перший, найбільш грубе до неї наближення, справедливе за умови, що потенційна енергія мало змінюється на довжині хвилі де Бройля »31.

Як бачимо, ці три учасника міркують в принципово іншій манері, ніж Нільс Бор. Для них ні в якому вигляді класична фізика не є ключем для розуміння квантової механіки. Вони цілком виразно виходять у своїх міркуваннях не з туманного принципу додатковості, а з постулату хвильової функції. Можна сказати, що їх аналіз є концептуальним. Фактично своєму він є правильним, але деякі концепти, використовувані ними, зокрема, такі, як «наближення», «граничний випадок», «виведення з квантової механіки класичної», доцільно уточнити. Як нам видається, така можливість є, особливо у зв'язку з поданням про науково-теоретичному ряді і ладі.

Розглянемо три співвідношення:

ТКЛ ^ Ткв, (1)

Ткв ^ ТКЛ, (2)

Ткв - Ткв. (3)

Ряд (1) характеризує поява квантової теорії.

Вона виникла як альтернатива класичної теорії. Іншого шляху не було, бо апарат класичної теорії визнавався недостатнім для осмислення деяких явищ, наприклад, спектрів атомів. Квантова теорія як би скасовувала класичну. Таке було перше враження. Коли ж вникли в суть справи, то найбільш прозорливі в концептуальному відношенні автори стали розглядати класичну теорію як наближення до квантової. Вони інтерпретували зміст класичної теорії з позицій квантової. Саме ця обставина відображено в ряді (2). Тепер визнаються права наукової громадянськості класичної теорії, але вона виступає як наближення до квантової теорії. Певною мірою зберігається протиставлення між двома теоріями. Як з'ясувалося, причому багато в чому завдяки дослідженням в галузі хімії, єдність між квантової і класичної теорією може бути більш тісним, ніж це вважалося раніше. У схематичне формі ця обставина виражає співвідношення (3). Тепер класична теорія повністю перестає протиставлятися квантової теорії.

На перший погляд здається, що таке взагалі неможливо. Але при найближчому аналізі, з'ясовується, принаймні, що протиставлення класичної та квантової теорії, як правило, приймає зайво різкі форми. Зазвичай не враховується обставина полягає в наступному.

Класична теорія має справу зі змішаними станами. Але до них же звертається і квантова теорія. Отже, в одному відношенні вони повністю тотожні один одному. Якщо мати на увазі тільки вказане відношення, то розуміння класичної теорії як наближення до квантової отримує ясне вираження. Проілюструємо сказане на прикладі так званого комбінованого квантово-класичного наближення.

«Активну підсистему описують квантово-механічно з використанням набору базисних функцій, а оточення - за допомогою спеціально параметризованих класичних потенціалів. Звідси походить назва всіх застосовуваних методів - комбіновані квантово-класичні .., »х. Але чи справді йдеться про квантово-класичному методі. Стверджуючи його наявність, чи не намагаємося ми з'єднати альтернативні, тобто суперечать один одному теорії? Відповідь на це питання залежить від розуміння класичної хімії. Якщо вона фігурує в образі Г ™, то немає ніякого протиріччя. Але в такому випадку, строго кажучи, мова йде не про квантово-класичному методі, а про метод часткового абстрагування від когерентних станів. Дослідники не просто приєднують до квантовому опису класичне, яке неминуче призвело б до численних суперечностей, а інтерпретують явища з опорою на концепт науково-теоретичного ладу. Суть справи виражається ім. Таким чином, класична хімія може розумітися по-різному. По-перше, можуть робитися спроби пояснити чисті стану за допомогою змішаних. Такого роду спроби приречені на провал, бо потенціал класичної хімії явно недостатній для концептуального осягнення специфіки чистих станів. По-друге, класична хімія може інтерпретуватися як теорія змішаних станів. Саме в цьому випадку вона несуперечливо согласуемое з квантової хімією. По-третє, класична хімія може розумітися як опис деяких усереднених станів. Такого роду інтерпретація не зовсім правильна, бо справжній сенс класичної хімії полягає у поданні нею НЕ усереднених станів, а змішаних станів. В-четвертих, класична хімія може інтерпретуватися як граничний випадок квантової хімії. Цей випадок заслуговує спеціального обговорення.

