Часть 2

«Человеку даровано великое чудо познания Природы

и происходящего в Ней, но творение Её – это Удел Всевышний».

Установив, а вернее, наметив элементы общих и всеобщих признаков единого гомеостатического устройства, представляется вполне естественным более подробно рассмотреть каждого из участников этого устройства, наделенного удивительным свойством «гомеостаз», попытаться из числа «намеченного» выбрать действительно общие и всеобщие черты, особенности, свойства, подчиненность которых всеобщим и общим законам бытия и развития могла бы быть квалифицирована как «безусловная».

Вместе с тем, одной только констатации такой «безусловности» ещё не вполне достаточно для того, чтобы заниматься вопросами прикладного свойства. Поэтому, приступая к системному анализу частного, или участников гомеостатического мира, мы хотели бы акцентировать внимание на структуре и механизмах, обусловливающих всеобщую подчиненность единым структурно функциональным признакам, т.е. неспецифической компоненте их постоянной жизни.

Логика изложения, уже принятая нами, подразумевает начать анализ частного с первых возможных обладателей неравновесного состояния по отношению к окружающей среде в ряду участников гомеостатического мира, самостоятельно поддерживающих такое неравновесие и обменивающихся с ней веществом, энергией и информацией – элементарных частиц, безусловно подпадающих по ряду своих признаков, характеристик и свойств под определение «гомеостаз».

Глава 1

Гомеостаз элементарного

Строго говоря, «элемент»[1] как философская категория, – это понятие объекта, входящего в состав какой-либо определённой системы и рассматриваемый в её пределах как «далее неделимый»[2]. Однако, «неделимое» в одной системе оказывается делимым в другой, поэтому использование понятий «элемент» и «элементарный» естественно возникает в процессе исторического процесса познания и может быть применимо и как абсолютная физическая категория, и как системная структурная единица.

Именно поэтому, оперируя представлениями об «элементарном» в «Идее единого гомеостатического устройства», представляется вполне естественным использование понятий «элемент» и «элементарный» как определений для структурно-функционального класса участников и их элементов: элементарных частиц, ядер атомов, атомов, молекул, простых и сложных веществ, суть составляющих элементарный композит в гомеостазе микро- и макромира.

Элементарные частицы[3]

В физике и философии элементарными частицами называют первичные, далее неразложимые частицы, которые взаимодействуют как единое целое во всех эмпирически регистрируемых процессах, из которых состоит вся материя.

Уже само определение качества элементарных частиц, как «далее неразложимых», как бы подразумевает изначальное их неравновесие по отношению к окружающей среде, подпадая под действие определения «гомеостаз». Вопросы же об устойчивости такого неравновесия, его «независимости» и «самостоятельности» поддержания, более чем сложны.

Во-первых, элементарные частицы в составе «живого» и «неживого» представляют собой так называемые «составные»[4] или «композитные системы»[5] ядерного, атомарного, молекулярного или иного построения; во-вторых, ярко выраженные квантовые характеристики элементарных частиц, включая способность «рождаться и исчезать», делают их чрезвычайно неуязвимыми для банального определения некой внутренней среды. Между тем, если рассматривать волновые свойства элементарных частиц как определённые элементарные плотности, то их характеристики после «рождения» и до «исчезновения» можно квалифицировать строго индивидуальными. Т.е. их условная «внутренняя среда» как бы абсолютна вне зависимости от срока жизни самой элементарной частицы и других её свойств.

Первой известной элементарной частицей стал электрон, открытый английским физиком профессором Джозефом Джоном Томсоном (1856-1940) в 1897 году. Только двадцать лет спустя в 1919 году его выдающемуся ученику профессору Эрнесту Резерфорду (1871-1937) удалось обнаружить протоны. Сегодня известно уже более 350 элементарных частиц, в основном, - нестабильных (коротко живущих). Их число продолжает расти и, скорее всего, неограниченно велико.

Это объясняется прежде всего тем, что в современной физике термин «элементарные частицы» обычно употребляется не в самом точном своём значении «далее неразложимые частицы», а менее строго – для наименования большой группы мельчайших частиц материи, подчинённых главному условию: все они не должны являться атомами или атомными ядрами, исключая протон.

К этой же группе, помимо протона, можно отнести: нейтрон, электрон, фотон, условный гравитон, p-мезон, мюоны, тяжёлые лептоны, нейтрино[6], странные частицы, разнообразные резонансы, мезоны со скрытым «очарованием», «очарованные» частицы, x-частицы, «красивые» частицы, промежуточные векторные базоны и т.д., включая ряд античастиц.

Первым представителем таких античастиц (или «антимира») стал позитрон[7], обнаруженный в 1932 году в составе космических лучей американским физиком экспериментатором профессором Технологического института в Пасадене Карлом Давидом Андерсоном (р.1906) и его коллегой С. Неддермейером в 1936 году. Сегодня усилиями исследователей почти для каждой известной элементарной частицы найдена своя античастица, отличающаяся от первой лишь знаком электрического заряда и некоторыми внутренними (не основными) свойствами.

