И. Харгиттаи, М. Харгиттаи - Симметрия глазами химика (1109026), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Интересная особенность во взаимоопюшениях химии с другими областями была отмечена в Нобелевской лекции Владимира Прелога гг); «Химия занимает уникальное место среди естественных наук, так как оиа имеет дело пе только с веществами естественного происхождения, а создает самостоятельно ббльшую часть своих объектов путем синтеза. В этом отношении, как справедливо заметил много лет тому назад Марселин Бертло, химия сролнн искусству; возможности ее творческой деятельности просто ошеломляют». Конечно, как искусство не сугцссгвует ради искуссгва, так и химия ие ! эз«« существует только ради химии.
Кроме создания лечебных препаратов, жаропрочных материалов, пестицидов и взрывчатых веществ, химия з акже является своеобразным полигоном для химика-органика, синтезирующего экзотические вещества типа пропеллана и кубана, для химика-неорганнка, готовящего соединения с кратными связями металл- металл, лля стереахимнка, моделирующего химические реакции в согласии с салонным фокусом. популярным во Франции (см. разд.
2.7), и для химика-вычислителя, «создающего» с помощью ЭВМ невообразимые молекулы и дающего удивительно подробное описание протекания еще не известных реакций. Представления о симметрии играют совсем не малую роль в подобного рода деятельное~и. Краткая формулировка Артура Кестлера [31 подчеркивает важность в сочетании фактического материала и фантазии: «Деятели искусства нуждаются в фактическом материале, так как это стимулирует их воображение, а ученые используют свое воображение, чтобы скоординировать известные факты». Одну из наиболее ранних иллюстраций образного использования представления о форме приводит Коулсон [4), цитируя Лукреция, который в первом веке до нашей эры писал, что «атомы с гладкими поверхностями приятны на вкус, подобно меду, а атомы с шероховатой поверхностью неприятны».
~ Проявления симметрии в химии отмечались и изучались в течение целых столетий на примере кристаллографии-области науки, которая находится на границе между химией н физикой) В ней, может быть, больше физики, если речь идет о морфологии кристалла и других его свойствах, но становится больше химии тогда, когда мы касаемся внутреннего строения кристалла и взаимодействия между его строительными единицами.;, В дальнейшем рассмотрение колебаний молекул, правил отбора и других фундаментальных принпипов всех спектральных методов также привело к тому, что концепция симметрии заняла в химии уникальное место; также важны и ее практические применения. Открытие зеркальной симметрии или хиральности у кристаллов, а позднее и у молекул приблизило концепцию симметрии к реальной химической лаборатории.
Однако пока не химик вообще (в классическом понимании этого термина), а только стереохимик, химик-структурщик, крис~алло~раф и спектроскопнст имели отношение к этой концепции. Еше ие прошло и 20 лет с того времени, когда обсуждение важности симметрии для химии приходилось сопровождать извинениями за возможно излишнее внимание к этой концеппии.
В то время еше считалось, что соображения симметрии теряют свою значимость, как только молекула — главный химический объект — вступает в химическую реакцию, т. е, испытывает обычное химическое превращение. Теория молекулярных орбнталей и открытие принципа сохранения орбиталыюй симметрии устранили зто последнее заблуждение.
Нобелевская премия по химии за ! 98! г., присужденная Фукуи [5) и Хоффману [63, знаменует эти достижения. Иногда задают такой вопрос: отличается ли «химическая симметрия» В»еле»ы от других типов симметрии? Возможно ли также, что различные типы симметрии в отдельных областях науки имеют характеристические отличия н существует лн между ними иерархическая связь? Разумеется, симметрия в знаменитых физических законах сохранения (см., например, [7)) существует и для любой химической системы.
