Евгений Елизаров - Сколько будет 2+2?

И вот благодаря их поиску сегодня обнаруживается, что в результат, казалось бы, частного сложения совершенно незначительных, даже исчезающе малых, величин вовлекаются какие-то могущественные таинственные силы природы, и действие именно этих сил, которые мы отчасти сумели подчинить себе за прошедшие десятилетия, изменило облик всей нашей цивилизации. Мы вновь и вновь убеждаемся, что истина подобна линии горизонта: чем более широкие просторы открываются перед нами, тем дальше отодвигается она. Нам становится ясно, что результат простого математического действия далеко не однозначен и «два плюс два» оказываются равными «четырем» только в какой-то более широкой системе явлений, нежели непосредственное взаимодействие исходных слагаемых. Вне контекста самых фундаментальных физических законов этот результат, как оказывается, вообще не может быть осмыслен.

Схожую картину, заставляющую нас обращаться к куда более широкой действительности, нежели подлежащие непосредственному сложению величины, наблюдается и в химическом синтезе.

Так, например, в химии различают эндо – и экзотермические реакции. Эндотермическая (от греческого endon – внутри и therme – тепло) – это химическая реакция, при которой реагирующая система поглощает тепло из окружающей среды. В свою очередь, экзотермическая (от греч. exo – вне, снаружи и therme – тепло) представляет реакцию (например, горение), при которой, напротив, тепло выделяется из реагирующей системы в окружающую среду.

Существо этих реакций может быть понято из первого начала термодинамики. Первое начало, как известно, по существу выражает закон сохранения энергии. Поэтому для системы, окруженной замкнутой границей, через которую не происходит переноса вещества, справедливо соотношение:

U2 – U1 = Q – W,

где U1 и U2 – энергии системы в состояниях 1 и 2; Q – теплота, полученная от внешних источников; W – работа, совершенная системой над внешними телами в процессе, посредством которого система переходит из состояния 1 в состояние 2.

Если процесс – химическая реакция, то обычно ее проводят в таких условиях, чтобы можно было отделить энергию химического превращения от энергии, связанной с одновременными изменениями температуры или давления. Поэтому энергию (теплоту) химической реакции обычно определяют в условиях, в которых продукты находятся при тех же температуре и давлении, что и реагенты. Энергия химической реакции тогда определяется теплотой Q, полученной от окружающей cреды или переданной ей. Измерение Q может быть проведено с помощью калориметра подходящего типа или проведения в сосуде химической реакции, теплота которой известна.

Как показывает приведенное нами уравнение, внутренняя энергия реагирующей системы определяется не только количеством высвобожденной или поглощенной теплоты. Она также зависит от того, сколько энергии система затрачивает или приобретает посредством произведенной работы. При этом работа может совершаться как самой системой, так и над системой. (Кстати, о работе, которая производится самой системой, имеет вполне достаточное представление любой, кому доводилось разбавлять спирт до привычной русскому национальному вкусу концентрации: та теплая гадость, которая получается сразу после смешения – это именно ее результат.) Понятно, что термодинамика процессов в этих случаях будет существенно отличаться, и в первую очередь – знаком величин.

Даже там, где единая реакция распадается на несколько различных стадий, общая энергетика химического процесса обязана сойтись до «последней калории». Этот вывод был сделан Германом Ивановичем Гессом (1802–1850), российским химиком, одним из основоположников термохимии, в 1840 году на основе экспериментальных фактов еще до классических опытов Джоуля, которые продемонстрировали эквивалентность теплоты и других форм энергии. Г.И.Гесс доказал, что теплота химической реакции, протекающей через несколько последовательных стадий, равна алгебраической сумме теплот отдельных промежуточных реакций. Закон Гесса, как отметил Герман Л.Ф.Гельмгольц (1821–1894), великий немецкий ученый, который впервые в 1847 математически обосновал закон сохранения энергии и показал его всеобщий характер, служит прямым экспериментальным подтверждением применимости закона сохранения энергии к энергетике химических реакций.