Згідно так званим принципом відповідності «теорій, справедливість яких встановлена ??для тієї чи іншої предметної області, з появою нових, більш загальних теорій не усувається як щось хибне, але зберігає своє значення для колишньої області як гранична форма і окремий випадок нових теорій »32.

Термін «принцип відповідності» був введений у науку усе тим же Нільсом Бором в 1923 году33, але вперше його зміст стало відомим у зв'язку із створенням спеціальної теорії відносності. У деяких формулах цієї теорії додання швидкості світла (с) нескінченно великого значення (так) призводить до формул механіки Ньютона. Зазвичай це обставина виражається таким чином: якщо швидкість світла прагне до нескінченності (з ^ да), то формули спеціальної теорії відносності переходять у формули класичної механіки. У продовження цієї методології стверджується, що при прагненні постійної Планка до нуля (h ^ 0) формули квантової теорії переходять у формули класичної теорії, наприклад, рівняння Шредінгера перетворюється в рівняння Гамільтона-Якобі. Але в концептуальному відношенні справа йде не так просто, як здається прихильникам принципу відповідності. Справа в тому, що згаданий перехід не володіє тим концептуальним змістом, який йому приписується.

По суті, вони стверджують, що змішаний стан є межа чистого стану. Але це про протиріч квантовій механіці, згідно з якою перехід з чистого стану в змішане є результатом певного типу взаємодій, що приводить до декогеренції, а не граничного переходу h ^ 0. Зазначений перехід не роз'яснює відмінність класичної фізики від квантової, а всього лише фіксує його чисто формальним чином.

Сенс принципу відповідності був ретельно проаналізований Сергієм Володимировичем Ілларіоновим34. Він переконливо показав, що прямолінійне застосування граничного переходу часто призводить до інтерпретаційних утрудненням. Зокрема, Ілларіонов розглядає так зване стаціонарне рівняння Шредінгера (потенціал V не залежить від часу):

h35

- Ay + Vy = Ey.

8п m

Перехід h ^ 0 перетворює рівняння Шредінгера в рівність Vy = Ey, яке виконується лише при y = 0, що рівносильне відсутності фізичної системи. Стосовно до рівняння Шредінгера перехід h ^ 0 не позбавлений сенсу, але лише у випадку якщо в ньому використовується підстановка

y> exp - S, h

і вже в рівнянні для функції S робиться граничний перехід. Його зміст полягає в тому, що до нуля спрямовується безрозмірна величина X / L, де X - де-бройлевская довжина хвилі, а L - характерний розмір системи.

Незадоволений принципом відповідності в його звичайному розумінні, Ілларіонов, тим не менш, не відмовлявся від нього. Він був упевнений, що цей принцип життєво необхідний для послідовної формулювання квантової теорії. Відповідно до цим переконанням він формулює принцип відповідності як принцип обмеження. «Сенс принципу обмежень полягає в тому, що перехід від старої теорії до нової трактується як введення нових обмежень в структуру теорії при збереженні обмежень старої теорії» 36. Нова теорія виступає як узагальнення старої. Так, при переході від класичної механіки до квантової класичні фізичні змінні (наприклад, імпульс і координата) замінюються операторами відповідно імпульсу і координати. Ці фізичні змінні обмежуються, бо з'ясовується стосовно до яких явищ доречно їх використання.

В інтерпретації Ілларіонова динаміка наукового знання постає як сходження від старих теорій до нових. Одна з переваг принципу обмежень він бачив у тому, що він спрямований не «назад», тобто від нової теорії до старої, а «вперед». «Принцип обмежень орієнтує дослідження на пошук того фундаментального в старій теорії, що має бути збережене і використано в процесі узагальнення при створенні нової теорії».