Среди основных свойств элементарных частиц общими для всех являются масса[8] (m), время жизни[9] (t), спин[10] (J), электрический заряд[11] (Q) и частота[12] (n). Помимо этих характеристик, элементарные частицы дополнительно наделены целым рядом квантовых чисел, которые называются «внутренними свойствами»[13].

Размеры элементарных частиц, например, протона, нейтрона и ряда других находятся в порядке 10^-13см. Размеры электрона и мюона пока точно не определены, но они заведомо меньше 10^-16см. Важно при этом, что именно такие размеры и микроскопические массы элементарных частиц сами обуславливают квантовую специфику их поведения. При этом, характерные длины волн де Бройля[14] самих частиц, как правило, сравнимы или больше их типических размеров. В соответствии с этим, квантовые закономерности являются как бы определяющими в поведении всех элементарных частиц, демонстрируя их абсолютный дуализм, более склонный к волновому поведению.

Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц - это способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. В этом отношении они полностью аналогичны фотонам, а потому все процессы, происходящие или связанные с элементарными частицами, включая распады, протекают через последовательность актов их поглощения и испускания. Это свойство элементарных частиц наиболее сложно для их идентификации как носителей гомеостаза, хотя мы готовы ещё раз повторить, что элементарная частица как субъект описания практически не доступна для исследователя, ибо находится в кооперативном состоянии. Свободные же формы истинно элементарного способны жить лишь в релятивистском мире, либо быть изучены в сложных экспериментальных условиях.

Между тем, и способность «рождаться», и способность «исчезать» ни коим образом не противоречат всеобщим законам сохранения, как это часто инкриминируется элементарным отношениям. Эти свойства просто находятся пока за гранью понятого. Более того, мы твёрдо убеждены в том, что именно эти качества элементарных частиц весьма чётко указывают на характер отношений материального (частицы, античастицы) и нематериального мира (осцилляторы) в обмене с ним веществом, энергией и информацией, раскрывая на микро уровне структуру прямой и обратной связи с макромиром всех участников гомеостатического устройства. При этом дуализм элементарного и его всеобщее связующее гравитационное начало (на макро- и микро уровнях) демонстрируют собственно механизм такой связи: способность терять и приобретать массу элементарного во времени и пространстве, сохраняя собственную же частоту колебаний и, безусловно, энергию, как суть продукт информационного донора.

Это легко доказать посредством простейшего преобразования известного уравнения Эйнштейна: E = mc². Если исходить из того, что масса, согласно уравнения Эйнштейна может быть выражена как:

то масса условного потока релятивистского излучения (m кг), которая «обрушивается» на некую условную единицу площади (S м²) какого-либо объекта в рамках макромира[15] в единицу времени (t^-1 с^-1) трансформируется в частоту колебаний (n) этой условной массы, приобретая, таким образом, её физическую размерность:

Если при этом утрачивается скорость, то поток электромагнитного излучения (фотонов, гравитонов) теряет свои массовые m (кг) свойства, трансформируясь в частоту некоего осциллятора n (с^-1) на площади S^-1 (м^-2). При этом мы становимся свидетелями преобразования квантово механических свойств релятивистского в «чисто» волновой информационный процесс, способный компенсировать мнимое несоответствие элементарного устройства всеобщей подчинённостью законам сохранения.

Пример. Любая мысль человека, преобразованная в электрические импульсы двигательных нейронов способна быть воспроизведена через модуляции колебаний его голосовых связок и передана воздуху в широчайшем спектре информационного объёма, а резонатор внутреннего уха способен принять их и декодировать через слуховой анализатор ЦНС в релятивистские сроки.

Пример. Как широчайшая световая и цветовая гамма фотонной информации окружающего нас мира способна быть в релятивистских скоростях акцептована в общую динамическую картину созерцаемых образов и их действий нашим мозгом, преобразовавшим грандиозный спектр модулированных частот светового потока в электрические импульсы афферентации, так и осциллятор Партнёра наполняет и передает к исполнению весь возможный спектр электромагнитных колебаний n (с^-1) всем участникам гомеостатического мира, осуществляя это релятивистское действие на уровне элементарного, атомарного, молекулярного, клеточного, организменного, планетарного, звёздных планетарных систем и галактик, т.е. всего того, что способно в этом композите частот «найти» когерентные им колебания для целевого эффективного «взаимодействия».

По всей видимости, тоже можно аппроксимировать и на релятивистские потоки элементарных частиц, наделённых массой покоя и, возможно, теряющих эту массу на границе сред материального и нематериального мира. Если это так, то этот процесс полностью повторит только что приведённое утверждение:

Более того, если это так, то именно граничные отношения позволят предполагать с высокой степенью уверенности, что возможны и обратные преобразования несущих и составляющих частот осциллятора в рождение и/или исчезновение элементарных частиц, материализующих (дематериализующих)[16] информационно энергетические (управляющие) характеристики осциллятора (его поля) в информационный дуализм положительного и отрицательного зарядов элементарных частиц и античастиц на всех уровнях организации материи для всех участников гомеостатического мира[17]. Тогда, именно в этом можно найти суть механизма производства энтропии в мире материального, что будет полностью согласовываться с правилом профессора И.Р. Пригожина, с той лишь разницей, что будет рассматриваться в контексте общего баланса в обмене энергией и информацией с нематериальным осциллятором гипотетического Партнёра метагалактики Шепли[18].