Словом, и в рядовом химическом синтезе мы замечаем, что в этом мире взаимосвязано все. Ничто не может существовать само по себе, и если наше исследование ограничивается исключительно тем, что происходит за стеклом пробирки, мы рискуем упустить из виду едва ли не самое главное. Перед нами раскроется лишь то, что лежит на самой поверхности, подлинное же содержание предмета ускользнет, оставив нам лишь одну иллюзию знания. Поэтому абсолютно невозможно достичь полного понимания существа изучаемого нами без обращения к каким-то общим представлениям о строении материи, без учета полной суммы тех сложных взаимодействий, в которые их вплетает всеобщая связь и взаимозависимость явлений. Другими словами, и здесь мы наблюдаем, что подлинное существо самой операции сложения никогда не сводится лишь к непосредственному контакту слагаемых; своеобразное «эхо» этого сложения отдается и в большой отдаленности от них. Отсюда и сам итог – это не просто механический результат контакта, но и полная сумма всех его раскатов. Только с их учетом «два плюс два» и в самом деле оказывается равным «четырем».

Впрочем, все эти «высонаучные» истины наглядно проявляются и в повседневной обыденной жизни, что говорится, в «кухонных» примерах. Так, например, любая домохозяйка знает, что нельзя к сильно изношенной вещи пришивать заплату, вырезанную из новой ткани: вместо того, чтобы заделать прореху, вещь будет окончательно испорчена. Точно так же нельзя вставлять в швейную машину разные по толщине и эластичности нити, ибо сформированный ими шов сможет испортить любую, даже выкроенную по самым модным и престижным лекалам модель. Любой повар, колдующий у плиты, знает, что никакая приправа отнюдь не механически слагается с тем, что уже замешено в кастрюле. Один и тот же ингредиент, добавляемый в одном и том же количестве, может и придать дополнительную пикантность, и бесповоротно испортить вкус приготовляемого блюда. Таким образом, окончательный результат любого – кулинарного ли, портновского, какого угодно другого – «сложения» может быть понят до конца только при тщательном учете тонкой метафизики всех тех взаимодействий, которые вызывает к жизни этот процесс. Поэтому талант любого мастера сродни таланту научного исследователя, ибо и у кухонной плиты, и у швейной машинки необходимо мыслить куда более широкими категориями, нежели формальная номенклатура вовлекаемых в единый процесс материалов.

Говорят, что секрет старинных скрипок рождавшихся искусством таких волшебников звука, как Амати, Гварнери, Страдивари, таился в составе лака, которым они покрывались. Именно он составлял их главный секрет, именно он придавал звуку ту колдовскую выразительность, которая и делала сами скрипки подлинными шедеврами музыкального искусства. Можно долго гадать, что именно одухотворяло эти бессмертные инструменты, какой именно нюанс «сложения» так по сию пору и остается неуловимым для нас, – вооруженная самым современным инструментарием химия ответа не дает. Но одно несомненно: великие мастера умели мыслить куда шире, чем все окружавшие их ремесленники, именно поэтому им и открывалось то, что так и осталось недоступным их собратьям по цеху.

Можно от простой механики, физики, химии восходить и к более высоким уровням строения вещества, но и там мы обнаружим все то же. В результате любого осуществляемого нами синтеза необратимым образом изменяются сами слагаемые. Иначе говоря, по завершении того объединяющего действия, которое может быть описано математической операцией сложения, они оказываются уже совсем не теми, чем были до нее. Но все следствия производимой операции не ограничиваются одним только этим: в конечном счете происходящие изменения затронут самое широкое окружение вещей, вовлекаемых нами в какой-то процесс. Необратимо изменяется гораздо более широкая реальность. В свою очередь, это означает, что и раскрыть подлинное содержание, и расчислить действительно полный результат сложения можно только в том случае, когда будут учтены все – как внутренние, так и внешние, перемены.

Пусть нас не убаюкивает то обстоятельство, что все эти изменения могут носить настолько микроскопический характер, что ими можно пренебречь. Пренебрегать в исследовании нельзя вообще ничем, здесь уже говорилось о том, что науку интересует только абсолютный результат. Что же касается его микроскопичности, то что в начале двадцатого века могло быть незначительней атомного ядра? Но ведь именно его исчезающе малые размеры, как оказалось, таили в себе те силы, которые перевернули весь наш мир.