Физиканыц бірігуі. Төртінші ғаламдық

жаратылыстык-ғылыми теңкерістің тууы

Ғалымдар ғылымның белгілі бір саласына байланысты сұрақтарды шешуге арналған теорияларды зерттейді. Мысалы, химияда атом ядросының құрылысын білмей тұрып, атомдардың өзара әрекеттесуін есептеуге болады. Бірақ ғалымдар ақырында қайшылықсыз, барлық жеке теориялар оған жуықтаулар ретінде кіретін толық теорияның табылатындығына үміттенуде.

Мұндай теорияны жасау жұмысы физиканы біріктіру деп аталады. Эйнштейн өз өмірінің ақырғы жылдарын толық дерлік бірыңғай теорияны іздеп табуға арнады, бірақ ол кезде мұның мезгілі келген жоқ еді. Онымен бірге Эйнштейн кванттық механиканың дамуына өзі қосқан үлеске қарамастан, оның шынды-ғына сенуден бас тартты.

102

Уақыт откен сайын мұндай теорияның құрылатындығына үміт арта түседі, өйткені біз қазір Әлем туралы анағұрлым көбірек білеміз. Физикадан біз негізгі төрт әрекеттестіктер туралы білеміз: әлсіз, күшті, электромагниттік және гравитациялық. Алғашқы үш әрекеттестікті біріктіру мүмкіншілігі бар, бірақ мұндай теория қанағаттанғысыз, өйткені оған гравитация кірмейді.

Басқа теориялар болса кванттық механикамен байланысты. Соңдықтан әуелі салыстырмалықтың жалпы теориясын белгісіздік принципімен біріктіру қажет. Мұндай теориялар кейінгі кезде жасалды, бірақ олардың елеулі кемшілігі: оларда да энергия мен массаның шексіз мәндері шыға берді. Бұл "шексіздіктерді" таза техникалық (математикалық) жолмен алып тастауға әрекет жасалды, ол "қайта асыра нормалау" деп атадды. Алайда, бұл әдістің маңызды кемшілігі бар: ол теория жүзінде масса мен күштің шын мәнін болжап айтуға мүмкіндік бермейді, оларды тәжірибемен үйлестіруге тура келеді. Нәтижесінде біз кеңістік-уақыттың қисықтығы бұл шаманың шектілігіне қарамастан шексіз болуы керек деген теорияны аламыз. Шамамен 1976 жылы шексіздіктер проблемасын шешуге үміт пайда болды. Бұл супергравитация теориясы. Бұл теорияның мәні мынада: гравитон (көмегімен гра-витациялық өріс әрекеттесетін бөлшек) кейбір жаңа бөлшектермен бірігеді және сонда бұл бөлшектерді сол бір ғана "супербөлшектің" әр түрлі түрлері ретінде қарастыруға болады, осылайша материя бөлшекгерін біріктіру жүзеге асырьшады. Бірақ, барлық шексіздіктердің жойылғандығын анықтау үшін соншалықты көп қолайсыз және күрделі есептеулер жасау қажет болды, сондықтан, онымен ешкім әрі қарай шүғылданбады.

1984 жьшы ғалымдардың ортақ пікірі ішекті теориялар дегеннің пайдасына қарай өзгерді. Ішекті теориялардың негізгі обьектілері

103

Неге біз бұл қосымша өлшемдерді, олар бар болса, байқамаймыз? Неліктен біз үш кеңістіктік және бір уақыттық өлшемді ғана сезінеміз? Мұның себебі, мүмкін, басқа өлшемдер бірлікті сантиметрдің отыз нөлі бар бірлікке бөлінгендегідей үлесіне тең өте кіші кеңістікке "жинақталғандығында" шығар. Оның кішілігі соншалық, біз оны байқай алмаймыз.

Бірақ онда басқа маңызды мәселе туындайды. Неліктен барлық өлшемдер емес, тек кейбіреулері ғана кішкене шарға айналуға тиісті?

Мүмкін осы сұрақтарға жауаптардың бірі антроптық прициптің негізінде жатқан шығар.