Различные процессы с элементарными частицами при изученных энергиях заметно отличаются по интенсивности их протекания. В связи с этим, взаимодействия элементарных частиц принято квалифицировать как сильные, электромагнитные и слабые. Кроме того, все элементарные частицы обладают гравитационным взаимодействием. При этом, гравитон, как условный квант гравитационного поля, связывает собой все элементарные частицы в их взаимодействии.

Сильное взаимодействие элементарных частиц вызывает процессы, протекающие с наибольшей, по сравнению с другими, интенсивностью и приводит к самой сильной их связи[19]. В основе электромагнитного взаимодействия (более слабого) лежит связь частиц с электромагнитным полем. Обусловленные этой связью процессы менее известны, чем процессы сильного взаимодействия, а порождаемая ими связь заметно слабее[20] предыдущей.

Следующий тип взаимодействия называют «слабым взаимодействием». Оно вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами[21], а гравитационные взаимодействия на характерных для элементарных частиц расстояниях дают ещё более слабые эффекты из-за их малых масс.

Важно ещё раз особенно подчеркнуть, что большинство из названных выше частиц ни коим образом не удовлетворяют строгому определению «элементарности». В соответствии с современными представлениями, они, включая протон, нейтрон и другие частицы, являются сугубо составными композитными системами. Общее же свойство абсолютно всех этих частиц, называемых «элементарными», заключается в том, что все они представляют собой в действительности «специфическую форму существования материи, не ассоциированную в ядра и атомы»[22].

Это тем более важно отметить, поскольку смысловая нагрузка нашего изложения нуждается в более строгой определённости представлений об элементарности участников гомеостатического мира. Ведь элементарный участник гомеостатического мира, - это конечный, «далее неделимый» носитель элементарного динамического неравновесия. По своей сути, главное и необходимое условие для исполнения требований, предъявленных «Идеей единого гомеостатического устройства» ко всем участникам мироздания, наделённых свойствами гомеостаза, это способность его поддерживать самостоятельно. И уже тем более, если мы хотим ангажировать элементарные частицы на роль первичного элемента материи в таком элементарном неравновесии, мы должны быть убеждены в этом сами.

В сложившейся практике при обсуждении частиц, претендующих на подобную роль, принято использовать термин «истинно элементарные частицы», подразумевая наличие первичной форы элементарного, несущего в себе элементарный электрический заряд (положительный, отрицательны или нулевой).

В общем контексте нашего изложения, по всей видимости, более корректен заведомо бесспорный путь, ориентироваться на истинно элементарные частицы, несущие в себе элементарные электрические заряды (в электромеханике – точечные заряды). А именно: электрон и позитрон, ибо даже протон и нейтрон представляют собой некие составные композитные системы[23].

Элементарный электрический заряд[24]

Элементарным электрическим зарядом (е) называется наименьший электрический заряд, положительный или отрицательный, равный по величине заряду электрона:

Почти все элементарные частицы обладают электрическим зарядом +е и/или –е, и/или являются незаряженными, хотя в нашем случае, правильнее было бы говорить об элементарном электрическом заряде, носителем которого является «далее неделимая» истинная элементарная частица: электрон и/или позитрон, хотя в «теории элементарных частиц» предполагается, что роль фундаментальных составляющих, адронов[25] например, играют частицы с зарядами, кратными 1/3 е (так называемые кварки[26]).

Очень важно заметить, что самое серьёзное значение в качественном исполнении и/или «рождении» того или иного ядерного материала играет, помимо прочего, некая активная композиция отрицательных и положительных зарядов элементарных частиц, способная путём слияния, исчезновения и/или резонанса комбинировать или рекомбинировать в любое качество искомого ядерного материала. Как бы возникает некая, и весьма своеобразная, «микроионная» композиция, обусловливающая плотность самого композита (ядра) и его производных (атома, молекулы, вещества). Изначально же используются только «кирпичики» (элементы) элементарного: положительный и отрицательный элементарные заряды и, безусловно, гравитационные отношения.

Но гравитационные взаимодействия за пределами расстояний де Бройля ничтожны и не учитываются, а вопрос об эффективности исполнения электромагнитных взаимодействий на уровне элементарных электрических зарядов не так прост по содержанию и не столь однозначен по существу.

