 T E O R I J E I N M O D E L I N A R A V E V K E M I J I M i h a L u k š i č Kemiki so čudna sorta smrtnikov, ki jih žene skoraj nora sila, da iščejo radosti med dimom in parami, med sajami in plameni, med strupi in bedo ... In vendar sem med vsemi temi zlimi duhovi živel tako sladko, da raje umrem, kot da bi zamenjal mesto s perzijskim kraljem.¹ Leto, v katerem izide pričujoči prispevek za zbornik Modeli sveta, sta mednarodna sekcija za čisto in uporabno kemijo (IUPAC) ter UNES- CO razglasila za mednarodno leto kemije ter zanj izbrala slogan: Kemi- ja − naše življenje, naša prihodnost. Ozrimo se okoli sebe: mar ni veči- na stvari, ki jih vidimo, na ta ali oni način povezana s kemijo? Kemija ima opravka z našimi oblačili, stavbami, avtomobili, cestami, poljedel- stom, živinorejo, barvami, papirjem, usnjem, fotografijami, umetnimi masami, steklom, mikročipi, mobiteli ... Molekularne transformacije so poglavitnega pomena v proizvodnji hranilnih snovi, zdravil, goriv, materialov, skratka skoraj vseh proizvedenih in pridobljenih produktov. Nenazadnje: (bio)kemični procesi omogočajo naša življenja ter življenja živali in rastlin. Si lahko torej zamislimo bivanje na zemlji brez kemije? Richard Powers zapiše: Življenje brez kemije? Ne, nič ni narobe s to sliko. Tudi z vašo revijo in tiskalniki je vse v redu. Mislili smo zgolj, da bi vas utegnilo zanimati, kako bi izgledalo življenje brez vseh teh življenjsko nevarnih kemičnih procesov, o katerih lahko danes tako veliko berete [...] Življenje brez kemije bi izgledalo precej podobno ne-življenju [would look a lot like no life at all]. Manj znanja ni odgovor. Odgovor je boljše znanje. Kemični procesi niso težava − so pravila igre. Preprosto: vaše življenje je kemija [It’s elementary: your life is chemistry].² ¹ J. J. Becher, Physica Subterranea (), navedeno po: P. Strathern, Mendeleyev’s Dream: e Quest for the Elements, St. Martins Press, New York , str. . ² R. Powers, Gain, Vintage, London , str. . − Kornberg pa na nekem drugem mestu precej vzneseno zapiše še: »Življenje, navsezadnje, je le kemija, pravzaprav majcen primer kemije na enem planetu [...] Globoko sem prepričan, da bomo življenje, vključno s človekovo zavestjo in vedênjem, v končni fazi lahko izrazili z jezikom kemije [...] Kemijski jezik je jezik neizmerne  P O L I G R A F I In vendar: kaj sploh je kemija? Kaj se skriva za dimom in parami, za sajami in plameni, za to romantično srednjeveško podobo kemijske kuhinje? Avtorji deklaracije mednarodnega leta kemije zapišejo, da je »kemija [...] tako globoko filozofsko poizvedovanje kot uporabno znan- stveno raziskovanje. Kemijska znanost je osnova za človekovo razumeva- nje sveta in vesolja«.³ Če naj trditev drži, potem je kemik oboje: obrtnik in filozof.⁴ Ko kemik zapusti laboratorij, ko se z rezultati eksperimenta usede za mizo, da bi o njih razmislil, vstopi v simbolni svet modelov in teorij, postane ‘filozof ’. Filozof v smislu, da skuša najti razlago svojih izsledkov, da jih prevede v jezik kemije, da jih umesti v predpostavljeni modelni sistem. Kemik (z redkimi izjemami) torej ni filozof v pravem pomenu besede, tudi v pomenu filozofije znanosti ne. Običajno ne ana- lizira metod kemijskega raziskovanja, ne preizprašuje podmen, ki jih ima za gotove. Misli znanstveno, v jeziku svoje vede, v jezikih sorodnih ved (fizike, matematike, biologije). Svoj znanstveni svet lovi v to jezikovno mrežo na različne načine; lahko je konvencionalist, lahko induktivist, lahko deduktivist ... V kemiji, rečeno z Aristotelovimi besedami, sočasno eksistirata tako epistéme kot phronesis,⁵ pri čemer je treba priznati, da je kemija vendarle pretežno eksperimentalna znanost.⁶ Ker eksperiment v kemiji ne igra zgolj sekundarne vloge, tj., ni zgolj pomagalo pri obli- kovanju in preizkušanju teorij, temveč velikokrat ravno obratno, so se o avtonomnosti kemije kot znanstvene discipline oblikovali marsikateri dvomi. Kemija se je, za razliko od fizike, kot znanost uveljavila razme- roma pozno. Zrasla je na temelju izkušenj o kemijskih lastnostih snovi, ki jih je prigarala alkimija, katere glavna točka zanimanja je bil ekspe- riment, saj ji je šlo le za posnemanje naravnih procesov v laboratoriju. estetske lepote in povezuje fizikalne znanosti z biološkimi. Je mednarodni jezik, jezik za vse čase, jezik brez dialektov. Je jezik, ki nam govori, od kod smo prišli, kje smo in kam nam bo fizikalni svet v prihodnje dovolil iti.« (A. Kornberg, »Understanding Life as Chemistry«, International Journal of Quantum Chemistry, , , str. −.) ³ International Year of Chemistry −  (Chemistry − our life, our future), URL: http://www. chemistry.org. ⁴ D. Knight, Ideas in Chemistry: A History of the Science, Ruthers University Press, New Brun- swick , str. . ⁵ J. Kovac, »£eoretical and Practical Reasoning in Chemistry«, Foundations in Chemistry, , , str. −. ⁶ Phronesis predstavlja npr. jedro sintezne kemije.  T E O R I J E I N M O D E L I N A R A V E V K E M I J I Alkimijo sta spodbujali medicina in metalurgija; prva z iskanjem ‘kamna modrosti’,⁷ druga s pretvorbo neplemenitih kovin v zlato. Z današnjega vidika je bila alkimija za kemijo uporabna zgolj toliko, da se je nekaj naučila od alkimističnih mojstrov, ki so bili izkušeni v obrteh, poveza- nih s keramiko, steklom, metalurgijo, barvami, tkaninami ... Medici- na in farmacija (iatrokemija) sta v toku časa pripomogli k ‘preobrazbi’⁸ alkimije v kemijo. Čeprav sodobna kemija zanika objektivno vrednost alkimističnega izkustva, pa prezre subjektivno, psihološko kohezijo al- kimistične kulture. Neuspehe svojih poskusov si je alkimist razlagal tako objektivno kot subjektivno. Propad poskusa je pripisal uporabi napač- nih snovi oziroma nepravemu času izvajanja poskusa, hkrati pa je ob neuspehu začel dvomiti v svojo moralno čistost, ga razumel kot moral- ni spodrsljaj, posledico ne dovolj goreče meditacije oziroma molitve. Gaston Bachelard je opozoril na ta subjektivni vidik alkimije, ki se je v sodobni naravoslovni znanosti izgubil. Nikdar niso bile kvalitete odrekanja, poštenosti, potrpljenja, premišljene metode, goreče delavnosti tako intimno zlepljene s poklicem kot v alkimi- stičnem času. Zdi se, da se lahko danes laboratorijski človek dosti laže loči od svoje funkcije. Svojega čustvenega življenja nič več ne meša z znanstvenim ži- vljenjem. Njegov laboratorij ni več v njegovi hiši, na njegovem podstrešju, v njegovi kleti. Zvečer ga zapusti, kakor zapustimo urad, in se vrne k družinski mizi, kjer ga čakajo druge skrbi, druge radosti. [...] Presenetljivo je, da je mogoče vse alkimistične eksperimente razlagati na dva načina, kemijsko in moralno. Ob tem pa se pojavi vprašanje: kje je zlato? V materiji ali v srcu? Kako da lahko tudi dvomimo o prevladujoči vrednosti alkimistične kulture? Interpretacija pisateljev, ki slikajo alkimistovo iskanje bo- gastva, je psihološki nesmisel. Alkimija je intimna kultura. [...] Alkimija vlada v času, ko človek bolj ljubi naravo, kot jo izkorišča. Ta be- seda, ljubezen, povleče vse za sabo. Je beseda, ki povezuje delo in delavca. Brez nežnosti in ljubezni ni mogoče proučevati otroške psihologije. Prav tako ni ⁷ »Ko gre za ugotavljanje, kateri je najboljši letni čas za ‘alkimistično svatbo’, se omahuje med pomladjo in jesenjo, med kaljo in plodom. Najraje bi [alkimisti] združili oba letna časa, v istem eleksirju ponudili pomlad in jesen, mladost in zrelost! Natanko to udejanja kamen modrosti.« (G. Bachelard, Oblikovanje znanstvenega duha, Studia Humanitatis, Ljubljana , str. .) ⁸ Poudariti moramo, da se kemija ni razvila neposredno iz alkimije, saj ni šlo za razvoj enotne znanosti o snoveh. Alkimija namreč ni bila znanost in preskok v načinu dojemanja pojmov v alkimiji in kemiji zato ni mogel biti zvezen. (Glej npr. D. W. £eobald, »Some Considerations on the Philosophy of Chemistry«, Chemical Society Reviews, , , str. −.)  