Законы и свойства системы: естественнонаучная интерпретация новой методологии - реконструкция таблицы Менделеева
Артамонов Г.Н.
Аннотация
В данной статье проводится обоснование модели системы, полученной в ходе логико-философских, топических и системно-аналитических исследований через ее интерпретацию на материалах естествознания. В качестве интерпретативной основы выбрана периодическая система химических элементов, поскольку она является наиболее полной и надежной моделью системы, известной современной науке. Топос («Топика Аристотеля) определяется как ячейки симметрии. В статье показывается как из данных ячеек симметрии формируется целостная система. Таблица элементов - лучшее приближение к тому, что мы называем системой, но и она имеет известные несовершенства: это проблема выпадения из классификационного принципа трети элементов. Прежде всего, вне метрики и категорий классификации оказывались 14 лантаноидов и 14 актиноидов. Далее, вне разряда (групповой обособленности) оказывались 8 элементов, приписанных к 8 разряду. Конечный вывод: на основе топоса (ячейки симметрии) построена система с новой разновидностью гексагональной симметрии, имеющей вид двух торов, вписанных в сферу и содержащую 120 элементов.
Ключевые слова: топика, топос, смысловая решетка, ячейка симметрии, тип симметрии, топология системы, системный анализ, системное моделирование, периодический закон, лантаноиды, актиноиды, таблица элементов.
Artamonov G.N.
Moscow
LAWS AND PROPERTIES OF THE SYSTEM AND SCIENTIFIC INTERPRETATION OF THE NEW METHODOLOGY - RECONSTRUCTION OF MENDELEYEV'S PERIODIC LAW
Abstract. The author gives proof of the model of the system obtained in the course of logical-philosophical, topical and systemic-analytical research through its interpretation by the materials of natural history. The periodical system of chemical elements is selected as an interpretative framework because it is the most complete and reliable system model known to modern science. Topos (Aristotle Topeka) is defined as the cells of symmetry. The article shows how these symmetry cells develop the integral system. The table of elements is the best approximation to what we call a system, but it is still imperfect: there is a problem of a third of the members falling out of the classification principle. First of all, outside of the metric and category of the classification was 14 lanthanides and 14 of actinoids. Further, outside of the discharge (group isolation) was 8 elements attributed to category 8. The final conclusion: on the basis of a topos (cell symmetry) a system has been built with a new type of hexagonal symmetry (with two tori inscribed in a scope containing 120 items).
Keywords: topics, topos, semantic lattice, a symmetry cell, a symmetry type, system topology, systems analysis, systems modelling, the periodic law, lanthanoids, actinoids, the table of elements.
Выбор области интерпретации системной модели
При разработке проблем топики и системного анализа мы выделили модель топоса проблем (см. статью: «Логика, топика и системный анализ»). Применительно к области интерпретации топос проблем мы называем структурным топосом. Оценка теоретические построения принимается в науке как достоверная знание лишь после подтверждающих интерпретаций. Предварительные утверждения: топос проблем в системном конструировании может, выполняет роль ячейки симметрии, которой соответствует вся система в целом [Дидык, 2007, 1, с. 245].
Гипотеза: если интерпретация окажется положительной, т.е. способной полностью и непротиворечиво классифицировать всю совокупность элементов системы, с установленным типом симметрии, то данный методологический принцип конструирования - не случайный, а универсальный принцип и закон системы.
Основанием гипотезы является теорема Эмми Нёттер (1925 г.), получившая высокую оценку как математиков, выводом которой является утверждение: «Если установлен некий тип симметрии, то тем самым установлен закон сохранения».
В гуманитарных науках не существует таких областей, которые можно принимать как общепринятую модель системы. Даже в естественных науках, кроме таблицы Менделеева, нет убедительных и относительно полных моделей, приближающийся к требованиям системы. Поэтому, в качестве единственной интерпретативной основы мы избрали периодическую таблицу химических элементов. Периодическая таблица, не смотря на все богатство и достигнутый уровень полноты в ее классификационном принципе [Палюх Б.В., Миронов В.А., Зюзин Б.Ф., 2009, 8, с. 68-73], не может быть названа системой химических элементов, но остаются лишь хорошей таблицей по целому ряду причин:
. Из классификационного принципа выпадает 40 элементов - ровно треть. В табл. 1 (краткая форма) мы указали выпадающие области: 28 лантаноидов и актиноидов, 8 элементов (по два в 3-7 периодах), приписанные к 8 группе, 2 начальных (Н, Не) и два конечных элемента (119 и 120 элемент) 1-го и 8-го неполных периодов [Грей, 2012, 1, с. 54].
. Нарушение принципа симметрии в связи с неравновесностью групп: особенно это касается 3-ей группы, к которой целиком приписаны все лантаноиды и актиноиды. В 1-2 и 48 группах содержится по 10 элементов, в 4-7 - по 10 элементов (Н, Не здесь пока не учитываются, что разъяснится позже), а в 3 группе - 38 элементов.