Говоря об элементарном электрическом заряде какой-либо элементарной частицы, мы сталкиваемся с взаимодействием отнюдь не точечных электрических зарядов, как это принято в электродинамике. Скорее наоборот, они возвращают нас к идеям Дж. Дж. Томсона (1903)[27] о том, что элементарный электрический заряд может быть как-то распределён в объёме элементарных частиц, бесконечно стремясь к точечному состоянию. Если это так, то он должен быть соотнесён с размерами самих заряженных частиц, составляющих плотность её элементарного электрического заряда и распределение такой плотности. Не исключено, что именно электрическая плотность заряда элементарных частиц и обуславливает характер и силу связей, квалифицируя вышеупомянутые типы взаимодействий.

Таким образом, подводя определённый итог вышеизложенному, можно с высокой долей уверенности говорить о том, что:

1. истинно элементарные частицы являются «далее неделимыми» носителями первичного неравновесия, применимого в микро- и макромире в качестве структурного, энергетического и информационного материала;

2. благодаря своим квантово механическим свойствам, истинно элементарные частицы представляют собой весьма чувствительную микросубстанцию к условиям её существования;

3. ярко выраженный дуализм элементарных частиц заведомо предполагает их способность изменять своё качество до противоположного (античастиц) под действием когерентных им основных характеристик: от резонансов и рождения до взаимопоглощения и исчезновений, иллюстрируя механизм элементарного возбуждения в процессах акцепта любой информации, включая частотную;

4. элементарные частицы наделены способностью утрачивать свою массу при потере релятивистских скоростей во времени и пространстве (в основном - на границе сред материального и волнового свойства);

5. элементарные частицы способны кооперироваться в какие-либо устойчивые композитные объединения большей массы путём замещения некоторых основных волновых характеристик массовыми.

С точки зрения эволюционной логики, возникновение простого из элементарного допустимо рассматривать как некий статистический процесс «самоусовершенствования» материи. Это своеобразный термодинамический прецедент энергетически выгодного уменьшения энтропии в бесконечно малом объёме пространства, сопровождающийся рождением некоего элементарного композита. Он также неизбежен во времени и пространстве, как любое иное событие, способное возникнуть при взаимодействии бесконечных множеств элементарного.

Более того, обязательным условием любой такой композитной кооперации (не только элементарной) является исполнение всеобщих законов развития и бытия, соблюдение требований термодинамической целесообразности. Эволюционным же примером такого композита от элементарных коопераций является атом любого известного химического элемента, состоящий из компактного композитного ядра и эквивалентных ядерному заряду элементарных электронных плотностей.

Атомное ядро – это центральная массивная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов, получивших в паре название «нуклон». Масса атомного ядра приблизительно в 4×10³ раз больше массы всех входящих в состав атома электронов. Его размеры составляют ~10^-12-10^-13 см, а электрический заряд всегда положителен и по абсолютной величине равен сумме зарядов атомарных электронов нейтрального атома.

Атомное ядро было открыто в 1911 году профессором Э. Резерфордом в опытах по рассеянию a-частиц, проходящих через некое вещество. Так родилась планетарная модель строения атома. Однако идея Э. Резерфорда о таком типе устройства атома была принята его современниками не сразу[29]. Только после работ датского физика профессора Нильса Генрика Бора (р.1885), посвященных вопросам «о торможении заряженных частиц при прохождении через вещество», опубликованных в 1913-1915 годах и положивших начало квантовой теории атома, планетарная модель Э. Резерфорда утвердилась.

Современная физика представляет ядро атома состоящим из протонов (p) и нейтронов (N), объединяемых общим названием «нуклон» и некоторых других элементарных частиц. При этом, общее число нуклонов в атомном ядре называется «массовым числом атома» (A), где число протонов равно заряду ядра (Z), а количество нейтронов можно вычислить как разность:

У ядер изотопов одно и то же Z, но разные A и N; у ядер-изобар одинаковое A и разные Z и N. В связи с открытием нуклонных изобар[30] выяснилось, что внутриядерные нуклоны, взаимодействуя друг с другом, могут превращаться в нуклонные изобары[31]. Возникающие при этом обменные мезонные токи резко сказываются на электромагнитных свойствах атомного ядра.

Внутриядерные отношения элементарных частиц, скреплённых внутриядерными связями, демонстрируют наибольшую из известных плотность материи, обеспеченную наиболее сильными связями и, соответственно, высшую энергию (E_А) такой связи[32] - атомную энергию. При этом, она (энергия связи) равна разности суммы масс, входящих в ядро нуклонов и массы ядра, умноженной, согласно уравнению А. Эйнштейна, на с²:

где: m_P, m_Nи М – массы протона (P), нейтрона (N) и ядра (M).

Замечательной особенностью атомной энергии является тот факт, что энергия связи (E_A) приблизительно пропорциональна числу нуклонов в ядре, так что удельная энергия внутриядерных связей (E_A/А) слабо меняется при изменении массового числа А. Для большинства ядер она составляет:

и называется «насыщением ядерных сил». Это означает, что каждый нуклон эффективно связывается не со всеми нуклонами ядра, оставляя еще некий резерв плотности.

Наиболее сильной из числа внутриядерных связей является связь протон-нейтрон в нуклоне. Она составляет максимальные значения от удельной энергии внутриядерных сил и равна ~8×10⁶ эВ/нуклон.