Адам тәрізді күрделі тіршілік иелерінің дамуы үшін екі кеңістіктік өлшем жеткіліксіз. Егер кеңістіктік

104

өлшемдердің саны үштен артық болған жағдайда да қиындықтар туындар еді. Бұл жағдайда екі дененің арасындағы гравитациялық күш тезірек өсе түсер еді, өйткені ара қашықтық екі есеге көбейсе, үш өлшем-де гравитациялық күш төрт есе азаяды, төрт өлшем-де - сегіз есе, бес өлшемде - он алты есе және т.с.с. Бұл Күнді айналатын ғаламшарлардың, мысалы, Жердің орбитасы тұрақсыз болып, шеңберлік орбитадан аз ғана ауытқу Жердің Күннен әрі немесе Күнге қарай спираль бойынша қозғалуына әкеп соғар еді. Онда біз не үсіп, не күйіп кетер едік. Күннің өзімен де келіссіз жайлар болар еді: ол не бөліктерге белініп кетер еді, не сколлапсияға ұшырап, қара тесікке айналар еді. Нәтижесінде біз мынадай қорытындыга келеміз: тіршілік кеңістік-уақыггың тек бір ғана уақыттық және үш кеңістіктік өлшемдігі аса күшті қисаймаған аумақтарында ғана бола алады.

Ішектер теориясы әлемнің ең маңызды мәселелерін қозғайды және негізгі әрекеттестіктердің табиғаты туралы сұрақтарға жауап берудің қазіргі заманғы көбірек зерттелген талпынысы болып табылады.

Алайда, осындай теорияларға деген үлкен қызығушылық пен тамаша жетістіктерге қарамастан, негізгі проблемалар мүнда ашық қалып отырғанын айту керек. Және басты мәселе - тәжірибеге негізделген болжамдардың жоқтығы. Ресейлік физик-теоретиктер

И. Арефьева мен И. Волович суперішектер теориясының ізашарлары М. Грин, Дж. Шварц, Э. Виттенің "Суперішектер теориясы" кітабының бірінші томына жазылған алғы сөзінде былай дейді: "Біз қарапайым бөлшектер туралы барлық ақпаратты суперішектер теориясына сала аламыз, бірақ, ішектер теориясының өзі әзірге ешқандай эксперименттік болжаулар берген жоқ".

Суперішектер теориясын жаратылыстану мен математиканың даму үрдісіне қарай көбірек дәл және

105

біздің тәжірибемізбен сәйкестендірілген басқа теория ауыстыруы әбден мүмкін.

Алайда, тіпті егер біз шынында да бірыңғай теорияны ашқан болсақ, бұл біздің болашақты болжай алатындығымызды білдірмес еді. Оған екі себеп бар. Біріншіден, біздің болжауымыз белгісіздіктің кванттық-механикалық принципімен шектелетін болады, екіншіден, біз теорияны бейнелейтін тендеулердің дәл шешуін табуды білмейміз.

Бірақ, қалай болса да, толық және қайшылықсыз бірыңғай теория - бұл ғаламдық ойлауға қарай жасалған тек алғашқы қадам. Біздің мақсатымыз - біздің айналамыздағы болып жатқандардың барлығын және өз ішіміздегіні толық ұғыну. Қазіргі заманғы физиканың негізгі мәселесі - бұл кванттық механиканы са-лыстырмалық теориясымен біріктіру. Егер мұндай біріктіру қолдан келетін болса, жаңа, бұған дейін белгісіз болған мүмкіндік пайда болады: кеңістік пен уақыт бірігіп, сингулярлығы мен шекарасы жоқ және Жердің бетіне ұқсайтын, бірақ өлшемдері көп, шекті төрт өлшемді кеңістік жасай алады. Осындай тәсілдің көмегімен, мүмкін, Әлемнің бақылауға болатын қасиеттерінің көпшілігін түсіндіруге болатын шығар, мысалы, оның үлкен масштабтардағы біртектілігі және бір мезгілде галактика, жұлдыздар және тіпті адамдар сияқты кіші масштабтарда байқалатын біртектіліктен ауытқуы.

Барлық айтылғандар бізді қажеттілікпен алдын-ала анықталған, бірақ ешкімнің тарапынан түпкілікті синтезі жүзеге асырылмаған, Эйнштейннің салыстыр-

106

малық жалпы теориясы макромасштабтарда басым болатын алдыңғы кезекке микромасштабтарда барлық негізгі терт өрекеттестіктерді - гравитациялық, электромагниттік, әлсіз және күшті - бірыңғай физикалық теорияға біріктіретін материяның қүрылысы туралы кванттық (дискреттік) үғымдар шығатын төртінші ғаламдық жаратылыстық-ғылыми тоңкеріс жасалуға жақын деген ойға әкеледі.