P O L I G R A F I mogoče brez nežnosti in brez ljubezni proučevati porajanja in obnašanja ke- mijskih substanc. [...] Alkimistična miselnost je v neposredni zvezi s sanjarjenjem in sanjami: objektivne podobe meša s subjektivnimi željami. [...] Alkimist brez prestanka ponavlja: moje zlato je več kot zlato, moj merkur je več kot živo srebro, moj kamen je več kot kamen, ravno tako kot zaljublje- nec, ki meni, da je njegova ljubezen največja, kar jih je kdaj prebivalo v člo- veškem srcu.⁹ Alkimija je bila umetnost preobrazbe, spremembe, transformacije manj vrednega v vrednejše; sprememba snovnega ali duhovnega, saj ta- krat ločnica med obema ni bila tako ostra, kot je v današnji eksaktni znanosti. Četudi obstaja med alkimističnim in kemijskim načinom raz- mišljanja precejšen prelom, ostaja zanimanje za spremembe v samem jedru sodobne kemije. Kemija je znanost, ki jo poleg sestave, zgradbe in lastnosti substanc zanimajo predvsem spremembe substanc, do kate- rih pride med kemijskimi reakcijami.¹⁰ Povedano z besedami Engelsove dialektike narave je kemija »znanost kvalitativnih spremembah teles, iz- virajočih iz spremenjene kvantitativne sestave«.¹¹ Čeprav definicija pri- haja ‘od zunaj’, in čeprav ne vključuje izomernih transformacij, ostaja ena boljših.¹² Prav zanimanje za spremembe tudi razlikuje kemijo od ⁹ G. Bachelard, Oblikovanje znanstvenega duha, Studia Humanitatis, Ljubljana , str. , , , , −. ¹⁰ »Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme« je bila Lavoisierova maksima. Nekatera področja fizikalne kemije (površinska in koloidna kemija, elektrokemija, kemijska termodina- mika, statistična termodinamika, kvantna kemija itn.) štejemo h kemiji, čeprav jedro njihove tematike običajno niso kemijske reakcije. Sodobnejša, bolj pragmatična definicija kemije bi bila zato sledeča: kemija je znanost o spremembah substanc, ki vključuje tudi spremembe substanc, ki niso posledica kemijskih reakcij. (O pomenu relacij v kemiji glej: A. Bernal in E. E. Daza, »On the Epistemological and Ontological Status of Chemical Relations«, HYLE − International Journal for Philosophy of Chemistry, , , str. −.) ¹¹ F. Engels, Dialektika prirode, Cankarjeva založba, Ljubljana , str. . ¹² Mimogrede: kitajska beseda za kemijo, 化学, dobesedno zadene bistvo: 化 [huà] pomeni spremeniti, transformirati, 学 [xué] pa znanje, vedo. − Etimološki izvor korena kem- ni povsem jasen. Večinoma se ga pripisuje besedi alkimija, ki je bila prevzeta iz srednjeveške latinščine, le- -ta pa iz arabščine oziroma grščine (cf. npr. Slovenski etimološki slovar). Zanimivo alternativno razlago ponujata J. Needham ter S. Mahdihassan, ki trdita, da beseda kemija izvira iz Kitajske: kitajska beseda za zlato, 金 [jīn], se v stari kitajščini izgovori kiem, v kantonščini kem, v hakka- ščini pa kim, iz česar naj bi se nato razvili arabski in grški besedi. Zamisel je sprejemljiva, saj je kitajsko zlatotvorstvo vplivalo na učenjake Srednjega in Bližnjega vzhoda. Pisnih dokazov žal ni, kar nam preprečuje določiti pravi izvor besede kemija. (J. Needham, Science and Civilization  T E O R I J E I N M O D E L I N A R A V E V K E M I J I fizike.¹³ Razlike med tradicijama, ki ju gojita fizika in kemija, je moč zaznati že v srednjeveški filozofiji, kjer so prevladovale tendence plato- nizma in hermetizma.¹⁴ Če v platonizmu posameznik ne more vplivati na svet, pa hermetizem predpostavlja njegovo neprestano spreminjanje. Posameznik zato ni zgolj opazovalec, temveč ima vpliv na globalne do- godke.¹⁵ Ideja o spreminjanju sveta je ostala lastna kemiji. Kemija ima opravka z resničnim svetom in nanj tudi deluje; sinteza je ime za tvorbo novih in spreminjanje obstoječih substanc. Zanima jo snov, kakršna je, pa tudi njena preteklost in prihodnost. Če fiziko bolj zanimajo objekti (velikost, oblika), zanimajo kemijo substance ter lastnosti, po katerih se le-te razlikujejo. »Poglavitno je, da ima fizika, kadar proučuje substan- ce, vedno opravka s študijem objektov, ki so zgrajeni iz dane substance, medtem ko kemija študira substance, iz katerih je nek objekt zgrajen.«¹⁶ Glede na prevladujoč eksperimentalni značaj kemije pa je napak skle- pati, da je kemija znanost, ki jo teorija nič ne briga.¹⁷ Teoretična (in računalniška) kemija ima pomembno vlogo ne le pri raziskavah temelj- nih kemijskih vprašanj, temveč tudi pri praktičnih vidikih, s katerimi se srečuje kemijsko inženirstvo, organska kemija in biokemija, kemija okolja, atmosferska kemija, farmacevtska kemija ... Kemika ne zanima le, kaj se dogaja v naravi, temveč skuša svoja opazovanja tudi razložiti.¹⁸ Pri praktičnem delu si kemik želi o nekem fenomenu postaviti dolo- čen kavzalni koncept, ki bo razložil ta fenomen. Običajno imamo pri takšnem začetnem abduktivnem sklepanju opravka z eksistenčno ab- in China, Vol.  (Chemistry and Chemical Technology), Cambridge University Press, Cambridge , str. ; S. Mahdihassan, »£e Chinese Origins of the Word Chemistry«, Current Sciences, , , str. .) ¹³ P. H. Plesch, »On the Distinctness of Chemistry«, Foundations of Chemistry, , , str. −. ¹⁴ Hermes Trismegist kot začetnik hermetizma je med dele modrosti univerzuma poleg astro- logije in teurgije štel tudi alkimijo, pri čemer je spremembo svinca v zlato razumel kot poskus človeka, da se spremeni iz osnovnega človeka (svinec) v mojstra (zlato). ¹⁵ H. Vančik, »Opus Magnum: An Outline for the Philosophy of Chemistry«, Foundations of Chemistry, , , str. −. ¹⁶ N. Psarros, »£e Lame and the Blind, or How Much Physics does Chemistry Need«, Foun- dations of Chemistry, , , str. −. ¹⁷ eoria sine praxis sicut rota sine axis, praxis sine theoria sicut caecus sine via. [Teorija brez prakse je kot kolo brez akse, praksa brez teorije pa kot slepec, ki po cesti se vije.] ¹⁸ Glej npr.: P. Alexander, »£eory-Construction and £eory-Testing«, e British Journal for the Philosophy of Science, , , str. −.  P O L I G R A F I dukcijo (postuliramo obstoj objektov, ki so bili prej neznani) oziroma z analogno abdukcijo (uporabimo primere formiranja obstoječih hipotez za izgradnjo hipotez, ki so podobne obstoječim).¹⁹ Vloga eksperimenta in teorije v kemiji ni klasična popperjanska,²⁰ pri kateri opazujemo z namenom testiranja hipotez in teorijo testiramo tako, da jo apliciramo na tiste posebne (kritične) primere, za katere daje drugačne rezultate od preostalih teorij oziroma tistega, kar bi pričakovali brez teorije. Za razli- ko od kozmologije ali fizike, kjer obstajajo izdelane teorije, ki čakajo na svojo eksperimentalno potrditev ali ovržbo,²¹ je v kemiji situacija prej takšna, da imamo na razpolago celo goro eksperimentalno opaženih fenomenov, ki še čakajo na svojo teoretično obravnavo. Kemija pozna množico empiričnih zakonov, ki medsebojno korelirajo dva ali več opa- ženih faktorjev.²² Empirični kemijski zakoni se nanašajo na substance:²³ eni zakoni trdijo, da obstajajo različni materiali, ki jim pravimo ‘či- ste substance’ (npr. kisik, srebrov jodid, holesterol itd.), drugi podaja- jo funkcijske zveze, ki predstavljajo lastnosti teh substanc (npr. Boylov zakon za pline, Kolrauschov zakon za prevodnost močnih elektrolitov, Arrheniusov zakon za temperaturno odvisnost hitrosti kemijske reakcije itd.). Pregled teorij v kemiji nam ponudi obilico primerov, ko teorija na- pove le, katere količine bodo medsebojno povezane, njihovo funkcijsko odvisnost pa je treba nato eksperimentalno poiskati. Eksperiment torej v takšnem primeru ni v službi testiranja teoretičnega zakona; prinaša nove informacije, ne da bi čakal na teorijo. Pri testiranju modela se ke- mik običajno opira na določen preliminarni model, ki ga želi v skladu z eksperimentom izboljšati; ne starta v prvi vrsti s konstrukcijo teoretično bolj dodelanega modela in nato testira njegove napovedi (skladnost z ¹⁹ R. J. Good, »Why are Chemists ‘Turned Off’ by the Philosophy of Science?