Следующая по энергоёмкости связь: нуклон-нуклон, далее: ядро-электрон и электрон-электрон, равно зависимые и от степени «насыщения ядерных сил» и от так называемого «формального заряда атомного ядра», поскольку плотность положительного заряда ядра атома определяет не только его радиус, связанный с «насыщением ядерных сил», но и количество электронов, находящихся в непосредственной близости от самого ядра.

Формальный заряд атома любого химического элемента Z (также и в составе молекулы) можно рассчитать как:

где: А – порядковый номер атома (или массовое число); Q – число электронов вблизи ядра в молекуле и е – электронный заряд.

Молекулярные связи. Межатомные и межмолекулярные взаимодействия. Простые и сложные вещества. Кооперационные композиты[33]

Энергия связи электронов в атоме или молекуле определяется электромагнитными взаимодействиями зарядов и не зависит от носителя этого заряда (электрон, позитрон, мюон, t-лептон и т.д) и его массы, формируя связь химическую. Она менее слабая, чем предыдущие, но в связи с этим, более чувствительна к преобразованиям, выражаемым в большем разнообразии простых и сложных веществ, как результат многообразия форм кооперации от двух- и многоатомных молекул, ионов, радикалов, кристаллов и т.д. до сложных органических форм и композитов.

Взаимодействие между атомами, как свободными, так и входящими в состав одной или разных молекул, кристаллов и т.д. может быть ковалентным, ионным, металлическим, типа водородной связи и Ван-дер-ваальсовым. Первые три типа межатомных взаимодействий и составляют суть образования химических связей. Главные отличительные черты химической связи, это:

1. понижение полной энергии многоатомной системы по сравнению к энергии изолированных атомов или атомных фрагментов, из которых она образована;

2. существенное перераспределение электронной плотности в области химической связи по сравнению с простым наложением электронных плотностей несвязанных атомов или атомных фрагментов, сближенных на расстояние связи.

Природа химической связи полностью определяется электрическими кулоновскими взаимодействиями ядер и электронов:

где: F – сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме;

e₁×e₂ – произведение взаимодействующих зарядов;

Однако, правильное описание распределения электронного заряда возможно лишь с учётом квантовомеханических свойств взаимодействующих частиц и элементов. Точные расчёты зависимостей полной энергии и её компонент от межъядерного расстояния для простейших структур показывают, что минимум полной энергии, который достигается при равновесном расстоянии, равном

связан с резким понижением потенциальной энергии электрона вследствие концентрации и сжатия облака электронной плотности в межъядерной области (рисунок 12).

Рисунок 12. Контурная карта разностей электронной плотности для молекулы Н₂ определяется как разность между электронной плотностью молекулы и несвязанных атомов); сплошные линии – области увеличения электронной плотности (в единицах заряда электрона), пунктирные – области её уменьшения в молекуле по сравнению с электронной плотностью несвязанных атомов Н, сближенных на равновесное расстояние.

При этом кинетическая энергия электрона возрастает и наполовину компенсирует понижение потенциальной. Таким образом, результирующий эффект понижения энергии превышает энергию отталкивания положительно заряженных ядер и обуславливает образование химической связи с энергией, равной 255 кДж×моль^-1. При этом сближение атомов на равновесное расстояние вызывает переход части электронной плотности из не связывающей области в область связывающую. Электронный заряд в этом случае распределяется в обеих областях так, чтобы силы, стремящиеся сблизить и оттолкнуть ядра, были одинаковыми. Это достигается при некотором равновесном расстоянии, соответствующем длине химической связи (~1,06×10^-8см).

Варианты классификации химических связей определяются различными характеристиками или способами описания[35]. В теории валентности каждой связи между атомами соответствует одна электронная пара. В зависимости от способа её образования из электронов связываемых атомов можно выделить ковалентную и координационную связь. Если электронная пара полностью принадлежит одному из атомов, то образуется ионная связь. По степени смещения центра тяжести электронного облака связывающих электронов химическую связь делят на неполярную[36] и полярную[37].

Ковалентные и координационные связи принято подразделять по числу образующих их электронных пар на простые и кратные (двойные, тройные, четверные). Существуют также классификации связей по результатам квантово-механических расчётов волновых функций веществ. Это: двухцентровые (С-С; С-Н) и многоцентровые связи (например: металлическая связь в кристаллической решётке). В биологически важных молекулах особо выделяют водородные, гидрофобные, гидрофильные и Ван-дер-ваальсовые связи.

Ковалентная химическая связь образуется электронами общими для двух атомов. Два общих электрона образуют одинарную связь, четыре – двойную, а шесть – тройную связь, энергия которой ~n×10²кДж×моль^-1 и распределяется приблизительно следующим образом среди наиболее часто встречающихся в биологической химии комбинаций (таблица 1)

Ионные связи образуются в тех случаях, когда один атом отдаёт один или более электронов другому. В результате этого перераспределения электронных плотностей (переноса) возникают электростатические взаимодействия между образовавшимися положительно или отрицательно заряженными ионами. Энергия этих отношений составляет приблизительно ~n×10² кДж×моль^-1 (таблица 2).