Безумовно, аналіз Ілларіонова, відзначений печаткою його високій компетентності в галузі фізики та хімії, становить значний інтерес. Але і він не в усьому задовільний. Недолік так званого принципу обмежень полягає в тому, що акцент робиться на русі «вперед», на старій теорії. Тим часом важливі обидва аспекти, і рух від старих теорій до нових, і в зворотному напрямку.

На наш погляд, порівняння принципу обмежень з принципом єдності науково-теоретичного ряду і ладу чи не свідчить на його користь. Науково-теоретичний ряд виступає як подолання певних проблем. Якщо це зроблено, то інтерпретація скоєного дозволяє з'ясувати слабкі місця старої теорії і усвідомити її обмеження. Тема обмежень з'являється, але лише як результат попередньої роботи. Подання про особливе принципі обмежень було б доречно, якби він в концептуальному плані передував іншими принципами. Інакше кажучи, трансдук-ція починалася б саме з нього. Але саме цього-то і немає. Карл Поппер прав, вчені концентрують свої зусилля над вирішенням проблем. Все інше з'ясовується в процесі цієї діяльності. Якщо теорія функціонує без істотних збоїв, то тема її обмежень взагалі не виникає. Таким чином, на наш погляд, Ілларіонов переконливий у критиці принципу відповідності у формі граничних переходів. Реабілітація ж принципу відповідності у формі уявлень про обмеження, по суті, не відбулася.

 На закінчення розділу відзначимо також, що навряд чи доцільно інтерпретувати класичну хімію, як це часто роблять, в якості окремого випадку квантової. Окремим випадком квантової хімії може бути лише її різновид, але ніяк не класична хімія. Таким чином, концепт «класична хімія» може інтерпретуватися по-різному. На наш погляд, вона повинна розумітися як наближення до квантової теорії, що ігнорує зв'язок змішаних станів з чистими (і заплутаними). Відмінність класичної хімії від квантової необхідно інтерпретувати, спираючись на концепти «науково-теоретичний лад хімії», «чисті стану», «заплутані стану», змішані стану ». 