. Приписанные к 8 группе - C027, Ni28, Rh45, Pd46, ІГ77, Pt78, Mti09, Uunii0 представляют не объясненное расширение и стоят в таблице вне группового индекса, т.е. как и в случае с лантаноидами и актиноидами. Они вообще стоят вне таблицы, как бы в чужой группе.
. Периодическая таблица имеет по группам и по периодам размерность «8». Базовый метрический индекс симметрии - S8 (квадратичный закон: 8 групп и 8 периодов) и если эта симметрия верна, то в нее должны включаться все элементы и у каждого должен быть единственное, заранее идентифицированное место - системное расположение. Если один элемент не подчиняется этой симметрии, то целиком не верен и сам тип симметрии, а тут - 40 элементов (1/3), которые тремя закономерными, а не случайными способами нарушают симметрию, которая была безошибочной для 2/3 элементов.
. Не ясен конец таблицы. Сколько всего химических элементов: 118, 120 или еще больше. Многие физики и химики убеждены, что за «островом нестабильности» (лантаноиды, актиноиды, а некоторые полагают, что есть и суперактиноиды), должен (это лишь желания, вера, но не теоретический вывод) последовать новый остров стабильности, и возлагаются надежды, что всего существует 150 или даже 182, а возможно и еще больше элементов (т.е. полный 8, полный 9 периоды, а возможно и больше). Но все это не более, чем наитие [Просандеева Н.В., Сергиенко С.И., 2008, 12, с. 49; Соколов И.П., 2010, 13, с.56].
Указанные причины не новость, это выстраданные в физической и химической науке проблемы. На протяжении столетия физики, химики, математики искали выход из положения. В итоге, на сегодняшний день существует более 500 вариантов альтернативных таблиц. Все они варьируют одну и ту же идею. Новых идей нет. Основными признаются короткая (табл. 1) и длинная таблица (табл. 2).
Обзор решений по модификации Периодической таблицы
периодическая таблица аналитический
Графо-аналитические формы. Модель Д.И. Менделеева была аналитичной, как и прочие табличные. Стремление к полноте, целостности, системности, стремление преодолеть противоречия приводили к идее трехмерных моделей и на этом пути стали возникать графические и графо-аналитические. Среди последних: лестничная.
Рис. 1. Лестничная форма таблицы: Т. Бейли (1882), Ю. Томсен (1895), Н. Бор (1921)
Лестничная форма. [см., также: Хорошавин Л.Б., Щербатский В.Б., Якушина Е.В., 2006, 25, с. 88-100]. Легко угадывается 7 периодов (целостно представленных:
2,8,8,18,18,32,32), причем лантаноиды и актиноиды размещены не в отрыве от своих периодов, а в закономерной последовательности.
Бор выявил три существенные особенности формирования электронных конфигураций атомов: 1) заполнение электронных оболочек происходит не, а прерывается появлением совокупностей электронов, относящихся к оболочкам с n>1; 2) сходные типы электронных конфигураций атомов периодически повторяются; 3) границы периодов (кроме первого и второго) не совпадают с границами последовательных электронных оболочек [Потапов, 2006, 10, с. 1-23]. Лестничная форма - переходная между табличной и графической формами. Большинство таблиц ориентированы на монадную боровскую парадигму [Scerri, 2007, 10, 368 p.], но ряд исследователей ее упрекает за то, что в ее основе лежит только одно (главное) квантовое число n без учета уровня 1, а в диадной учитывается сумма n+l, что подходит для сложных атомов (М.Г. Веселов), а Ч. Коулсон вообще критикует квантовово- волновую модель. Среди ее недостатков отсутствие градаций по группам [Романовская, 1986, 13, с 87]. Хотя ее назвали монадной, она совместима с диадной и в ней есть «изюминка» - обобщение исходного принципа симметрии - той ячейки симметрии (ветвистой структуры, графа), повторением и группировкой которого формируется система.
Предлагаемый нами структурный топос однозначно классифицирует каждую группу и период таблицы. Совокупность 8-ми топосов, охватывается вся внешнюю часть системной модели, а в сочетании с центральной группой из 2-х полуструктур топоса, представляющую внутреннюю часть сферы, полностью, целостно, без исключающих моментов, континуально описывает всю систему химических элементов. Предлагаемый нами, структурный топос имеет дихотомическое строение по вертикалям и горизонталям, что обеспечивает полное соответствие требованиям рациональности описания (мышление - дихотомично) и аналитического исследования. В лестничной модели Бора мы имеем дело не с топосом, а метатопосом (диады периодов с размерностью 8, 18, 32). Это интегральный образ всей системы, но не допускающий параметризации деталей - это образ именуемый «эйдосом», а не «логосом» (в традиции античной философии), а потому интересен лишь как эмблема, обобщенный символ, но не как цепочка понятий и с выявляемыми логическими отношениями, и, поэтому, он не допускает аналитического метода в раскрытии деталей и всех порождаемых связей, и отношений. Но, как метатопос - интересен и косвенно подтверждает правильность того пути, которому мы следуем [см., также Imyanitov, 2010, 26, с. 69-72].