Ионная связь имеет очень важное значение в формировании структурных молекулярных и межмолекулярных связей, определяющих качественные характеристики и активности многих соединений и композитов.

Водородные связи возникают в результате дипольных взаимодействий. Чаще всего они имеют место в тех молекулах, где атомы Н связаны с О, N или галогенами, особенно F. Высокая электроотрицательность этих элементов и малый объём атома Н, образующего положительный конец диполя, приводят к исключительно высокой полярности этой связи. Тогда водород в форме Н⁺ сильно притягивается заряженной группой другой полярной молекулы. Таким образом, одна связь является сильно полярной ковалентной связью, а другая осуществляется в результате электростатического взаимодействия. Энергия водородной связи находится в пределах ~10-50 кДж×моль^-1 (таблица 3).

Межмолекулярные водородные связи оказывают сильное воздействие на физические свойства многих веществ и, в первую очередь, воды. Внутримолекулярные водородные связи являются важным фактором, стабилизирующим форму молекул (например, белков) и лежат в основе некоторых из их свойств (например, сократимости). Разрыв водородных связей приводит к существенному изменению всей молекулы, а в случае белков – к их денатурации.

Гидрофобные взаимодействия (гидрофобность[38] или лиофобность[39]) связывают неполярные (гидрофобные) части одной или разных молекул в водных растворах, характеризуя способность вещества взаимодействовать с жидкой средой. Энергия каждого такого взаимодействия не велика и может находиться в пределах ~1-10 кДж×моль^-1 (таблица 4). Однако взаимодействие большого числа длинных молекулярных цепей приводит к возникновению весьма устойчивых систем, способных быть очень чувствительными к изменению статических, электростатических и иных сил и полей в своём окружении.

Существование таких связей и их сила определяются изменением энтропии системы и играют важную роль в стабилизации конформаций биополимеров, образовании структур биологических мембран, регулируемых активностей мембранных образований. В особенности это касается трансмембранных белковых структур (например: ионоселективных каналов, аденилатциклазы, гексокиназы, К⁺Na⁺-АТРазы и др.).

Ван-дер-ваальсовые взаимодействия складываются из сил отталкивания атомов, обусловленных перекрыванием их электронных плотностей и дисперсионного взаимного притяжения. При сближении атомов электроны, имеющие противоположно направленные спины, отталкиваются. В результате такого отталкивания электронная плотность в пространстве между ядрами двух взаимодействующих атомов уменьшается. Это и приводит к увеличению энергии межъядерного отталкивания. Таким образом, Ван-дер-ваальсовое отталкивание атомов складывается из отталкивания электронов и электростатического отталкивания дезэкранированных ядер (вследствие взаимодействия атомарных электронов). Энергия Ван-дер-Ваальсового взаимодействия приблизительно составляет ~0,1-1 кДж×моль^-1 .

Макроэргические связи – это ковалентные связи (таблица 5), которые гидролизуются с выделением значительного количества энергии ~30 кДж×моль^-1 и более (свободная энергия гидролиза).

Вообще термин «макроэргическая связь» используется исключительно для связей, энергия которых используется в метаболизме и не указывает на истинную величину энергии связей. Как известно, энергия связей всегда положительна, другими словами, разрыв любой связи, в том числе и макроэргической, всегда требует дополнительных затрат энергии, но их результирующая – выше.

Важно отметить, что последовательное усложнение материи неизбежно приводит к усложнению и усовершенствованию инструментов её самоуправления и управления. При этом количество таких инструментов весьма ограничено физическими и химическими свойствами самой материи. Появление макроэргических связей на горизонте эволюционного процесса, открыло фактически новую эру в возможностях мобильного применения химических (биохимических) связей в формировании, поддержании и усовершенствовании гомеостатического устройства в инструментальном обеспечении жизнедеятельности организованной материи. Одним из таких структурно-функциональных инструментов является межмолекулярное взаимодействие.

Межмолекулярное взаимодействие – это взаимодействие электрически нейтральных молекул или атомов. Молекулярные взаимодействия зависят, прежде всего, от расстояния r между молекулами и, как правило, описываются потенциальной энергией взаимодействия Ur (потенциал межмолекулярного взаимодействия). Межмолекулярное взаимодействие имеет электрическую природу и складывается из сил притяжения (ориентационных, индукционных и дисперсионных) и сил отталкивания.

Ориентационные силы действуют между полярными молекулами. Сила притяжения между двумя полярными молекулами максимальна в том случае, когда их дипольные моменты располагаются по одной линии и зависит от их взаимной ориентации. Поэтому их и называют «ориентационными».

Индукционные силы действуют между полярной и неполярной молекулами, а также между полярными молекулами. Полярная молекула создаёт электрическое поле, которое поляризует другую молекулу, индуцируя в ней дипольный момент.

