И. Харгиттаи, М. Харгиттаи - Симметрия глазами химика (1124212), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Важной задачей научной популяризации, выражаясь словами английского писателя и физика Ч. Сноу, является сближение двух культур. Своей книгой нам хотелось бы также внести посильный вклад в сближение естественных и технических наук с гуманитарными науками и искусством. Мы благодарны издательству «Мир», а также всем, кто принимал участие в выпуске нашей книги на русском языке. Надеемся, что советский читатель примет нашу книгу с той же любовью и теплотой, с которой мы предлагаем ее. Предисловие Эта относительно небольшая по объему книга посвящена рассмотрению химии с точки зрения симметрии.
Мы предлагаем читателю много примеров из химии, равно как и из других областей, чтобы подчеркнуть всеобъемлющий характер концепции симметрии. Мы надеемся, что проделанная нами работа принесет пользу тем химикам, которые, занимаясь как фундаментальными, так и прикладными исследованиями, интересуются не только своей узкой специальностью. Хотя никто не заставлял нас написать эту книгу, мы не могли не сделать этого. Хочется верить, что читатели разделят с нами то удовольствие, эстетическое наслаждение и радость в познании нового, которые мы испытывали в процессе ее написания.
В ходе работы мы смогли полнее осознать различные проявления симметрии в химии, а также в окружающем нас мире. Вероятно, такое же чувство должно появиться и у читателя. Несмотря на широкий диапазон обсуждаемых проблем, книга не претендует на полноту рассмотрения и не является специализированным руководством в какой-либо конкретной области. В идеале предполагается, что заинтересованный читатель, познакомившись с общей идеей в целом, сможет обратиться к тем превосходным монографиям, в которых эти проблемы подробно рассмотрены. Мы сами в значительной степени опирались на эти монографии; они приводятся в списке литературы к каждой главе. Однако нам особенно хотелось отметить две классические книги*, относящиеся к симметрии, которые оказали сильное влияние на формирование наших интересов, связанных с концепцией симметрии.
Структура нашей книги проста. За небольшим по объему введением (гл. 1) следует глава, в которой рассматриваются простейшие типы симметрии на примерах, взятых из химии и других областей. Затем на качественном уровне обсуждается геометрическое строение молекул (гл. 3). Положения теории групп (гл. 4) сформулированы так, чтобы стал понятен материал по колебаниям молекул (гл.
5), электронному строению (гл. 6) и химическим реакциям (гл. 7). Пространственным группам симметрии и симметрии кристаллов посвящены соответственно гл. 8 и 9. Обычных знаний о симметрии, которыми располагает большинство людей, вполне достаточно для чтения гл. 1 — 3, 8 и 9. Однако для * Вейль Г. Симметрия. Пер. с англ.— М.: Наука, 1968; Шубников А. В., Копчик В.А. Симметрия в науке и искусстве.— М.: Наука, 1972. Предисловие .И. Харгиттаи М. Харгиттаи* Сторс, шт. Коннектикут (март 1985 г.) и Будапешт (май 1986 г.) * Постоянный адрес: Венгерская академия наук, Будапешт, почтовый яшик 117, Н-1431 ВНР. понимания гл.
5 — 7 необходима та краткая информация о теории групп, которая приводится в гл. 4; здесь же рассматривается антисимметрия. Предшественница данной книги была опубликована двумя годами раньше на венгерском языке издательством Венгерской академии наук в Будапеште. Мы благодарны издателям, друзьям и коллегам за разрешение использовать некоторые материалы в теперешнем варианте. Мы глубоко признательны тем коллегам, которые прочли одну или несколько глав и помогли нам своими критическими замечаниями и предложениями. К ним относятся Дж. Боббит (Университет шт. Коннектикут), Р.
Бонэм (Университет шт. Индиана), А. Гринберг (Технологический институт в Нью-Джерси), Д. Либман (Университет шт. Мэриленд), А. Маккей (Лондонский университет), А. Марчанд (Университет шт. Северный Техас), К. Мислоу (Принстонский университет), И. Пол (Университет шт. Иллинойс), П. Пулаи (Университет шт. Арканзас), Р. Шор (Университет шт. Коннектикут) и Д. Варшани (Будапештский технический университет). Разумеется, мы несем ответственность за оставшиеся недочеты и были бы признательны читателям, если бы они обратили на них наше внимание. Проф. Клаус Блиферт (Мюнстер) в начале нашей работы выступал посредником между нами и издательством. Рудольф Муттер (Университет г.