Семинарға арналған сұрақтар

2. Астрономияның негізгі объектілері.

3. Күн жүйесі мен жұлдыздар эволюциясы.

4. "Ақ қарликтер" қандай жұлдыздар?

5. Күн жүйесінің пайда болуы?

6. Сингулярлы нүкте дегеніміз не?

7. Антропты принциптің мағынасын түсіндіріңіз.

8. Бүкіләлемдегі барлық заттардың құрамында болатын элементарлық бөлшектер.

9. Бүкіләлемдік орталық (центр) бар ма?

10. Космологиялық принциптің авторы мен мағынасы.

11. Бүкіләлемдік жаратылысты-ғылыми төңкерістің негізгі нәтижесі.

12. Қазіргі заманғы космологияда Әлемнің қандай үлгілері (модельдері) бар?

2. Жұлдыздар эволюциясының негізгі жолдары.

3. "Үлкен жарылыс" концепциясы.

4. Күн жүйесінің жақын көршілері.

1. Данилова В.С., Кожевников Н.Н. Основные концепции современного естествознания. -М.: Аспект Пресс, 2001. 25бс.

2. Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум. -М., 1988.

3. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. Уч. пособие для вузов. -М.,1998.

4. Мэрион Дж. Физика и физический мир / Пер. С англ. -М., 1975.

5. Инфельд Л., Эйнштейн А. Эволюция физики. -М., 1965.

6. Фейнман Р. Характер физических законов. -М.: Мир, 1968. 232с.

7. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. -Новосибирск: ООО "Изд-во ЮКЭА", 1977. 88с.

8. Дятилев Ф.М. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для вузов. -М., 1998.

Қосымша әдебиеттер

1. Бияшева З.Г., Бияшева З.М., Вышинский В.В. и др. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. -Изд.З. испр. и доп. -Алматы: Қазақ университеті, 2000. 96с.

2. Грядовой Д.И. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для вузов. -М.: Наука, 1998.

3. Идлис Г.М. Революция в астрономии, физике и космологаи. -М.: Наука, 1985.

4. Кудрявцев П.С. Курс истории физики. -М.: Просвещение, 1974.

108

5. Льюцци М. История физики. -М.: Мир, 1972.

7. Дэвис П. Суперсила /Пер. с англ. -М., 1989.

8. Спиридонов О.П. Фундаментальные физические константы. -М., 1991.

9. Хокинг С. От большого взрыва до "черных дыр" /Пер. с англ. -М., 1990.

10. Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. -М. Наука, 1983.

11. Андреев Э.П. Пространство микромира. -М.: Наука, 1969.

109

Бесінші бөлім

Синергетика күрделілікті танып білумен, осы күрделі жүйелердің өзін-өзі құруын зерттейді. Синергетика тепе-теңдік жағдайдағы емес ашық жүйелердегі үйлесімді құрылымдардың пайда болуы мен дамуын сипаттайтын жалпы ортақ өдістерді та-буға тырысады. Синергетика мағынасы әр түрлі пәндердің зерттеу мәселелерінің бір-бірімен әрекеттесуін қарастыру болып табылады.

Синергетикалық тұрғыдан зерттеу күрделі құрылымды жүйелерге, мысалы, өткен тарихын біле отырып, оның болашақтағы жағдайын болжауға болмайтын адам, қоғам, кейбір физикалық және химиялық құбылыстарға қодданылады. Осындай жүйелердің да-муында әрқашанда альтернативтік принцип болады (екі немесе бірнеше мүмкін шешімдерден, варианттардан бір ыңғайлысын қабыл алу).

Әлемді танып білудегі синергетикалық тұрғыдан қараудың негізгі ұстамалары:

• жүйелердің эволюциясын алдын ала бекітіп жоспарлаудың мүмкін еместігі;

• жаңа құрылымдық формаларды жасауда жүйенің "өзіндік потенциалының" (ішкі энергиясының) жеткіліктілігі;

• тұтас пен оның жеке бөліктерінің әр түрлі сапалы құрылым екенін, бұл бөліктерді арифметикалық түрде қосуға болмайтынын, олардың энергетикалық потенциалдарының бір-біріне қабаттасаты-ны түсіну.