«, Foundations of Chemistry, , , str. −. ²⁰ K. R. Popper, Logika znanstvenega odkritja, Studia Humanitatis, Ljubljana . ²¹ Denimo iskanje Higgsovega bozona, ki ga napoveduje standardni model fizike delcev, in ki je nemara tudi najbolj medijsko odmeven primer, kjer teorija čaka na sodbo eksperimenta. (Za razliko od fizike (projekt v Cernu), astrologije (Hubblova postaja), biologije (projekt človeškega genoma), geologije (projekt Mohole) kemija nima ‘velikega’ projekta, in je zato manj na očeh medijev, politikov in širše javnosti ... To je vsa zgodba.) ²² Npr. Zajčevo pravilo, Markovnikovo pravilo, Bredtovo pravilo, Konovalovo pravilo ... so vse primeri empiričnih zakonov v kemiji. ²³ E. F. Caldin, »£eories and the Development of Chemistry«, e British Journal for the Phi- losophy of Science, , , str. −.  T E O R I J E I N M O D E L I N A R A V E V K E M I J I eksperimentom). Eksperimentalni napori so pogostokrat opravljeni prej z namenom izboljšave obstoječega modela kot z namenom njegovega testiranja. Če model ni ustrezen za opis fenomena v vseh primerih, ga običajno ne zavržemo kot povsem neustreznega, temveč ga omejimo na določeno območje veljave (Kolrauscheva zveza velja denimo le za raz- redčene raztopine močnih elektrolitov itn.). Teza, da teorije testiramo z namenom njihove ovržbe, v kemiji ni podprta. Namesto testiranja je bolje govoriti o evalvaciji teorije. V kemiji mnoge teoretične hipoteze ne zajamejo celotnega področja, vse- bujejo nedoločene parametre, potrebujejo pri aplikaciji dodatne hipoteze in ne dajejo numerično eksaktnih rešitev. Posledično sta eksperiment in toerija povezana na bolj kompleksen način. Fizikalnokemijske meritve niso namenje- ne zgolj testiranju hipotez; dajejo nam kvalitativne podatke o molekularnih modelih, ki jih zato izpopolni bolj trud eksperimentalca kot teoretika.²⁴ Popperjeva shema lahko torej velja za teoretika, ki postavlja nove te- oretične koncepte, jih testira in preoblikuje (npr. fizikalni kemik, ki se ukvarja prvenstveno s teoretičnimi koncepti), ne pa za eksperimentalca, ki si želi interpretacije svojih opazovanj in ga izsledki svojih raziskav pe- ljejo k bolj dodelanim modelom fenomenov, ki jih opazuje. Če se stri- njamo s hipotetično deduktivno metodo v naravoslovni znanosti, jo je treba v primeru kemije razumeti v nekoliko manj strogi obliki: testiranje hipotez ni nujno osrednja aktivnost kemije. Od temeljnih področij kemijske dejavnosti²⁵ je s teorijo še najbolj povezana fizikalna kemija, katere začetki segajo v pozno devetnajsto sto- letje.²⁶ Fizikalna kemija raziskuje kemijske pojave pretežno s teorijami in eksperimentalnimi propomočki fizike; pojasnjuje zvezo med kemijskimi lastnostmi atomov in molekul ter njihovo zgradbo in kemijskimi vezmi med njimi, strukturo kristalov, vedenje tekočin in raztopin ipd. Vendar ²⁴ Prav tam. ²⁵ Anorganska, organska, fizikalna, analizna in biokemija. Razdelitev je precej groba, a finejša shema (npr. kvantna kemija, jedrska kemija, kemija polimerov, biofizikalna in bioanorganska kemija, kemija okolja, atmosferska kemija, klinična kemija, forenzična kemija itd.) za nadalje- vanje tega prispevka ni bistvena. ²⁶ Začetke fizikalne kemije se povezuje z imeni: Wilhelm Ostwald, Svante August Arrhenius ter Jacobus Henricus van't Hoff ter z razvojem kemijskih področij, kot so: kemijska termodina- mika, statistična mehanika, elektrokemija, spektroskopija, fotokemija, kemijska kinetika ...  P O L I G R A F I fizikalna kemija ni zgolj podaljšek fizike; je neko posebno polje, ki ni ne fizika ne kemija v strogem pomenu obeh besed, brez ene ali druge pa na njem tudi ne bi nič vzklilo. Fizika in kemija materijo raziskujeta vsaka na sebi lasten način − termodinamika, statistična fizika, kvantna mehanika ... so dosežki fizike, ki so svoje mesto v kemiji našli prav zaradi fizikalne kemije. Fizik ne nosi kemijskih očal, si ne postavlja kemijskih vprašanj (morda nanje le odgovarja). Ko pravimo kemijska vprašanja, s tem mislimo npr.: kakšni so pogoji obstoja snovi v danem stanju; zakaj je neka snov takšna, kakršna je; kakšni so načini in vzroki za spremem- be. Odgovor nanje: eksperiment in teorija sta tista, ki sta sorodna nači- nu odgovarjanja fizike. Fizikalna kemija v kemijo vnaša dosežke fizike, ki so pomembni za razumevanje in razlago kemijskih pojavov. Fizikalna kemija predstavlja način poenotenja obeh znanosti brez potrebe po re- duktivni shemi: »Poleg redukcije (ali supervenience ali eliminitivizma) obstaja mnogo drugih poti k poenotenju. Fizikalna kemija (termodina- mika, koloidna kemija, površinska kemija, kvantna kemija), na primer, združuje [unifies] do določene mere fiziko in kemijo.«²⁷ Fizikalna kemija se ukvarja s specifičnimi fizikalnimi lastnostmi substanc. Pri tem ne gre le za empirične raziskave njihovih lastnosti, temveč tudi za njihovo te- oretično razlago, pri čemer teoretični pristop fizikalnega kemika ni niti dogmatičen niti univerzalen, ampak pogosto osnovan na pragmatični množici modelov, ki zadevajo določeno substanco, kontekst, problem. Pristop je pogosto semiempiričen, kar pomeni, da parametri, ki jih mo- del vsebuje, potrebujejo eksperiment za njihovo določitev.²⁸ Matematika je v kemijo stopila z resnejšim obrazom prav skozi vrata fizikalne kemije. Njena vloga ni omejena zgolj na računsko uporabo, ampak prispeva k razvoju novih kemijskih teorij. Po drugi strani spod- buja kemija razvoj novih matematičnih pristopov, ki nudijo vpogled v kemijske probleme oziroma jih poskušajo razrešiti.²⁹ Matematizem po- staja formativen in ne več samo deskriptiven; kemija se ne zadovolji več ²⁷ J. van Brakel, »Chemistry as the Science of the Transformation of Substances«, Synthese, , , str. −. ²⁸ J. Schummer, »Physical Chemistry: Neither Fish nor Fowl«, v: e Autonomy of Chemistry, Janich, P., in Psarros, N. (ur.), Königshausen & Neumann, Würzburg , str. −. ²⁹ A. T. Balaban, »Reflections about Mathematical Chemistry«, Foundations of Chemistry, , , str. −.  T E O R I J E I N M O D E L I N A R A V E V K E M I J I s fenomenološkim kako, išče tudi matematični zakaj, če malce parafra- ziramo Bachelardove besede.³⁰ V kemiji poleg analize in algebre sreča- mo matematične teorije, kot so topologija, teorija grafov, teorija grup, teorija kompleksnosti ter kaosa³¹ ... Zgodovinsko gledano pa je uporaba konceptov fizikalnih teorij (termodinamika, statistična fizika, relativno- stna teorija, kvantna mehanika) bolj pogosta v aparatu teoretične kemije kot uporaba matematičnih teorij. Tri glavna področja fizikalne kemije so ravno kemijska termodinamika, statistična mehanika/termodinamika ter kvantna kemija (glej sliko ). Besedo termodinamika je leta  prvi uporabil William £omson (lord Kelvin) in izhaja iz grških besed θερµη (toplota) in δυναµις (spre- memba/dinamika). Kemijska termodinamika raziskuje zveze med de- lom in toploto, ki ju sistem prejme ali odda zaradi kemijske reakcije ali fizikalne spremembe stanja.³² Je teorija, ki se ukvarja z makroskopskimi ³⁰ G. Bachelard, Oblikovanje znanstvenega duha, Studia Humanitatis, Ljubljana , str. . ³¹ Če bi danes lahko Immanuel Kant prelistal katerega od učbenikov, ki se ukvarjajo s teore- tično kemijo, bi moral svoje stališče glede kemije kot znanosti gotovo spremeniti ... ³² Sistem je v termodinamiki tisti del prostora (vesolja), ki si ga izberemo pri svojem prouče- vanju, preostalemu delu, ki ni predmet našega proučevanja, pa pravimo okolica. Sistem je lahko ograjen s fizičnimi ali z namišljenimi mejami. V kemiji najpogosteje študiramo sisteme, ki vsebu- jejo snov, lahko pa obravnavamo tudi sisteme, ki vsebujejo zgolj energijo (npr. elektromagnetno polje). Snovni sistemi so lahko zaprti (izmenjava snovi z okolico ni mogoča) ali odprti (snov se lahko izmenjuje z okolico). Če je sistem izoliran, potem ni med njim in njegovo okolico nobe- Slika : Najpogostejše konceptualno fizikalne teorije v kemiji: temeljni aksiomi, objekti obravnave ter rezultati. (Povzeto po H. L. Friedman, A Course in Statistical Mechanics, Prentice-Hall, Englewood Clifs , str. .)  