Дисперсионное межмолекулярное взаимодействие действует между неполярными молекулами. Его природа была выяснена только после появления теории квантовой механики. В атомах и молекулах электроны сложным образом «движутся» вокруг ядер, образуя соответствующие конфигурации электронных плотностей. В среднем времени дипольные моменты неполярных молекул оказываются нейтральными. Однако мгновенное значение дипольного момента может быть отлично от нуля. Таким образом, мгновенный диполь создаёт своё мгновенное электрическое поле, способное поляризовать соседние молекулы. Возникает прецедент взаимодействия мгновенных диполей, а энергия взаимодействия неполярных молекул и есть результат взаимодействия таких мгновенных диполей.

Силы отталкивания действуют между молекулами на очень малых расстояниях, когда приходят в соприкосновение заполненные электронные плотности атомов, входящих в состав молекул[40]. Возникающие при этом силы отталкивания зависят в большей степени, чем силы притяжения, от индивидуальных особенностей молекул.

Таким образом, опираясь на квантово-механические особенности материального в его элементарном или простейшем исполнении, «онтогенез» материального статистического бытия демонстрирует не только целесообразность, но неизбежность усложнений элементарного до простого, простого до сложного, сложного до живого. При этом сохраняются практически все возможности управления на уровне элементарного устройства, но, одновременно, расширяются реактивные (инструментальные) возможности кооперативных систем за счёт повышения их чувствительности к внешним воздействиям. Это отчётливо видно по уменьшению энергии структурообразующих и макроэргических связей при усложнении форм коопераций материи.

Если позволено «биологизаторски» трактовать вышеизложенное, то: прецедент случайной вероятности термодинамической целесообразности происшедшего события (усложнения элементарного до простого и сложного) во времени и пространстве был достигнут путём «естественного отбора» из бесчисленного множества неэффективных случайностей[41].

Однако, уже само уменьшение энергии структурно-функциональных связей на молекулярном уровне, возникшее благодаря статистической и термодинамической целесообразности, создало ещё один уникальный прецедент необходимости в защите такой «повышенной чувствительности» «ослабленного» материального от грубого вмешательства сил, действующих во внешней среде.

Эволюция статистического необратимо требовала стабилизации среды обитания своего инструментального обеспечения для совершения термодинамической рентабельности «сложного», функционально и исторически объединённого в соответствующие композитные системы.

Глава 2

Инструментальное обеспечение гомеостатического устройства: химические превращения, норма реакции, катализ.

[1] От латинского eltmentun – стихия, первоначальное вещество

[2] Адо А.В., Андреев И.И., Аникеев Н.П. и др Философский словарь, М, 1986

[3] Марков М.А. О природе материи, М: 1976; Коккедэ Я. Теория кварков (перевод с англ), М: 1971; Окунь Л.Б. Лептоны и кварки, М: 1981; Боголюбов Н.Н., Ширков Д.В. Квантовые поля, М: 1980; Комар А.А. Элементарные частицы. В кн. Физический энциклопедический словарь, М: Советская энциклопедия, 1983, с. 896-902

[4] Системы, образующиеся в ходе ядерных реакций (составное ядро) в результате слияния налетающей частицы с ядром-мишенью

[5] В физике – композиты, это системы, полученные или образованные в результате комбинирования разнородных и взаимосвязанных компонентов (например: композиционные материалы). В химии – композиционные материалы (или композиты) - это соединения, состоящие из полимерной, металлической, углеродной или карбидной основы (матрицы), армированной наполнителями из высокопрочных волокон или нитевидных кристаллов с заданным распределением их в изделии с целью достижения требуемых свойств.

[6] трёх типов: электронное, мюонное и t-нейтрино

[7](е⁺) от латинского posi(tivus) – положительный(трон), «положительный электрон», - античастица по отношению к электрону (е^-). Массы и спины позитрона и электрона (как и других античастиц по отношению их прототипов) равны

[8] У большинства из них массы имеют порядок величины массы протона, равной 1,6×10^-24г; для частиц с ненулевой массой заметно меньше лишь масса электрона (0,9×10^-27г)

[9] В зависимости от времени жизни делятся на стабильные (t >5×10²¹ лет), квазистабильные (t >10^-20 с) и нестабильные (резонансы, t >10^-22 - 10^-24 с)

[10] Спин элементарных частиц является целым или полу целым кратным постоянной Планка (у p- и К-мезонов J= 0; у протона, нейтрона и электрона J= ½, у фотона J=1 и т.д. )

[11] Электрические заряды элементарных частиц являются целыми кратными величины электрического заряда электрона Q = 1,6021892(46)×10^-19 Кл и называются элементарным электрическим зарядом. У известных элементарных частиц Q = 0, ±1, ±2

[12] частота волн де Бройля (см. Ссылку «10» настоящей главы)

[13] P- чётность, L - лептонный заряд, B - барионный заряд, S – «странность», C – «очарование» или зарядовая чётность, b – «красота»

[14] В 1924 году французский физик Л. Де Бройль высказал гипотезу, что, если частица имеет энергию Е и импульс, абсолютное значение которого равно р, то с ней связана волна, частота которой l=Е/h и длина l=h/p. Эти волны получили название «Волны де Бройля». Для частиц не очень высокой энергии (u<<c) l=h/mu, где m и u - масса и скорость частицы. Следовательно, длина волн де Бройля тем меньше, чем больше масса частицы и её скорость. Например, частице с массой в 1 г, движущейся со скоростью 1 м/с, соответствует волна де Бройля с l=10-18A°, что лежит за пределами доступной наблюдению области. Поэтому волновые свойства несущественны в механике макроскопических тел.