Өзін-өзі құру теориясының бұрыннан келе жатқан даму тарихы бар. Осы теорияның ең бірінші жасалған принципіне ертезаманғы қытай философиясының табиғи үйлесімділікті сипаттайтын "ли" принципін жатқызуға болады. Діндегі Құдай мен адамның си-нергиясы туралы идеяның мың жылдық тарихы бар және ол дін адамдарының назарын езіне өлі күнге дейін аударуда. Христиандық религияда синергия табыну кезінде адам мен Қүдайдың бір-біріне бірігіп кетуін білдіреді. Социологияда синергия бірліктің

111

негізі ретінде адамның әр аймақтағы тіршілігінің біріккен еңбегі ретінде қарастырылады.

Өзін-өзі құру кеңістікте белгілі бір уақытта немесе кеңістік пен уақытта бір мезетте пайда болатын құрылымдар арқылы да жүре алады. Өзін-өзі құрудың әр түрлі "механизмдері" бар: басқарушы параметрлердің өзгеруі, жүйедегі мүшелер санының өзгеруі, фазалық ауысулар және т. б.

Синергетика XX ғ. 60-70 жылдары пайда болды, бірақ осы кезге дейін оны толық деңгейіне жеткен ғылым деп айтуға болмайды. Ол қазіргі кезде бірнеше бағытта дамып келеді: синергетика (батысгерманиялық физик теоретик Г. Хакен), теңсіздіктегі термоди-намика (И. Пригожин) және басқалары. Осы бағытта дамып жатқан синергетикалық идеялардың негізгі мағынасын былайша көрсетуге болады:

а) Бүкіләлемдегі бүзылу мен қайта құрылу, ыдырау мен эволюция процесстері тең жағдайда түр;

б) құрылу процесстері (күрделіліктің және үйлесімділіктің өсуі) өздері жүріп жатқан жүйелердің табиғатына қарамай біртұтастық алгоритмде болады.

Соныменен, синергетика тірі де, өлі де табиғаттың өзін-өзі қайта құруын қамтамасыз ететін жалпы ортақ механизмін ашуға талпынады.

Термодинамика кез келген күрделі жүйелерге біртұтастық көзқарас тұрғысынан қарауға мүмкіншілік жасайды. Осындай жүйелерді әдеттегі термодина-

112

микалық және статистикалық тұрғыда қарастыру синергетика принципімен жақсы үйлеседі. Синергетикалық принцип жылулық тепе-тендіктен алысырақтағы жүйелерге бағытталған. Бірақ кез келген теңсіздікте тұрған жүйеге классикалық термодинамиканың заңдары орындалатын кең түрдегі жүйені оның қоршаған ортасы ретінде тандап алуға болады. Ең бірінше рет тепе-теңсіздіктің реттік жүйенің қалыптасуына себеп болатыны термодинамикада дәлел-денгені белгілі. Шынында да, ашық жүйелердегі қайтымсыз процесстердің диссипативті өзін-өзі құраушы табиғи жүйелердің динамикалық жағдайларының қалыптасуына әкелу мүмкіншілігі бар екен. Осындай диссипативті құрылымдарды зерттеу арқылы өзін-өзі құрудың жалпылама ортақ механиздері анықталды. Қазіргі уақытта тепе-теңсіздіктегі термодинамиканың негізгі ұғымдары ретіңце озін-өзі құру, түзусызықсыздық, ашық жүйелер қарастырылады.

Ашық жүйелерді термодинамикалық талдаулар оларда энтропияның жинақталмайтынын, қоршаған ортаға сіңіп кететінін көрсетеді. Қоршаған ортадан жүйеге жаңа энергия келеді. Осының бәрі энтропияның бүл жүйеде көбеймей, азаюына әкеледі.

Ашық тепе-теңсіздіктегі жүйенің күрделі реттелген қүрылымды формаларға спонтанды түрде өтуін өзін-өзі құраушыға жатқызамыз. Жүйелерде өзін-өзі құру процесі жүру үшін мынадай қажетті жағдайлар орындалуы керек және олар мына даму этаптарынан өту керек:

а) олар қоршаған ортамен зат пен энергияны алмастырып тұратын ашық жүйелер болуы керек;

б) олар тепе-теңсіздік жағдайда болуы керек, басқаша айтқанда, термодинамикалық тепе-теңдіктен қашық болуы керек.