P O L I G R A F I sistemi, sistemi, ki vsebujejo ogromno število entitet (reda velikosti Avo- gadrovega števila). Njen fenomenološki pojmovni aparat se ne sprašuje po mehanizmu pojavov, niti po zgradbi same snovi, pač pa se ukvarja z lastnostmi opazovanega sistema, kot so npr. tlak, temperatura, masa, energija itn., in iz nekaj predpostavk (zakoni termodinamike) zgradi množico koristnih zvez med njimi.³³ Čeprav termodinamika ne more ponuditi molekularne razlage sveta, to ne pomeni, da je teorija slaba. Kemijski sistemi so običajno izredno kompleksni in nimamo še teorij, s katerimi bi jih znali zadovoljivo opisati na molekularnem nivoju. V teh primerih lahko termodinamiko uporabimo nič manj zanesljivo in eksaktno kot v primeru enostavnejših sistemih. Glavni cilj statistične mehanike je omogočiti molekularno teorijo oziroma interpretacijo zlasti ravnotežnih lastnosti makroskopskih siste- mov. Osnovana je na aksiomih statistične fizike. Njen cilj je, da iz splo- šnih zakonov za gibanje delcev izpelje zakone termodinamike, za kemijo bolj poglavitno pa, da iz lastnosti delcev (oziroma domnev o njihovih lastnostih) ter sil, ki delujejo med njimi, izpelje makroskopske lastnosti snovi.³⁴ Sisteme je možno obravnavati v okviru aksiomatičnega pojmo- vanja verjetnosti, a se navadno še vedno srečujemo s pojmom ansambla. Ansambel predstavlja namišljeno zbirko izredno velikega števila siste- mov, od katerih je vsak termodinamska (makroskopska) replika (kopija) dejanskega (realnega) termodinamskega sistema, ki ga proučujemo. Res je, da so vsi sistemi v ansamblu identični s termodinamskega vidika, se pa razlikujejo na molekularnem nivoju. ne interakcije. Razlikujemo še homogene ter heterogene sisteme. Vsak sistem ima niz lastnosti, ki jih lahko opazujemo, izmerimo. Takšnim lastnostim pravimo fizikalne lastnosti (funkcije) sistema. Stanje sistema je določeno z njegovimi lastnostmi. Funkcije, ki so pogojene izključno s stanjem sistema in ne z načinom, kako smo to stanje dosegli, imenujemo funkcije stanja (npr. temperatura, tlak, notranja energija, entalpija, entropija itn.). − Zamjatin v romanu Mi zapiše: »Lej: dve sili delujeta v svetu − entropija in energija. Ena − za blažen mir, za srečno ravnovesje, druga − za porušenje ravnotežja, za trpeče neskončno gibanje.« (J. Zamjatin, Mi, Cankarjeva založba, Ljubljana , str. .) ³³ Glej npr. učbenik: I. M. Klotz in R. M. Rosenberg, Chemical ermodynamics: Basic Con- cepts and Methods, John Wiley & Sons, Hoboken . ³⁴ Glej npr. učbenika: T. L. Hill, An Introduction to Statistical ermodynamics, Dover Publi- cations, New York ; Statistical Mechanics: Principles and Selected Applications, Dover Publi- cations, New York .  T E O R I J E I N M O D E L I N A R A V E V K E M I J I Če statistična mehanika potrebuje podatke o lastnostih posameznih gradnikov sistema (navadno so to molekule) in o naravi interakcij med njimi, jih sama statistična teorija ne more priskrbeti. Ta informacija mora priti od drugje. Pogostokrat si pomagamo z eksperimentom (npr. spektroskopske metode), če pa jo hočemo pridobiti teoretično, vodi principielna pot h kvantni teoriji. V duhu Ockhamove britve³⁵ pred- stavlja teoretična pot s svojo skromnostjo v ekonomiji parametrov naj- boljšo izbiro. »Epitom pristopa ab initio je nekaj podobnega kot evklid- ska geometrija, kjer začnemo z nekaj aksiomi, nato pa vse izpeljemo od začetka brez vsakršne reference na eksperimentalne podatke.«³⁶ Težava pristopa ab initio v kemiji nastopi z dejstvom, da za sistem več kot dveh delcev (vsi kemijski elementi razen vodika so sestavljeni iz več kot dveh atomskih delcev; protonov, nevtronov, elektronov) Schrödingerjeve enačbe brez aproksimacij ni moč rešiti.³⁷ Najpogostejši pristop k raču- nanju večelektronske valovne funkcije je oprt na nerelativistični Schrö- dingerjevi enačbi ter na t. i. Born-Oppenheimerjevemu približku (jedra atomov so mirujoča, gibljejo se samo elektroni v povprečnem polju, ki ga ustvarjajo jedra in ostali elektroni sistema). Nadalje Hartree-Fockova metoda npr. opiše valovno funkcijo kot antisimetrični produkt enoelek- tronskih funkcij ... Kvantna kemija je skratka osnovana na vrsti princi- pov (npr. variacijski, Ehrenfestov teorem, Hellman-Feynmanov teorem itd.), ki imajo tako hevristično kot interpretativno vlogo.³⁸ Kvantne ke- mije ne gre kar enačiti s kvantno teorijo (kvantna mehanika), saj se ti dve med seboj razlikujeta v vrsti aspektov.³⁹ Problemi, kako združiti klasične in kvantne spremenljivke v kemiji, vsekakor niso trivialni.⁴⁰ Omenjeni ³⁵ R. Hoffmann, V. I. Minkin in B. K. Carpenter, »Ockham's Razor in Chemistry«, HYLE − International Journal for Philosophy of Chemistry, , , −. ³⁶ E. R. Scerri, »Just how Ab Initio is Ab Initio Quantum Chemistry«, Foundations of Chemi- stry, , , −. ³⁷ Glej npr: F. Schwabl, Quantum Mechanics, Springer, Berlin [idr.], ; E. R. Scerri, »£e Electronic Configuration Model, Quantum Mechanics and Reduction«, e British Journal for the Philosophy of Science, , , str. −. ³⁸ H. Hettema, »Explanation and £eory Formation in Quantum Chemistry«, Foundations in Chemistry, , , str. −. ³⁹ Prav tam. ⁴⁰ Primas je podal nekaj zgovornih argumentov, kako redefinirati kemijsko teorijo, da bi vklju- čevala klasične in neklasične koncepte (H. Primas, Chemistry, Quantum Mechanics and Reducti- onism, Springer, Berlin ).  P O L I G R A F I principi omogočajo, da lahko rezultate kvantnokemijskih računov inter- pretiramo v luči semiklasičnih konceptov, ki se tičejo molekul. Kvantna kemija še ni ponudila popolne mehanistične razlage kemijskih la- stnosti (kaj šele izpeljave kemijskih zakonov). Prispevki kvantne kemije h ke- miji so bili raje drugačne narave. Kvantna kemija je v nekaterih primerih pri- nesla razlago kemijskih zakonov nekoliko prepozno, a je jeziku kemije dodala tudi številne nove koncepte, kot npr. ‘orbitale’, ‘aromatičnost’ ...⁴¹ J. B. Weenix je okoli leta  naslikal portret Renéja Descartesa, ki v rokah drži knjigo, na kateri piše »mundus est fabula«, »svet je zgodba«.⁴² Descartes je s spraševanjem o tem, kaj lahko vemo in kako lahko vemo, da je resnica enaka za vsak intelekt, spoznal, da fizik (enako danes lahko rečemo za kemika) »nima neposrednega opravka z dejanskostjo samo, ampak z ‘ustvarjenimi’ simboli zanjo, in da ima ta simbolični svet neko lastno hipotetično resnico v sebi, ki jo mora znanstvenik odkrivati, ne da bi mogel spet znanstveno ugotoviti, ali ji v zunanjem svetu kaj odgo- varja, oziroma v kaki meri ji kaj odgovarja.«⁴³ Večina teorij, ki opisujejo kemijske fenomene, vsebuje kemijske konstrukte;⁴⁴ ‘molekula’ je zagoto- vo eden izmed najbolj razširjenih. Zamisel, da so molekule mikroskopski, stvarni objekti z bolj ali manj defi- nirano obliko, je bila ključna za razvoj našega razumevanja fizikalnokemijskih lastnosti snovi in je sedaj tako lastna našemu razmišljanju in vanj tako globoko vtisnjena, da jo običajno smatramo za gotovo − ta ideja predstavlja osrednjo dogmo kemije.⁴⁵ Modeli, ki jih v kemiji uporabljamo za konceptualizacijo sveta, pred- stavljajo metafore, ki nam služijo za povezovanje domene ke mij skih ⁴¹ H. Hettema, »Explanation and £eory Formation in Quantum Chemistry«, Foundations in Chemistry, , , str. −. ⁴² J.-L. Nancy, »Mundus est fabula«, MLN, , , str. −. ⁴³ M. Hribar, »Uvod«, v: R. Descartes, Meditacije, Slovenska matica, Ljubljana , str. . ⁴⁴ N. Psarros, »What has Philosophy to Offer to Chemistry«, Foundations of Science, , , str. −. ⁴⁵ R. G. Woolley, »Quantum Mechanical Aspects of the Molecular Structure Hypothesis«, Israel Journal of Chemistry, , , str. −. (Naj poudarimo, da v fenomenološkem aparatu kemijske termodinamike ni molekul. Teorija je makroskopska in se izogne razlagi na mikro- skopskem nivoju, tj. atomskim in molekulskim detajlom.)  