Ульм) оказал существенную помощь в подборе литературы. Мы высоко ценим поддержку, энтузиазм и усилия всего штата издательства в Вайнхайме, включая приват-доцента Х. Эбеля и технического редактора Р. Биля. Мы благодарим авторов и тех, кто охраняет авторские права, за разрешение использовать их иллюстрации в нашей книге. Мы постарались точно указать источники всех иллюстративных материалов и заранее приносим извинения, если неумышленно что-то пропустили. Большая часть окончательной работы была проделана во время нашего пребывания в Университете шт. Коннектикут в 1983 — 1985 гг. в творческой атмосфере, царящей на факультете. Мы выражаем свою благодарность декану Дж. Элиасу, нашим коллегам на химическом и физическом факультетах, а также Л.
Азарову — директору Института материаловедения. Мы посвящаем эту книгу памяти Йожефа Поллака (1901 — 1973), отчима одного из авторов (И. Харгиттаи). Он оказывал решающее влияние на формирование наших интересов, что в конце концов привело к написанию данной книги. Введение Основополагающие явления и законы природы теснейшим образом связаны с симметрией, которая по этой причине является одной из основных научных концепций.
Симметрия очень часто встречается в окружающем нас мире, поэтому, может быть, она так важна в творческой деятельности человека. Симметрия прекрасна, но ее одной явно недостаточно для красоты, а абсолютная правильность даже может раздражать. Полезность и функциональность, а также эстетическая привлекательность — вот основания для применения представлений о симметрии в технике и искусстве. Многое написано о симметрии, например, в музыке Белы Бартока ~Ц. Однако пока неизвестно и, возможно, мы не узнаем об этом никогда, сознательно ли он применял требования симметрии, или же он чисто интуитивно приходил к числам Фибоначчи и золотому сечению, которые так часто встречаются в его музыке.
Другой вопрос, остающийся без ответа, состоит в том, как эта симметричность способствует привлекательности музыки Бартока и насколько ббльшая часть этой привлекательности обязана нашему врожденному стремлению к симметрии. Сам Барток всегда отказывался обсуждать техническую сторону процесса сочинения музыки и лишь любил повторять: «В нашем творчестве мы следуем за природой». Вышеприведенный пример показывает, что мы стремимся трактовать симметрию в более широком смысле, чем это следует из чистой геометрии. Концепция симметрии предоставляет нам хорошую возможность расширить горизонты нашего познания и приблизить химию к другим областям человеческой деятельности. Интересная особенность во взаимоотношениях химии с другими областями была отмечена в Нобелевской лекции Владимира Прелога ~21: «Химия занимает уникальное место среди естественных наук, так как она имеет дело не 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 сродни искусству; возможности ее творческой деятельности просто ошеломляют». Конечно, как искусство не существует ради искусства, так и химия не Глава 1 существует только ради химии. Кроме создания лечебных препаратов, жаропрочных материалов, пестицидов и взрывчатых веществ, химия также является своеобразным полигоном для химика-органика, синтезирующего экзотические вещества типа пропеллана и кубана, для химика-неорганика, готовящего соединения с кратными связями металл— металл, для стереохимика, 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 деятельности. Краткая формулировка Артура Кестлера 131 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 141, 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 и 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 принципов 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, кристаллограф и спектроскопист имели отношение к этой концепции. Еще не прошло и 20 лет с того времени, когда обсуждение важности симметрии для химии приходилось сопровождать извинениями за возможно излишнее внимание к этой концепции.
В то время еще 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 орбиталей и открытие принципа сохранения орбитальной симметрии устранили это последнее заблуждение. Нобелевская премия по химии за 1981 г., присужденная Фукуи 151 и Хоффману [6~, знаменует эти достижения. Иногда задают такой вопрос: отличается ли «химическая симметрия» Введение от других типов симметрии? Возможно ли также, что различные типы симметрии в отдельных областях науки имеют характеристические отличия и существует ли между ними иерархическая связь? Разумеется, симметрия в знаменитых физических законах сохранения (см., например, 173) существует и для любой химической системы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