113

г) келесі маңызды талап, реттілік флуктуация (жыпылықтау) арқылы жасалуы. Флуктуация алғашқыда реттілікті жасап, содан соң оны күшейтеді. Бұл реттіліктің флуктуация арқылы түзілу принципі деп аталады. Бұлардан басқа жағдайлар да бар, бірақ осы келтірілген жағдайлар өзін-өзі құрудың ең маңызды сипаттамалары болып табылады.

Соныменен, синергетика бойынша ашық және өте теңсіздік жағдайдағы жүйелердің дамуы олардың күрделенуі мен реттелуі арқылы іске асады.

5.3. Бифуркация нүктелері

Синергетика ішкі механизмдерді ашпайды, макроскопиялық параметрлердің бір-бірімен байланысын және микродеңгейдегі құбылыстардың мағынасын көрсетпейді. Оның міндеті негізінен зерттейтін процестерді тек қана сапалық түрғыдан сипаттау. Синергетика макроскопиялық деңгейге "кездейсоқтық" ұғымын енгізді және бізді қоршаған құрылымдар қалай түзілгеніне жауап табуға тырысады. Жаратылыстануға "бифуркация" (жүйенің динамикалық қозғалысты жағдайы) ұғымын енгізу, оған өзіне тарихи тұрғыдан қарауды талап етгі. Өзін-өзін құрауда уақыттың қайтымсыздығы анықталды: процесті кері жүргізуге болмайды.

Жүйенің жаңа тұрақты күйге көшуі біртекті емес. Өзінің шекті параметрлеріне жеткен жүйе ең күшті теңсіздік жағдайынаи әр түрлі өзіне тұрақты мүмкін жағдайлардың біреуіне өтеді (бұл жағдай келесі бифуркацияға дейін тұрақты болып тұрады). Осы нүктеде (бифуркация нүктесі) жүйенің алдында оның эволюциялық дамуының тармақты жолдары тұрады; жүйенің осы тармақтардың қайсысымен кететінін кез-

114

дейсоқ жағдай шешеді. "Тандау" жасалынған соң және жүйе сапалық жаңа тұрақты жағдайға көшкеннен кейін, артқа қарай кері қайту болмайды. Бұл процесс қайтымсыз. Осыдан барып бұл жүйелердің дамуын алдын ала болжау мүмкін еместігі шығады. Жүйенің эволюциялық жолдарының әр түрлі варианттарын есептеп көруге болады, бірақ жүйенің қай жолмен кететінін болжау мүмкін емес.

Бұндай бүрыннан белгілі құбылыс статистикалық механика тұрғысынан мүлдем мүмкін емес, себебі бұл құбылыс бұған дейін ретсіздік қозғалыста болған сұйық молекулаларының, Бернар ұяшығы түзілген кезде, бұйрық алған сияқты белгілі бір сәйкестікпен қозғалғанын көрсетеді. Бұл жағдай әрбір молекула-ның басқа молекулалардың қалай қозғалатынын "білетіндігі" және олардың бір ыңғайда "қозғалғысы келетіні" бар екені туралы түсінік тудырады ("синергетика" ұғымының өзі "бірлесіп" өсер етуді білдіретінін еске түсірейік). Бұл жерде классикалық статистикалық зандар жұмыс істемейді, бүл құбылыстың табиғаты басқа. Егер де бұндай "дұрыс" және тұрақты "кооперативті" құрылым кездейсоқ түзілсе, онда ол сол мезетте ыдырап кетер еді. Ал, бірақ, Бернар ұяшығы белгілі бір жағдайларды жасап тұрса (сырттан энергия келіп тұрса) ыдырамайды, тұрақты түрде сақталады. Сондықтан, осындай құрылымы күрделене

Бифуркацияның "ерекше аттракторлар" (жүйенің мәліметтерінің түзу сызықтығы жойылып кететін аймақ) маңында пайда болуы тірі организмдердің іс-әрекетіне ұқсас. Мысалы, жоғарғы даму сатысындағы жануарлардың іс-әрекеттері тек қана себептік (детерминизм) факторлармен ғана емес, сондай-ақ өздерінің еркіндікке деген ұмтылысымен ішкі импульстарға де байланысты болады. "Ерекше аттракторлардың" болуы жүйе өзінің бастапқы жағдайлары қатаң түрде себептелген болса да, ол болжанбаған басқа күйлерге өтуге қабілетті болады деген түйін жасауға әкеледі.