T E O R I J E I N M O D E L I N A R A V E V K E M I J I feno menov s tem, kar poznamo iz vsakodnevnega življenja.⁴⁶ Uporaba metaforičnih modelov je verjetno posledica dejstva, da nimamo ustre- znega znanja in tehnik, s katerimi bi lahko neposredno opisovali objekte in procese na molekularnem nivoju. Model molekule, ki je sestavljena iz togih kroglic in palčk, ki te kroglice povezujejo (model ‘ball-and-stick’), je primer metaforičnega modela, ki si sposoja makroskopske objekte za opis mikroskopske strukture.⁴⁷ Večinoma se takšen model molekule iz- kaže za zelo koristnega (npr. pri stereokemičnih vprašanjih). A ko se z nivoja atomov, ki so v molekuli povezani s kemijskimi vezmi, spustimo na kvantni nivo (torej na nivo jeder in elektronov), se pomen strukture izgubi. Klasičnega koncepta molekulske strukture ne moremo izpeljati ab initio iz kvantnomehanskih računov.⁴⁸ To dejstvo ne postavi kvan- tne mehanike pod vprašaj, niti ne zmanjša uporabne vrednosti makro- skopske slike o molekulah, pač pa nam da misliti, da je napak razumeti strukturo molekule kot njeno intrinzično lastnost. Kvantna kemija si zato koncept molekulske strukture sposodi iz klasične kemije. * * * Tao rodil je Enoje, Enoje rodilo je Dvoje, Dvoje rodilo je Troje, iz Trojega vse so stvari.⁴⁹ Revolucija v kemijskem načinu mišljenja se je zgodila v drugi polovi- ci osemnajstega stoletja, ko je Antoine-Laurent de Lavoisier odkril zakon o ohranitvi mase in dokončno opravil z zmotno flogistonsko teorijo.⁵⁰ ⁴⁶ N. Sukumar, »£e Chemist's Concept of Molecular Structure«, Foundations of Chemistry, , , str. −. ⁴⁷ N. Bhushan in S. Rosenfeld, »Metaphorical Models in Chemistry«, Journal of Chemical Education, , , str. −. ⁴⁸ R. G. Woolley, »Must a Molecule Have a Shape?«, Journal of the American Chemical Society, , , str. −. ⁴⁹ Lao Ce, Tao Te King, . izrek, v: Iz stare kitajske filozofije, Slovenska matica, Ljubljana , str. . (O vzporednicah med vzhodnjaško filozofijo ter kemijo glej npr.: E. R. Scerri, »£e Tao of Chemistry«, Journal of Chemical Education, , , str. −.) ⁵⁰ Za diskusijo kemijske revolucije v luči Kuhnove teorije znanstvenih revolucij glej npr.: P. Hoyningen-Huene, »£omas Kuhn and the Chemical Revolution«, Foundations of Chemistry,  P O L I G R A F I A začetki kemije niso v letu , temveč segajo daleč nazaj v čase pred našim štetjem. Človek je v teku stoletij poskušal zgraditi znanje o sebi in svoji okolici; gradil je na osnovi izkušenj ter na osnovi lastnega duha (sprva s pomočjo mitov in magije). Shematski pregled zgodovinskega razvoja, ki je pripeljal do sodobne kemije, je podan na sliki .⁵¹ Napak bi bilo sklepati, da so imeli stari Grki le filozofski odnos do sveta. Iskali so tako kozmološke razlage kot tudi razlage ‘kemijskega’ ob- našanja snovi na Zemlji ter možnosti njihove uporabe. To so počeli tudi kitajski modreci, ki so svoje ugotovitve o vesolju in materialnem svetu zbrali v knjigi o spremembah, 易经 [yì jīng]. Osnovna ideja obeh pri- stopov je bila, da mora redukcionistični pristop temeljiti na holističnem sistemu, povezanem z idejo o cikličnih spremembah.⁵² Mar ni to soro- dno današnjemu iskanju teorij(e) velikega poenotenja, navkljub očitni ločitvi teorije od vsakodnevnega izkustva? , , str. −. Glej tudi: J. G. McEvoy, »In Search of the Chemical Revolution: Inter- pretative Strategies in the History of Chemistry«, Foundations of Chemistry, , , str. −. ⁵¹ Bralcu, ki ga zanima zgodovina kemije in razvoj kemijskih idej, priporočamo knjigo: D. Grdenić, Zgodovina kemije, In obs medicus, Ptujska Gora . ⁵² R. J. P. Williams in J. J. R. Fraústo de Silva, e Natural Selection of the Chemical Elements: e Environment and Life’s Chemistry, Clarendon Press, Oxford , str. . Slika : Zgodovinski razvoj ‘kemije’. Vodoravnica ločuje kitajsko in indijsko alkimijo od razvojne poti, ki vodi do sodobne kemije. Domnevna, a nepotrjena povezava med kitajsko in arabsko alkimijo je nakazana s prekinjeno puščico.  T E O R I J E I N M O D E L I N A R A V E V K E M I J I Že zelo zgodaj v zgodovini mišljenja se je pojavil koncept, model, da je vse, kar zaznamo, moč razstaviti na osnovne primarne komponente. Ideja o končnem številu nedeljivih entitet (elementov), iz katerih lahko s kombiniranjem pripravimo ničkoliko objektov, se je ohranila do da- nes. Današnje atomske torije, ki obravnavajo spremembe v elektronski konfiguraciji atomov, ko se le-ti združijo v molekulo, so le bolj sofistici- rani načini izražanja starejših idej. »Le v zahtevi, da lahko elemente pri- pravimo, in ne, kot to pogosto slišimo, v zamisli, da moramo elemente smatrati za nerazgradljive substance, leži napredek Junga, Boyla ter La- voisiera nad stališči, ki jih je zagovarjal Aristotel.«⁵³ Primerjajmo Aristotelovo shemo štirih prvin s shemo, s katero lahko danes ponazorimo različna agregatna stanja (faze) dane kemijske sub- stance. Prvine zrak, voda, zemlja in ogenj (leva stran slike ), od katerih se vsaka odlikuje z eno lastnostjo, je Aristotel povzel od starejših misle- cev. Kot je učil Empedokles, prvine (počela, elementi) niso stalne, tem- več se lahko pretvarjajo druga v drugo preko medija lastnosti. Mar ne obstaja tesna podobnost med shemo faznih sprememb neke substance (prehod iz trdnega v tekoče in nato v plinasto, npr. ledu v vodo in vode v paro) in shemo štirih elementov? Plinasto fazo lahko povežemo z zra- kom, tekočo z vodo in trdno z zemljo. Energijo, ki se pri faznih preho- dih sprošča oziroma porablja, lahko v antični shemi nadomesti ogenj (desna stran slike ).⁵⁴ ⁵³ F. A. Paneth, »£e Epistemological Status of the Chemical Concept of Element«, Founda- tions of Chemistry, , , str. −. ⁵⁴ Shemi s slike  sta priročni tudi pri obravnavi problema organizacije v kemiji, tj. prehoda iz nereda v red. Plinasta faza predstavlja nered (gibanje), tekoča faza organizacijo in trdna faza red (strukturo), pri čemer je ‘tok’ energije tisti, ki narekuje ‘ravnotežje’ red ↔ nered. Slika : Levo: štiri klasični ‘elementi’, kot jih poznamo iz grške filozofije. Desno: ‘prevod’ leve sheme v moderni jezik.  P O L I G R A F I Koncept kemijskega elementa predstavlja v kemiji enega temeljnih konceptov. Štiri prvine, omenjene zgoraj, so v času alkimije zamenjali trije elementi (principi): sol, žveplo in živo srebro. Ko se je kemija otresla alkimije, se je vrnila k Aristotelu, a kmalu podvomila v njegov nauk ter ga zavrgla, saj ni podpiral korpuskolarne zgradbe snovi. Razmahnila se je atomika, katere osnova je bila prav tako grška. Z delom Roberta Bo- yla so bili postavljeni prvi temelji modernejše kemije. Boyle je sklepal, da štirje grški ter trije alkimistični ‘elementi’ niso dovolj, saj se snovi ne razstavljajo nanje; definira element, ne pa počel, ki bi ustrezala njegovi definiciji. Lavoisier o elementih ne govori več kot o skrajnih delih deli- tve (to je pravzaprav filozofski koncept), ampak o skrajnih sestavinah, do katerih nas pripelje rezultat kemijske analize (kemijski koncept).⁵⁵ Dimitrij Ivanovič Mendeljejev je v želji po vzpostavitvi klasifika- cijskega sistema kemijskih elementov na osnovi njihovih lastnosti od- kril zanimive ponavljajoče (periodične) vzorce (zlasti v atomskih ma- sah elementov), kar ga je leta  pripeljalo do zakona o periodičnosti kemijskih lastnosti ter do konstrukcije periodnega sistema kemijskih elementov,⁵⁶ ki ne predstavlja zgolj razpredelnice elementov, ampak ba- zen enormnega števila podatkov in znanja.