 « Попередня  Наступна »
 = Перейти до змісту підручника =
 Інформація, релевантна "1.9. Про співвідношення квантової і класичної хімії"
  1.  2.9. Філософія хімії та дидактика
      квантових концепцій. В результаті яких навчають засвоюють класичні теорії настільки грунтовно, що квантова хімія їм виявляється недоступною. Критиковані автори, по суті, дотримуються переконання, що класична хімія є ключем для розуміння квантової хімії. Але в тексті книги ми неодноразово спростовували цю думку. Що стосується принципу сходження від простого до складного, то він не
  2.  Закон сталого нерівноваги
      хімії при відповідних зовнішніх умовах
  3.  2.6. Хімія і физикализм
      співвідношення фізичного з усім іншим світом, філософи науки завжди мали серйозні труднощі. Бракувало то теоретичних, то експериментальних даних. Пильна увага залучила в 1920-1930-х роках новація знаменитих неопозітівістов Отто Нейрата і Рудольфа Карнапа - авторів концепції физикализма. Вони прагнули визначити непорушний фундамент всіх наук, яким вони порахували мову
  4.  Контрольні питання для СРС 1.
      співвідношенні знаходяться «наука» і «техніка»? 4. У чому перевага наукового світогляду перед релігійним, зокрема-християнським? 5. У чому спільність, спорідненість наукового і християнського світоглядів? 6. Чи можна сказати, що наукове і релігійне світогляду грунтуються на певних міфах? 7. У чому причина виникнення глобальних, зокрема, екологічних, ядерних та ін
  5.  Контрольні питання для СРС 1.
      співвідношення понять «біосфера» і ноосфера ». 3. Що значить «панувати» над природою? Чи є людина «паном» по відношенню до природи? 4. Чи можна керувати природними процесами? 5. Дайте визначення понять «природне» і штучне »у взаємодії природи і суспільства: яке їх співвідношення? 6. Свідоме і стихійне у взаємодії природи і суспільства: яке їх
  6.  1.8. Трансдукція і принципи квантової теорії
      співвідношенні невизначеностей ознак, описуваних некоммутірующімі операторами, наприклад, про співвідношення невизначеності координати і імпульсу, часу та енергії. Чи маємо ми в даному випадку справу зі справжнім принципом? Ні, не маємо. Мова повинна йти про закон. Справа в тому, що співвідношення невизначеності в рамках квантової хімії з'являється в глибині теорії, як своєрідне наслідок її
  7.  ПЕРЕДМОВА
      квантова механіка, як негайно ж лавиноподібно стало зростати число робіт, присвячених філософії фізики. Раптом з'ясувалося, що навіть великі фізики масштабу Альберта Ейнштейна і Нільса Бора не можуть обійтися без філософствування. Я згадав фізику далеко не випадково. Справа в тому, що у філософському відношенні хімія відносно довго перебувала в тіні фізики. Так, на початку XX століття філософські
  8.  МЕТОДИ І ВНУТРІШНЄ ЗМІСТ ФІЛОСОФІЇ.
      класичної філософії. Основна заслуга в розробці діалектики як системи принципів, законів і категорій належить Гегелю, який «... представив весь природний, історичний і духовний світ у вигляді процесу, тобто в безперервному русі, зміні, перетворення і розвитку, і зробив спробу розкрити внутрішній зв'язок цього руху і розвитку »(Маркс К., Енгельс Ф. Соч., 2 - е вид. Т.20. С.
  9.  2.8. Нанохімія і нова філософія
      квантову фізику від квантової хімії. Лише наприкінці 1920-х рр.. вони вступили в безпосередній міждисциплінарний контакт. Ще через чверть століття, особливо у зв'язку з відкриттям особливостей молекул ДНК (1953), різко уплотнились контакти хімії з біологією, насамперед, з молекулярною біологією. На початку 1970-х рр.. стала бурхливо розвиватися технологія рекомбінантних клітин, що сприяло впровадженню
  10.  1.18. Про методи хімії
      хімії. Важливо з'ясувати, представлений чи цей метод в однині або ж слід говорити про цілу родину хімічних методів. Приступаючи до висвітлення питання про методи хімії, ми потрапляємо в скрутне становище. Бо щодо цього питання немає бажаної ясності. Ситуація, з якою доведеться мати справу, досить заплутана. Спробуємо в силу наших скромних можливостей
  11.  КОНТРОЯЬНИЕ ПИТАННЯ
      класичний період розвитку геополітики? 2. Чому саме період 1880-1950-х рр.. називають класичним періодом геополітики? 3. Де і в яких умовах геополітичні ідеї користувалися найбільшим попитом і особливо швидко поширювалися? 4. Що служило каталізатором цього розповсюдження? 5. Які зміни знаменували собою кінець класичного періоду геополітики? 6. Назвіть
  12.  Малик Е.Г.. Ірраціоналістіческіх ШКОЛА ФІЛОСОФІЇ. (А. Шопенгауер, С. К'єркегора, Ф. Ніцше). Навчально-методичний посібник, 2002
      класичної філософії в Західній Європі. Вона повстає, кидає виклик класичної філософської традиції, критикуючи вузькість і однобічність раціоналізму, його нездатність дати відповіді на питання, які ставить життя в процесі людської діяльності. З появою иррационалистической філософії відбувається радикальна зміна філософської проблематики, перегляд проблеми сенсу людського
  13.  тема 4 Класичне Середньовіччя. Київська Русь.
      тема 4 Класичне Середньовіччя. Київська
  14.  Контрольні питання по § 2 1.
      співвідношення іманентного і трансцендентного в експлікації рівнів людського буття? 3. У чому полягає проблема взаємозв'язку «Букви» і «Духа» як метафізичних понять? 4. Які стадії експлікації Духа в Букві в індивідуальному та загальноісторичному плані людського буття? 5. Яка метафізична трактування співвідношення культури і