Өзін-өзі құраушы жүйелерді, басқа да ашық тепе-теңсіздіктегі жүйелерді іздеу, көптеген осындай жүйелерді ашты: лазердің әсер ету механизмі, кристалдардың өсуі, химиялық реакциялар кезіндегі толқындардың пайда болуы (Белоусов-Жаботинский реакциясы), тірі организмнің қалыптасуы, популяция динамикасы, нарықтық экономика - осы сияқты жүйелерде миллиондаған жеке ивдивидтердің ретсіздік қозғалыстары тұрақты күрделі макроқұрылымдардың пайда болуына әкеледі. Осы сияқты құбылыстарды синергетикалық талқылау, оларды зерттеудің жаңа бағыттары мен мүмкіншіліктерін ашады.

Қазіргі уақытта Бүкіләлемнің фундаментальды тұтастығы мен синергетика принциптері табиғаттың даму зандылықтарын қарастырғанда кеңінен қолданылады. Академик Н. Н. Моисеев (1917-2000) езінің еңбектерінде ("Расставание с простотой") сонау биосфераның пайда болған кезінен қазіргі заманға дейінгі уақыттағы Жер бетіндегі өмір эволюциясын ұзақ та тыныш кезеңдердің (периодтардың) сапалық өзгерістерге әкелетін революциялық жарылыстарымен кезектесіп келіп отыратын картинасы ретіңце сипаттайды. Бифуркация нүктесі - дамудың бірнеше варианттары бар (оның ішінде революциялық өзгерістер де) "эволюция траекториясындағы" нүкте деп анықтама береді.

116

Бифуркацияның бірінші нүктесі өліден тірінің қалыптасуына, биосфераның пайда болуына; екіншісі

- қоғамдық дамудың мазмүнының өзгеруіне және техногендік әркениеттің (цивилизацияның) тууына әкелді.

Әлемдік эволюциялық процеске синергетикалық тұрғыдан қарау эволюцияның қайтымсыздығын, уақыттың бағыттылығын, организмдердің тіршілігіндегі органикалық формалардың күрделенуге қарай бағыттылығын және олардың көп түрлілігінің өсуін түсінуге көмектеседі. Әлемнің біртұтастығын, табиғаттағы барлық құбылыстардың бір бірімен гармониялық байланыста екенін ылғи да ескерте отырып, синергетика адамнан осы бағытта ақылдылық пен данышпандықты талап етеді.

Семинарға арналған сұрақтар

1. Мәселелерге синергетикалық тұрғыдан қарау нені білдіреді?

2. Ашық жүйе дегеніміз не?

3. Синергия мен синергизм дегеніміз не?

4. Бенар ұяшығының пайда болуы.

5. Тірі организмдер теориясының бифуркациялық теориясы.

6. Жер өзін-өзі құраушы жүйе.

7. Жыпылықтау шуы.

8. Синергетика мен философия.

9. Табиғаттағы хаос пен реттілік.

2. Физика XX века. Развитие и перспективы. М.: Наука, 1984. ЗЗбс.

117

3. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск: ООО "ЮКЭА", 1997. 88с.

5. Концепции современного естествознания /Под ред. В.Н.Лавриненко, В.П.Ратникова. -М.:Юнити, 1999. ЗОЗс.

6. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. Уч. пособие для вузов. -М.,1998.

Қосымша әдебиеттер

1. Шкловский И.С. Звезды, их рождение, жизнь и смерть. М.: Наука, 1972. 382с.

2. Горохов В.Г., Розин В.М. Введение в философию техники. М., 1988.

3. Пригожин И. От существующего к возникающему. М.: Наука, 1985. 328с.

4. Хакен Г. Синергетика. М.: Мир, 1980. 434с.

Алтыншы бөлім

119

Д. И. Менделеев химияны "химиялық элементтер мен олардың қоспалары туралы ғылым" деп атаған, Кейбір оқулықтарда химияны "заттар мен олардың басқа түрге айналулары" деп, басқасында - "заттардың сапалық өзгеру үрдісін зерттейтін ғылым" деп және т.б. анықтамалар беріледі. Бұл анықтамалардың барлығы өздігінше жақсы, бірақ олар химияның заттар туралы білімдердің жай ғана жиынтығы емес, белгілі әлеуметтік маңызы және басқа ғылымдар қатарында өзінің орны бар, реттелген, үнемі дамып отыратын білімдер жүйесі екендігі туралы фактіні ескермейді.