⁵⁷ Veličina Mendeljejevega dela ni prvenstveno v klasifikacijski shemi do tedaj znanih elementov (to so poskušali tudi drugi), temveč v tem, da je ustvaril idealizirane objekte kot model realnega sistema. Koncept kemijskega elementa je formuliral kot teoretični koncept. Ustvaril je namreč idealiziran sistem idealiziranih elementov. Kemijske elemente je konstruiral na osnovi zakona o peri- odičnosti kemijskih lastnosti; mesto, ki pripada elementu v periodnem sistemu, ga definira kot idealizirani objekt. »Takšen idealizirani objekt ne smemo razumeti v smislu spekulativnega mentalnega objekta; to je objekt, analogen rezultatu umskega nadaljevanja realnega eksperimenta, saj obstajajo izredno natančna pravila, kako pridemo do takšnega objek- ⁵⁵ Kemija danes definira kemijski element kot čisto kemijsko substanco, zgrajeno iz atomov z enakim številom protonov v svojih jedrih. ⁵⁶ N. M. Brooks, »Developing the Periodic Law: Mendeleev's Work During −«, Fo- undations of Chemistry, , , str. −. ⁵⁷ E. R. Scerri, e Periodic Table: Its Story and Significance, Oxford University Press, New York .  T E O R I J E I N M O D E L I N A R A V E V K E M I J I ta in pravila za vrnitev nazaj k realnemu objektu.«⁵⁸ Mendeljejev je s teoretičnega vidika napravil izreden preskok: iz množice lastnosti, ki jih imajo kemijski elementi, je znal poiskati tiste, ki bi lahko tvorile bazo klasifikacijskega sistema in nato z njihovo pomočjo zgradil teoretično reprezentacijo lastnosti teh elementov. Prav abstrahiranje manjšega niza lastnosti iz domala nepregledne množice fizikalno-kemijskih lastnosti, ki pripadajo realnim objektom, predstavlja enega izmed poglavitnih vi- dikov teoretičnega mišljenja. Mendeljejev je na osnovi svoje sheme uspel napovedati tudi obstoj in lastnosti (atomska masa, gostota, vrelišče itd.) do tedaj še neodkritih elementov. Ko so odkrili galij, skandij ter germa- ni, so se njihove dejanske lastnosti odlično ujemale s teoretično napove- danimi.⁵⁹ Vsaka dobra teorija (ali model) ima napovedovalno zmožnost. Periodni sistem kemijskih elementov predstavlja svojevrstno osnovo za razlago sveta okoli nas.⁶⁰ »Malokrat izpostavljeni atribut periodnega sistema je ta, da zadeva holistični in vsevključujoči aspekt kemije, saj za- jema vse elemente ter poleg tega osvetljuje plast za plastjo povezave med elementi.«⁶¹ Pomen kemije med naravoslovnimi znanostmi je videti v tem, da priskrbi povezave med materialnim svetom okoli nas (živo in neživo naravo) in lastnostmi elementov periodnega sistema. Način, kako se kemijski elementi medsebojno povezujejo v kompleksnejše entitete (molekule) ter kako se te entitete nato prilagajajo in razvijajo na mole- kularnem nivoju, predstavlja neke vrste naravno selekcijo.⁶² ⁵⁸ R. Vihalemm, »Are Laws of Nature and Scientific £eories Peculiar in Chemistry? Scruti- nizing Mendeleev's Discovery«, Foundations of Chemistry, , , str. −. ⁵⁹ E. R. Scerri, »Predictions and the Periodic Table«, Studies in History and Philosophy of Sci- ence, , , str. −. ⁶⁰ Po standardnem kozmološkem modelu sestavlja naše vesolje le štiri odstotke barionske in običajne snovi, zgrajene iz elementov periodnega sistema. Ti   so (zaenkrat) predmet kemije ... Glej npr.: A. Gomboc, »Iz česa je vesolje?«, Proteus, , , str. −. (Bralcu, ki ga zanima vesolje, priporočamo tudi ogled dokumentarne serije »Wonders of the Solar System« (BBC/ Science Channel, ).) ⁶¹ E. Scerri, »Explaining the Periodic Table, and the Role of Chemical Triads«, Foundations of Chemistry, , , str. −. ⁶² Govorimo lahko o kemijskem darvinizmu. To je še zlasti očitno v supramolekularnih sis- temih, kjer imamo opravka z reorganizacijo, dekonstrukcijo ter rekonstrukcijo molekularnih komponent, ki v toku prilagoditvene (‘evolucijske’) dinamične poti pripeljejo do ‘najboljše’ sa- moorganizirajoče se strukture.  P O L I G R A F I Znanje, ki ga producira kemija, in zakoni, s katerimi razlaga svet, običajno ne razlagajo sveta v smislu temeljnih zakonov fizike. Poskusi, da bi izpeljali zakon o periodičnih lastnostih kemijskih elementov s po- močjo kvantne mehanike, do sedaj še niso rodili plodnih sadov, niti niso bili uspešni matematični pristopi, osnovani na teorijah grup, podobnosti itn. Reduktivni pristopi, ki želijo pokazati, da lahko kemijske koncep- te (npr. koncept kemijske vezi, aromatičnosti, molekulske strukture, kiralnosti itd.) izpeljemo iz osnovnejših zakonov fizike (npr. kvantne mehanike oziroma kvantne elektrodinamike), so precej neprepričljivi.⁶³ Ti koncepti imajo pomen le na kemijskem nivoju. Če epistemološka redukcija ni uspešna (tj. vseh kemijskih konceptov in zakonov ne mo- remo izpeljati iz zakonov fizike), pa vseeno ostaja vprašanje ontološkega statusa kemije. Ali lahko neki dogodek opišemo tako s kemijskega kot s fizikalnega vidika, ne da bi pri tem morali dati enemu izmed njih večjo ontološko veljavo, postulirati obstoj ene same ‘pravilne’ ontologije?⁶⁴ Z internalistične perspektive [...] ne obstaja način za opis stvari kot ‘dejan- sko so’ [as they really are]: do realnosti vedno dostopamo le s pomočjo naših konceptualnih shem; noumenalna ontologija ne obstaja. Če se odpovemo po- gledu s pozicije Boga [God’s point view], potem ne obstaja privilegirana per- spektiva in vsi opisi imajo enako stopnjo objektivnosti. Zato ne moremo spre- ⁶³ J. van Brakel, »Chemistry and Physics: No Need for Metaphysical Glue«, Foundation of Che- mistry, , , str. −. − Nobelovec Jean-Marie Lehn je malce provokativno pripomnil, da je fizika do kemije to, kar so zakoni akustike do Beethovnovih kvartetov (s pripisom: »En toute amitié (respectueuse)!«) (J.-M. Lehn, »Vers la matière complexe: Chemie? Chemie!«, Reflects de la Physique, , , str. −.) ⁶⁴ Z ontološkega vidika bo redukcija makroskopskega sistema z besednjakom njegovih mikro- skopskih konstituant uspešna, če nam uspe sistem razstaviti na krajevno-časovne komponente in če bomo uspeli najti kavzalno odvisnost makroskopskih lastnosti od mikroskopskih lastnosti. Definicija makroskopskih konceptov z besediščem mikroskopskih konceptov ter semantična od- visnost izpeljave zakonov, ki opisujejo vedenje makroskopskih zakonov, od zakonov, ki vladajo mikro svetu, pa je stvar epistemološke redukcije. (G. K. Vemulapalli in H. Byerly, »Remants of Reduction«, Foundations of Chemistry, , , str. −.) − Richard Bader (oče teorije ‘atomov v molekulah’ (quantum theory of atoms in molecules, QTAIM); glej npr. R. F. W. Bader, Atoms in Molecules: A Quantum eory, Clarendon Press, Oxford ) vztraja v prepričanju, da je kemij- ske koncepte elektronegativnosti, resonance, neveznih in steričnih interakcij itd. ter koncepte, izražene v teorijah valenčne vezi in teorijah molekulskih orbital, moč ‘izpeljati’ iz QTAIM, s čemer je redukcija kemije na fiziko dokazana (R. F. W. Bader, »Definition of Molecular Struc- ture: By Choice or by Appeal to Observation«, Journal of Physical Chemistry A, , , str. −; »On the Non-Existence of Parallel Universes in Chemistry«, Foundations of Chemi- stry, , , str. −). Po mojem prepričanju zadeva ni tako preprosta ...  T E O R I J E I N M O D E L I N A R A V E V K E M I J I jeti, da t. i. fundamentalne teorije opisujejo realnost takšno, kot je v sebi [as it is in itself] − tj. noumenalne realnosti −, saj so tudi te teorije konceptualne sheme, preko katerih vznikajo relativne ontologije. [...] S filozofskega stališča živimo v raznoliki [diversified] pojavni [fenomenal] realnosti, organizirani na več ontoloških ravneh, od katerih je vsaka ontološko in, posledično, netrivi- alno povezana [interconnected] z ostalimi ravnemi. [...] Emergentne lastnosti niso zgolj konstrukti, reduktibilni na eno samo ontologijo. Ta nereduktibilni pogled plastovite [stratified] realnosti predstavlja filozofsko ogrodje, ki nam omogoča braniti ontološko avtonomijo kemijskega sveta.⁶⁵ Če se vrnemo k Mendeljejevemu periodnemu sistemu: ali ni v njem skrit osnovni vzorec emergence, ki omogoča kemijsko razumevanje?⁶⁶ »Če z emergenco razumemo manifestacijo katerekoli lastnosti v celoti, ki nima kvalitativnega analoga v svojih delih, potem molekule predsta- vljajo primer emergence.