[15] Для простоты последующего изложения, к примеру, – на поверхность чёрной дыры

[16] Нельзя исключить, что ключ к пониманию механизмов такого преобразования следует искать в гипотетической модели «трансформаций фотона» С.М. Полякова (1991), граничной с условиями рациональностей аттракторов.

[17] Именно это условие в полной мере отвечает требованиям чувствительности гомеостатических систем и их участников к информационным потокам, закодированным самым широким спектром информационных частот, способных без дополнительных ограничений быть аккумулированными любой осциллирующей системой.

[18] Подробнее об этом см. в главе «Доказательства дуализма двуединой бесконечности в современной космологии»

[19] Именно оно обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов, образующих кварки

[20] Электромагнитное взаимодействие, в частности, ответственно за связь атомарных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах

[21] включая распады квазистабильных элементарных частиц

[22] Иногда по этой причине их называют «субъядерными частицами»

[23] А.А.Комар Элементарные частицы. В кн. Физический энциклопедический словарь, М: Советская энциклопедия, 1983, с. 896-902

[24] Ефремов А.В. Элементарный электрический заряд. В кн. Физический энциклопедический словарь, М: Советская энциклопедия, 1983, с. 902

[25] от греческого hadros – большой сильный, - класс элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии. К адронам относятся все барионы и мезоны, включая резонансы

[26] условные материальные объекты, из которых, по современным представлениям, состоят все адроны (класс элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии; к адронам относятся все барионы и мезоны, включая резонансы)

[27] экстраполируя опровергнутую Резерфордом модель равномерного распределения заряда Дж. Дж. Томсона на уровень истинных элементарных частиц

[28] Ландау Л.Д., Смородинский Я.А. Лекции по теории атомного ядра, М. 1955; Бете Г., Моррисон Ф. Элементарная теория ядра, М. 1958; Давыдов А.С. Теория атомного ядра, М. 1958; Ситенко А.Г., Тартаковский В. Лекции по теории ядра, М. 1972; Моттельсон Б. Элементарные виды возбуждения в ядрах, В кн. УФН, 1976, с. 564; Ядро атомное, В кн. Физический энциклопедический словарь, М, 1983, с.922-927

[29] в то время господствовали представления о ядре Дж.Дж.Томсона, согласно которым положительный заряд атома равномерно распределён по его объёму.

[30] Они же «резонансы» или короткоживущие возбуждённые состояния адронов (элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии, включая все бароны и мезоны)

[31] Периодически на короткое время (~10^-23-10^-24с) в ядрах появляются мезоны, в том числе p-мезоны

[32] Это энергия, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны (не истинно элементарные частицы)

[33] Настоящий раздел составлен с учётом данных: Коулсон Ч. Валентность, М., 1965; Радченко И.В. Молекулярная физика, М., 1965; Китайгородский А.И. Молекулярные кристаллы, М, 1971; Torrens I.M. Interatomic potentials, N.Y.-L., 1972; Полинг Л. Общая химия, М, 1974; Дьюар М., Догерти Р. Теория возмущения молекулярных орбиталей в органической химии, М., Мир, 1977, 695 с.; Минкин В.И., Симкин Б.Я., Миняев Р.М. Теория строения молекул. Электронные оболочки, М., 1979; Дашевский В.Г., Китайгородский А.И. Межатомное взаимодействие/В кн. Физический энциклопедический словарь, М., 1983, с.400-401; Мякишев Г.Я. Межмолекулярное взаимодействие, Там же, с.402-403; Мусил Я., Новакова О., Кунц К. Современная биохимия в схемах, М., Мир, 1984

[34] зависит от выбора системы единиц: в системе единиц Гауса k=1; в системе единиц СИ k=1/4 pe₀, где e₀– электрическая постоянная

[35] В духе классической теории валентности или в рамках квантово химических представлений; следует подчеркнуть, что между ними не всегда может быть установлено полное соответствие

[36] равно удаленность от обоих атомных центров

[37] промежуточные между полярными и ионными

[38] взаимодействие с водой

[39] взаимодействие с другими жидкостями (например с маслами - олеофобность)

[40] Принцип Паули запрещает проникновение электронных оболочек друг в друга.

[41] мы приносим свои извинения за сложность формулировки, но, по нашему твёрдому убеждению, смысл, заложенный в неё, достоин глубокого осмысления и чрезвычайно важен. Это же следует отнести и к последнему абзацу настоящей главы.