Химия ғылым ретінде өзі пайда болған сэттен бастап өз алдына нақты практикалық мақсаттар қойды және сол мезгілден бастап адамзатқа табиғи заттардан мүмкіндігінше барлық қажеттіліктерді алу үшін керек болды: металдар мен керамиканы, өк пен цементті, шыны мен бетонды, бояулар мен дәрілерді, жарылғыш заттар мен жанар-жағар материалдарды, каучук пен пластмассаны, химиялық талшықтар мен берілген қасиеттері

120

бағынады. "Бірақ бұл ғылыми міндет емес, керісінше, өндірістік мәселе емес пе", - дейсіз сіз. Иә, расында, басқа жаратылыстық ғылымдарға қарағанда химия жаңа заттар алу өндірісімен тығыз байланысқан.

Орта ғасырлардағы химиктердің (анығында -алхимиктердің) қол жететін табиғи қоспалардан қымбат бағалы металдар алудағы ең алғашқы әрекеттерін еске түсірейік. Бұл әрекеттер табыссыз болды, бірақ оның есесіне қаншама жаңа қарапайым және күрделі химиялық заттар жолай ашылды! Практикалық міндет - алтын мен платина алу - жаңа заттарды іздеуге, оларды синтездеуге ынталандырды және өзгеріп, дүниедегі заттардың сан алуандығы туралы түсініктердің ауқымын кеңейтті.

Жасанды түрде синтезделетін заттардың химиялық және физикалық қасиеттерін зерттеу ғалымдардың алдына басқа, толық ғылыми міндет қойды: алынатын заттардың қасиетгері қандай факторларға қатысты және бұл қоспалардың қасиеттерін күні бұрын болжап білу мүмкін бе?

2. Заттардың қасиеттерін меңгеру тәсілдерін анықтау - ғылыми зерттеудің міндеті.

Бұл мәселені шешудің тек қана төрт тәсілі бар, олар ең алдымен барлығы төрт табиғи фактордың болуына байланысты, бүл факторларға алынатын заттардың қасиеттері тәуелді болады.

Алынатын заттардың қасиеттеріне ықпал жасайтын негізгі табиғи факторлар:

1. Заттың қүрамы (элементтік, молекулалық).

2. Молекулалардың қүрылымы.

121

3. Нәтижесінде осы заттар алынатын химиялық реакцияның термодинамикалық және кинетикалық шарттары.

Өткен параграфта біз заттардың көптеген химиялық қасиеттерін физика зандарына жүгініп түсіндіруге болатындығын анықтадық. Бірақ, алғашында бұлай болған жоқ. Физика мен химия ғылымдары өздерінің алғаш рет пайда болған кездерінде дербес өмір сүрген. Олардың әрқайсысы өзінің белгілі бір жолымен дамыды.

Химиялық білімдер оларды біріктіру мен жүйелеу керек болғанға дейін эмпирикалық түрде жинала берді. Химиялық білімді жүйелі түрге келтіру негіздерін жасаған орыс ғалымы Д. И. Менделеев болды. Оның химиядағы жүйелер негізіне дейін хи-миялық оқулықтары ете үлкен және ішіндегі мөндері әр түрлі бірнеше бөлімдерден түратын. Д. И. Менделеевтің 1868-1871 жж. шыққан және жүйелік ретпен жасалған "Химия негіздері" деген еңбегі бір кітапқа кіріп, сол кездегі химиялық білімді бір-бірімен байланысты түрде баяндады. Ол өз еңбектерінде кез келген дөл білімдер жүйелікте болады деген қағиданы ұстанды. Осындай қағиданы ұстану нәтижесінде ол 1869 ж. химиялық периодты заңды ашып, химиялық элементтердің периодтық жүйесін жасады.