«⁶⁷ V lastnostih kisika (O₂) in ozona (O₃) ob- staja velika kvalitativna razlika, čeprav se molekuli razlikujeta le za en sam atom kisika ...⁶⁸ Kemija je umetnost substanc. Klasični časi kemije so imeli opravka predvsem s sintezo novih spojin oziroma s transformacijo obstoječih ter z njihovo karakterizacijo; sinteza molekul se ukvarja z vprašanji, kako s pomočjo tvorbe (zlasti) kovalentnih vezi iz manjših gradnikov pri- praviti kompleksnejše substance. A nekatere molekule (ali njihovi deli) pod določenimi pogoji spontano tvorijo agregate, ki kažejo veliko mero urejenosti.⁶⁹ S primerno manipulacijo interakcij, ki vežejo gradnike to- vrstnih skupkov, lahko celo shranjujemo informacijo na molekularni ravni, s čimer supramolekularna kemija postaja kemija molekularnih ⁶⁵ O. Lombardi in M. Labarca, »£e Ontological Autonomy of the Chemical World«, Foun- dations of Chemistry, , , str. −. ⁶⁶ J. F. Salmon, »Emergence in Evolution«, Foundations of Chemistry, , , str. −. Av- tor trdi, da periodni sistem elementov izpolnjuje štiri pogoje znanstvenega ogrodja emergence: ontološki monizem, pojav novih kavzalnih vplivov, navzdolnje [downward] vzročnosti ter ne- predvidljivosti [unpredictability], na katero naletimo na novih ravneh eksistence. ⁶⁷ G. K. Vermalupali, »Property Reduction in Chemistry: Some Lessons«, Annals of the New York Academy of Sciences, , , str. −. ⁶⁸ O vprašanjih emergence in kemijske supervenience glej npr.: P. L. Luisi, »Emergence in Chemistry: Chemistry as the Embodiment of Emergence«, Foundations of Chemistry, , , str. −; M. Newman, »Chemical Supervenience«, Foundations of Chemistry, , , str. −. ⁶⁹ J.-M. Lehn, Supramolecular Chemistry: Concepts and Perspectives, VCH, New York .  P O L I G R A F I informacij.⁷⁰ Samoorganizacija molekul v kompleksnejše entitete pred- stavlja predpogoj za razvoj življenja, poleg tega pa so takšni agregati tudi tehnološko zanimivi (fotonika, elektronika, prenos energije, zdravilnih učinkovin, genov ...).⁷¹ »Končni cilj [supramolekularne kemije] je v sa- moorganizaciji združiti oblikovanje [design] in izbor [selection], z name- nom doseči samooblikovanje [self-design], kjer bo s funkcijo narekovan izbor med primernimi dinamičnimi vrstami generiral optimalno orga- nizirano in funkcionalno entiteto.«⁷² Kemija stoji danes pred nalogo odgovoriti na ontogenetsko vprašanje, tj., kako je v času razvoja vesolja snov postala kompleksna (kar je privedlo do evolucije biološkega sveta), ter na epigenetsko vprašanje, tj., kakšne nove in višje oblike komple- ksnosti snovi se lahko še razvijejo.⁷³ Razlika med posameznimi kemijski- mi entitetami, ontološkimi enotami, je v njihovi kompleksnosti (raven atomov, raven molekul, biološka raven ...).⁷⁴ Hrvoj Vančik⁷⁵ razlikuje strukturno kompleksnost (sistemi, ki ohranjajo energijo [conservative systems] in so v termodinamičnem ravnotežju; atomi, molekule, supra- molekularni agregati ...) ter dinamično kompleksnost, ki vključuje siste- me, ki izgubljajo energijo [dissipative systems] in za katere je značilno, da niso v termodinamičnem ravnotežju (npr. oscilirajoče reakcije, biološke celice). Interakcije, ki delujejo med entitetami na posamezni ravni kom- ⁷⁰ Načrtujemo lahko samoorganizirajoče sisteme, ki so neke vrste molekulski računalniki, ro- boti: cf. M. Canrad, »Emergent Computation £rough Self-Assembly«, Nanobiology, , , str. −; P. W. K. Rothemund, »Using Lateral Capillary Forces to Compute by Self-Assembly«, Proceedings of the National Academy of Sciences, U.S.A., , , str. −; Y. Benenson et al., »Programmable and Autonomous Computing Machine Made of Biomolecules », Nature, , , str. −; H. Wei et al., »Sambot: A Self-Assembly Modular Robot System«, IEEE/ ASME Transactions on Mechatronics, , , str. −. ⁷¹ G. M. Whitesides in M. Boncheva, »Beyond Molecules: Self-Assembly of Mesoscopic and Macroscopic Components«, Proceedings of the National Academy of Sciences, U.S.A., , , str. −. ⁷² J.-M. Lehn, »Toward Complex Matter: Supramolecular Chemistry and Self-Organisation«, Proceedings of the National Academy of Sciences, U.S.A., , , str. −. ⁷³ Prav tam. (Glej tudi druge prispevke te tematske številke PNAS, vol. , no.  ().) ⁷⁴ Giusepp Del Re govori o ravneh kompleksnosti [level of complexity] kemijskih entitet. Posa- mezna raven kompleksnosti predstavlja niz entitet, ki so zgrajene iz entitet nižjih ravni komple- ksnosti, npr. atomi so iz subatomarnih delcev, molekule iz atomov, supramolekularni agregati iz molekul itd. (G. Del Re, »Ontological Status of Molecular Structure«, HYLE − International Journal for Philosophy of Chemistry, , , str. −.) ⁷⁵ H. Vančik, »Philosophy of Chemistry and Limits of Complexity«, Foundations of Chemistry, , , str. −.  T E O R I J E I N M O D E L I N A R A V E V K E M I J I pleksnosti, pojemajo z naraščajočo ravnjo (kovalentne, ionske itd. vezi v molekulah so močnejše od vodikovih vezi, van der Waalsovih, Cou- lombskih, hidrofobnih itd. interakcij, ki povezujejo molekule v komple- ksnejših entitetah). Na osnovi teh ‘pojemajočih’ interakcij [diminishing interactions] Vančik uvede zgornjo limito strukturne kompleksnosti, kar pomeni, da strukturna kompleksnost ne more naraščati ad infinitum. Po drugi strani pa dopušča (vsaj načeloma), da dinamična kompleksnost lahko raste preko vseh mej, saj lahko sistem vedno nadgradimo tako, da vanj integriramo dodatni podsistem. »Ljudje kot opazovalci celotnega vesolja se pojavijo v tistem delu, ki je blizu limiti strukturne komple- ksnosti. Tu lahko vesolje smatramo kot ‘uroboros’, samoorganiziran in z vsemi možnimi ravnemi kompleksnosti. Zgodovinski koncept, ki pred- stavlja ozadje tradicionalne kozmologije, postane le poseben primer.«⁷⁶ In vendar: so naši možgani res limita, ki jo kompleksnost lahko doseže? Pri vsem tem pa se postavlja še eno nerešeno vprašanje: zakaj so en- titete, ki tvorijo kompleksnejše agregate, ravno takšne, da omogočajo tvorbo entitet na višjih ravneh? Zakaj je narava konstituant (struktura itd.) ravno takšna, da omogoča med konstituantami ravno takšne in- terakcije, ki vodijo do stabilnih kompleksnejših struktur? Dodajmo v epruveto sestavne dele virusa, premešajmo in dobili bomo virus; to je enako nepredstavljivo kot zamisliti si, da se bo iz gradbenega materiala, vrženega v zrak, sestavila katedrala. Ampak kako je prišlo do oblikova- nja molekul, ki tvorijo virus? Vprašanje ima nekaj sorodnosti s kozmo- loškim vprašanjem dobre naravnanosti osnovnih fizikalnih konstant.⁷⁷ Morda predstavlja pot k rešitvi te uganke tudi kemijska teorija z ustre- znimi modeli, ki pa verjetno ne smejo graditi od spodaj navzgor, temveč zaobjeti koncept nižje ravni z višje perspektive ...⁷⁸ ⁷⁶ Prav tam. (Citirana misel je hibrid antropičnega načela ter predpostavke o limiti strukturne kompleksnosti.) ⁷⁷ Pomislek o zgoraj postavljenem vprašanju dolgujem M. Uršiču. Bralcu toplo priporočamo, da seže po knjigi: M. Uršič, Daljna bližina neba: človek in kozmos, Cankarjeva založba, Ljublja- na . Ob prebiranju o kozmoloških vprašanjih, bomo uzrli veliko konceptov, ki smo se jih v tem prispevku zgolj bežno dotaknili (redukcionizem, holizem, emergenca, supervenienca, vloga teorije, modela, eksperimenta ...). ⁷⁸ Za opis samoorganizacije virusov obstaja več modelov različnih kompleksnosti, ki pa skuša- jo pojav samoorganizacije razložiti na osnovi lastnosti entitet nižje ravni kompleksnosti in torej ne morejo odgovoriti na zastavljeno vprašanje (cf. npr. M. F. Hagan in D. Chandler, »Dynamic  P O L I G R A F I Teoretično zanimiv in do danes še ne povsem razrešen problem⁷⁹ ‘organizacije’ je tudi t. i. problem zvijanja proteinov [protein folding]. Subtilne interakcije med posameznimi aminokislinami, ki sestavljajo protein, ter molekulami topila vodijo do tridimenzionalne strukture proteina, ki je biološko aktivna. Poglavitno vprašanje je, kateri so meha- nizni, ki vodijo do nativne oblike ter kako lahko