Ступенчатая (диадная) модель. Модель Ш. Жанета (1929), в некотором смысле, - модификация боровской парадигмы, но имеет и новое: присутствует идея двоичности периодов, первоначальные размеры периодов верны, но за периодами «32» далее предлагается периоды по «50» элементов, что является лишь гипотезой, которая, ломает ранее выявленную симметрию системы [Сайфуллин Р, Сайфуллин А., 2003, 14, с. 14-17].
Рис. 2. Модель таблицы Ш. Жанета (1929 г.)
мов, Махов, Тарантола - возник ряд вариантов, имеющее: дублетность периодов, чего не был чужд и Н. Бор. Диадная модель дважды повторяет каждый уровень [Поляков, 1997, 9, с. 64]. и имеет подуровни одного типа (s, p, d, f): I -я диада - 2 s подуровня, II -я диада - 2 s и 2 p подуровня, III-я диада - 2 s, 2 p и 2 d подуровня, IV-я диада - 2 s, 2 p, 2 d и 2 f подуровня и т.д. Эта особенность подтверждает расщирение ветвистой структуры топоса от одной ветви (начало топоса) - к двум (срединое ветвление) и, затем, - к 4-ем ветвям (последнее расширение - см. рис. 5). Диадная модель исходит из обратного порядка заполнения подуровней: а не s, p, d, f, как в монадной, а иначе, в последовательности - f, d, p, s [Дидык, 2007, 1, с. 246]. Еще один принцип (обеих парадигм): Периодическая система и электронное строение атома предполагают взаимную аналогию [Нефедов, Тржасковская, Яржемский, 2004, 5, с. 488-490].
Спиральная модель. Это идея нова лишь по виду. На рис. 3 представлена спиральная модель Ж. Шолтена, которая модифицирует длинную 18-разрядную (групповую) форму таблицы в графическом аспекте. Но в этой же модификации обнаруживаются и отклонения от оригинала, в плане принадлежности элементов группам. Например, Сб почему-то попадает в 10 группу, наряду с Ni28, Pd46 и Pt78?
Пирамидальная модель В. Циммермана «ADOMAH» (см. рис. 3), отображает 86 элементов, но, вероятно, плоскости d и f должны повторяться дважды, тогда - 120 элементов, но, в этой модели размываются представления о группах и периодах, что нельзя считать рациональным [Одинокин, 2009, 6, с. 47-53; Спирин, 2012, с. 84-94].
Рис. 3. Система В. Циммермана описывает 86 элементов.
Однако, в рациональных аспектах безусловный приоритет принадлежит короткой и длинной формам таблицы, которые вполне рациональны и являются наиболее совершенными.
Аналитические модели.
Короткопериодичная форма таблицы. Ее достоинства в том, что она наиболее точно отвечает системному принципу. В ней четко фиксируются 8 групп и 8 периодов (при допущении 119 и 120 элемента - неполный 8 период [Сайфуллин Р., Сайфуллин А., 2003, 14, с. 14-17], симметричный неполному 1-му) - т.е. по вертикали и горизонтали мы имеем равно разрядную систему с базовым метрическим индексом симметрии - S 8.
Недостатки этой формы мы описали раньше. Следует напомнить, что в каждой группе ряд элементов отражается в левой части клетки (основная подгруппа А), а часть - в правой части клетки (побочная подгруппа В). Для физиков и химиков, показалось это не очень удобным в чисто процедурных моментах пользования этой таблицей. Однако, в осмыслении системного способа организации, это неоспоримое достоинство: каждая группа имеет две ветви, как и тех ветвистых структурах - в топосах, которые мы рассматриваем как ячейку симметрии.
Есть еще один фундаментальный недостаток (у короткой и длинной формы) таблицы: аномальное представление длинных периодов. Кстати, обычно употребляют понятия малых (по 8 элементов) и больших периодов - все остальные (4-7). Но есть разница: одно дело периоды по 18 элементов (их надлежало бы назвать средними), другое дело - периоды по 32 элемента - действительно большие. Нет никаких замечаний по средним периодам, но большие - представлены в таблицах не 32 элементами, а все теми же - 18-ю. Почему? Потому что именно в них выпускаются лантаноиды (6 период) и актиноиды (7 период). Итак, в 6 и 7 периодах выпущено из таблицы по 14 элементов, которые присутствуют как сноска (примечание) - ниже таблицы и в другой размерности. Если в таблице есть указатели La* или Ac** со «звездочкой», то значит элементы, следующие за ними, мыслятся как элементы этих периодов - т.е. они должны быть возвращены в параметрическую сетку самой таблицы. Почему же они там не вписаны? Потому что не совпадает размерность. Это следствие ошибки, но не из области физики или химии, и из области логики, топики и системного анализа. Именно эту ошибку и можно исправить в предлагаемой нами новой методологии.