Д. И. Менделеевтің бұл жаңалығын химия ғылымындағы төңкеріс деп қарауға болады, өйткені ол жекелеген элементтердің химиялық және физикалық қасиеттерінің арасындағы байланысты анықтап қана қойған жоқ, сонымен бірге барлық химиялық элементтердің арасындағы өзара байланысты тауып анықтады. Периодтық жүйедегі топ-тар мен қатарлар тектес элементтердің "тұқымдас-тықтарын" анықтауға сенімді негіз бодды.

122

Периодтық заңның іс жүзінде алғашқы қолданылуы сол кезде мәндері қате қойылған кейбір элементтердің валенттілік шамасы мен атомдық салмақтарының түзетілуі болды. Бұл атап айтқанда, индиге, цериге, жерде сирек кездесетін басқа элементтер: ториге, уранға қатысты.

Іс жүзінде екі жылға созылған шығармашылық қызу жұмыстың нәтижесінде ғалым (негізінде) біз 100 жылдан астам уақыт - осы уақытқа дейін қолданылып келе жатқан элементтердің периодтық жүйесін жасады. Ол периодтық заңның негізгі ережелерінің дұрыстығының ең жақсы дәлелі - одан туындайтын болжамдардың жүзеге асырылуы, - деді. Менделеев, сонымен қатар, бордың, алюминий мен кремнийдің ол кезде белгісіз болған ұқсастары — экабор, экаалюминий және экасицилия бар деп болжады. Ұлы ғалым жорамалдаған бұл элементтерді химиктер көп кешікпей ашты. Олар галий, скандий және германий болып шықты. Тағы басқа кейбір элементтердің қасиеттерін болжаудағы Менделеевтің әдісін одан кейінгі жылдарда да ғалымның ізбасарлары табысты қолданды.

Элементердің физикалық және химиялық қасиеттерінің периодтық езгеруінің себебі қандай? Бұл күрделі сұраққа ғылым: ол атомның электрон қабықтарының құрылысының периодтігінде жатыр, - деп жауап береді.

Бірінші кестеде көрсетілгендей, валентті электрондар атомдардағы энергияның сәйкес деңгейлерінің S-деңгейшелерінде орналасқан. Бұдан соң кіші периодтарда электрондар мен s- және р- деңгейшелер толтырылады, ал үлкен периодтарда жөне де d-деңгей-шелер толтырылады. VI жөне VII периодтарда соны-

123

мен қатар f- деңгейлерін толтыру байқалады. Инертті газдардың атомдары сыртқы электрондарын әрқашан да толық қалыптасқан s- және р-деңгейшелерде ұстайды. Осылайша, периодтық жүйенің бірдей топшаларының химиялық элементтері атомдарының

Атомдардың олардың электрон құрлысымен байланысты болатын аса маңызды қасиеттерінің бірі -тиімді атомдық және иондық радиустар. Олар да элементтің атомдық нөмірінің шамасына қарай периодты түрде өзгеріп отырады екен. Бір периодтың элементі үшін оның реттік нөмірінің өсуіне қарай әуелі атомдық радиустардың кішіреюі байқалады, ал бұдан соң периодтың соңына қарай олардың үлкеюі байқалады. Бұл ерекше физикалық қасиет бір периодқа жататын атомдардың сыртқы электрон қабықтарының құрылысын білуге негізделген қарапайым түсінік табады: бар мәселе электроста-тикада! Шынында да, периодтың басында атомның сыртқы электрон қабығындағы электрон сандары аз, олар бір-бірінен салыстырмалы үлкен қашықтықта орналасқан - бос орын жеткілікті, сондықтан бұл жағдайдағы негізгі әрекеттестік бір тектес зарядталған электрондардың электростатикалық тебісуі емес, атом ядросының электрондарды таратуы болып табылады. Яғни, элементтің реттік нөмірі үлкейгенде ядро зарядының шамасы мен электрон қабықтың кері зарядының жалпы шамасы үлкейеді - ендеше ядро мен электрондардың арасындағы Кулондық тартылыс күші де өседі - электронды қабықты атомның ортасына қарай "тарту" жүзеге асып, бұл атомның радиусы кішірейеді.

124

МЕНДЕЛЕЕВ ЖҮЙЕСІНІҢ ПЕРИОДТАРЫНЫҢ БАСЫ МЕН

АЯҒЫНДАҒЫ ЭЛЕМЕНТТЕРДІҢ

АТОМДАРЫНДАҒЫ ЭЛЕКТРОНДАРДЫҢ БӨЛІНУІ