Симметрия молекул и химических реакций — это и неотъемлемая часть биологической структуры. Симметрия хипа «лево-правая» настолько важна для живой материи, что она по своей значимости может состязаться только с аналогичной симметрией в мире элементарных частиц; таким образом, круг как бы замкнулся, но такая аналогия, конечно, является очень болыпим упрощением. Однако можно с уверенностью утверждать, что концепция симметрии перекидывает мост и объединяет не только, скажем, науку и искусство, но и различные области самих наук. Да, но что же такое симметрия? Возможно, мы не сможем ответить' на этот вопрос удовлетворительно, по крайней мере с учетом всех сторон этого емкого понятия.
Согласно русскому кристаллографу Е.С. Федорову, который также занимался вопросами симметрии, «симметрия есть свойство геометрических фигур повторять свои части, нли, выражаясь ~очнее, свойство их в различных положениях приходить в совмещение с первоначалъным положением». Приведем второе определение, принадлежащее геометру Х, Кокстеру [8з: «Когда мы говорим, что некоторая фигура симметрична, мы подразумеваем, что для нее имеется конгрузнтное (совместимое) преобразование, которое оставляет фигуру неизменной, переставляя лишь ее отдельные части».
Федоровское определение симметрии приводится здесь по А. В. Шубникову [9?, который также был авторитетом в области симметрии и занимался кристаллографией, от себя он добавляет, что, хотя симметрия есть свойство геометрических,фигур, очевидно, и «материальные тела» тоже могут обладать симметрией. Шубннков далее пишет, что только те части, которые в некотором смысле равны друг другу, могут повторяться, и отмечает наличие двух видов равенства — совместимого и зеркального. Эти два вида равенства являются подтипами концепции метрического равенства, развитой Мебиусом, согласно которой «фигуры равны, если расстояния между любыми заданнымн точками одной фигуры равны расстояниям между соответствующими точками в другой фигуре» [91.
Термин «симметрия» имеет дополнительный смысл, означая гармонию пропорций, что, однако, как отмечает Вейль [!((), придает этому понягню некоторую расплывчатость, Но именно эта расплывчатость и может пригодиться, когда приходится увязывать симметрию с химией нли вообще всякий раз, когда концепция симметрии применяется к реальным системам.
Мнслоу и Бикарт [! Ц опубликовали в форме письма заметку о хиральносги, в которой многое из того, что они могут сказать об этой концепции, применяемой вместо реальных молекул, растворителей и кристаллов к геометрическим фигурам, можно с одинаковым успехом отнести и к представлению о симметрии. Мислоу и Бикарт утверждают, что «неразумно проводить строгое разделение :пю ! Ппо.гою« между хиральными и ахиральнымн скоплениями молекул; в отличие от четкой классификапии геометрических фигур здесь приходится иметь дело со смутными пограничными отличиями, поэтому весьма желательно в неявной нли явной форме всякий раз давать «операционные» пояснения к терминам «ахиральный» или «рацемический», когда они относятсп к наблюдаемым свойствам макроскопическог о образца» Далее Мислоу и Бикарт отмечак>т, что, «обращаясь к явлениям природы, оказываешьсп в такой области логики, в которой есть польза от некоыэрой расплывчатости» [! 25.
Способность человека г еометризировать негеометрические образы и явления очень помогает распознавать симметрию даже тогда, когда она представлена «расплывчато» и «смутно». В согласии с этим Вейль [101 писал о Дюрере, что он «рассматривал свой канон человеческого тела скорее как стандарт, от которого необходимо отклоняться, чем как образец, к которому следует стремиться». Симметрия в строгом смысле слова помогает нам решать задачи быстро и на качественном уровне. Однако полученным ответам недостает детализации [135.
С другой стороны, расплывчатость и смутность в более широком толковании симметрии дают нам возможность говорить о степени симметричности, т. е. что-то может быть более симметрично, чем нечто другое. Абсолютный геометрический подход позволил бы нам отличать только симметрию от асимметрии н, возможно, от диссимметрии. Таким образом, должен существовать набор критериев, согласно которым можно решать, что является симметричным и до какой степени.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