na osnovi poznavanja aminokislinskega zaporedja napovemo pravilno D-strukturo. Denimo, da je protein sestavljen iz stotih aminokislin, potem se lahko ‘zvije’ na ²⁰⁰ različnih načinov, od katerih je navadno le ena oblika biološko ak- tivna. Očitno je, da mehanizem zvijanja ne poteka naključno, saj četudi bi lahko vsake kvadrilijon sekunde (¹⁵ s) protein zavzel drugo kon- formacijo, bi za dosego prave konformacije potreboval približno ⁸⁰ sekund, kar pa je za okoli šestdeset velikostnih razredov več od starosti vesolja. Eksperimentalni podatki kažejo, da se proteini zvijejo v časov- nem obdobju, ki v najslabšem primeru ne presega nekaj sekund. V gro- bem obstajata za modeliranje zvijanja dva pristopa: t. i. ab initio model na osnovi dobro definiranih sil med posameznimi deli proteina določi nativno strukturo tako, da poišče tisto konformacijo, ki ima najnižjo energijo. Po drugi strani se homologni modeli lotijo problema tako, da proučevani protein primerjajo z že znanimi strukturami proteinov s podobnim aminokislinskim zaporedjem. Z naraščajočo zmogljivostjo računalnikov postajajo ab initio modeli učinkovitejši, čeprav še ne pre- kašajo homolognih. Pathways for Viral Capsid Assembly«, Biophysical Journal, , , str. −). − Zanimivi so tudi rezultati raziskav, ki jih vodi dr. S. Glotzer. Njena skupina je simulirala vedenje sistemov raznoraznih geometrijskih teles, med katerimi (z izjemo togega odboja; tj. nepenetrabilnosti te- les) ni bilo nobenih interakcij. Velika večina od skupno  geometrijskih teles je v določenem območju zasedenosti prostora tvorila samoorganizirajoče strukture! (Delo še ni objavljeno in je bilo predstavljeno na th Liquid Matter Conference, Sept. −,  (Dunaj).) ⁷⁹ R. F. Service, »Problem Solved (sort of )«, Science, , , str. −.  T E O R I J E I N M O D E L I N A R A V E V K E M I J I * * * Narava v ljubosumju svojem lepote skriva nam neznane, ne bomo jih dosegli s strojem, dokler razum jih ne ugane.⁸⁰ Vsak, ki se je v šoli kdaj srečal s kemijo, se spomni kemijskih formul, jezika kemije (glej sliko ).⁸¹ Ljudje so kemijskim substancam sprva po- delili imena; danes za tovrstna poimenovanja uporabljamo izraz ‘trivi- alno ime’. Pri tvorbi imen so se v alkimističnih časih opirali zlasti na la- stnosti substanc in na njihov videz. Berzeliusu je leta  prvemu uspelo uvesti v poimenovanje sistematiko, ki se je opirala na rezultate kvanti- tativne analize ter na Lavoisierovo definicijo pojma element. Danes je sprejeta sistematična nomenklatura poimenovanja kemijskih substanc, ki jo od leta  uvaja IUPAC in katere glavni namen je poimenovati substanco na osnovi sistematične razčlembe glede na njene sestavne dele (fragmente). Imena po IUPAC so nedvoumna, a trivialnih imen niso povsem izpodrinila iz uporabe, saj so običajno precej nerodna in dolga. Ob koncu . stoletja se je za opis kemijskih substanc začel uporabljati kompaktnejši zapis, sestavljen iz črkovnih oznak za elemente (t. i. for- mula, ki predstavlja lingvistični simbol substance). Liebigov predlog iz leta  se upošteva še danes: empirična formula spojine je zbir črkov- nih simbolov elementov, ki spojino sestavljajo, pri čemer stehiometrijske faktorje pišemo podpisane k simbolu elementa (npr. H₂SO₄, kar pome- ⁸⁰ Vladimir Solov'ev, »Природа с красоты своей« (), prevod naveden po: F. Križanič, Nihalo, prostor in delci, Slovenska matica, Ljubljana , str. . ⁸¹ Ko čas odšteva mi še zadnja leta / in pišem test o smislu svojih dni, / izpolnim s križcem okence poeta / in s križci okenca še več stvari. / A spet in spet zaskoči me vprašanje, / ki pamet z nelagodjem mi vznemiri: / zakaj so v šoli vsilili mi v znanje / kup formul à la ha-dva-es-o-štiri? [...] Bil je nek fant, ki se je z znanjem mučil / še pri kemiji mu je dobro šlo. / A plavati se nikdar ni naučil / in grob njegov postal je H₂O. / Prav vse na urniku za pet je znal, / vse formule in jezik marsikteri, / a plavanje bi mu prišlo bolj prav / kot H₂O in H₂SO₄. [...] Da v nič ne šla bi piflanja nekdanja, / zavržana v sulfate in sulfide, / sem se domislil starega spoznanja, / da vsaka stvar čez sedem let prav pride. / Tako vse svoje znanje iz kemije / − naj mi profesor v raju ne zameri − / sem zbral v te verze šolske poezije / z naslovom čudnim H₂SO₄. (J. Menart, »H₂SO₄«, v: Spomin, Mladinska knjiga, Ljubljana , str. −.)  P O L I G R A F I ni, da je molekula sestavljena iz dveh atomov vodika, enega atoma žvepla ter štirih atomov kisika).⁸² V drugi polovici devetnajstega stoletja se je razvila strukturna teorija,⁸³ ki tudi danes predstavlja eno glavnih konceptualnih shem ke- mije. Teorija ne omogoča le vpogleda v fino strukturo molekul, tem- več je v oporo tudi pri tehnoloških izzivih, pri katerih imamo oprav- ka z manipulacijo molekul. Skupaj s sistematično klasifikacijo substanc na osnovi njihovih lastnosti ter z razvojem eksperimentalnih tehnik, ki omogočajo strukturne raziskave, je teorija pripeljala do uvedbe struk- turnih diagramov, formul, dvodimenzionalnih reprezentacij molekul (slika , levo). Takšno grafično reprezentacijo kemijske strukture lahko smatramo za univerzalni jezik kemije.⁸⁴ Strukturne formule in tridi- menzionalne predstaviteve molekul (slika ) služijo kot pomagala pri dojemanju strukture molekul v terminih makroskopskega opisa sveta; na D-strukturi predstavlja črka atom določenega elementa, črtica, ki povezuje dva elementa, pa predstavlja kemijsko vez (vezne elektrone). V D-reprezentaciji je atom elementa npr. kroglica, vez pa palčka ali vzmet ⁸² Za zanimivo diskusijo glede imena in empirične formule, kjer na primeru stavka »voda je HO« avtor pokaže, da ‘je’ ne moremo jemati v smislu identitete, glej: J. Simonian, »£e Para- doxes of Chemical Classification: Why ‘Water is H₂O’ is Not an Identity Statement«, Founda- tions of Chemistry, , , str. −. ⁸³ Glej npr. A. J. Rocke, »£e £eory of Chemical Structure and its Applications«, v: e Modern Physical and Mathematical Sciences, M. J. Nye (ur.), Cambridge University Press, Cam- bridge , str. −. ⁸⁴ O načinu sporočanja in sporazumevanja živih organizmov s pomočjo ‘govorice’ molekul glej: M. Tišler, Jezik molekul. Kemično sporočanje in sporazumevanje, Slovenska akademija zna- nosti in umetnosti, Ljubljana . Slika : Žveplova (VI) kislina. Empirična in strukturni formuli (levo) ter tridimenzionalni modelni reprezentaciji (desno), t. i. ‘ball-and-stick’ (A) ter ‘space- filling’ (B) molekulski grafiki.  T E O R I J E I N M O D E L I N A R A V E V K E M I J I med dvema kroglicama (t. i. ‘ball-and-stick’ oziroma ‘ball-and-spring’ model). Strukturni diagrami so zato modeli realnih molekul;⁸⁵ hipoteza o molekulski strukturi pravi, da je molekula zbir atomov, ki eksistirajo v molekuli kot samostojne entitete trirazsežnega realnega prostora in ki so med seboj povezani s kemijskimi vezmi. Kot smo že omenili, te hipo- teze ni moč izpeljati iz zakonov kvantne mehanike; na kvantnem nivoju klasična (makroskopska) slika strukture namreč izgine. Zgovorno pa je dejstvo, da so eksperimentalni rezultati v skladu s strukturno hipotezo ter z zgoraj opisanim D-modelom strukture. Ne glede na dejstvo, ali je tisto, kar vemo o molekulah vsaj deloma del tega, kar molekula v resnici je, bo naše znanje vedno vključevalo reprezentacijo, ki jo je ustvaril naš duh.⁸⁶ Strukturne formule niso zgolj slikovne reprezentacije molekul, ampak veliko več: substanco umeščajo v širšo mrežo kemijskih relacij z ostalimi substancami. Omogočajo nam misliti reakcijske mehanizme, torej načine, kako sintetizirati substanco iz drugih substanc, ter načine, po katerih lahko dana substanca reagira z ostalimi.⁸⁷ Joachim Schum- mer zato pravi, da je »znakovni jezik kemije pravzaprav ena izmed najz- mogljivejših napovedovalnih teorij v znanosti nasploh.«⁸⁸ Znak, ki ga simbolizira strukturna formula, je seveda treba interpretirati v okviru določene teorije, če želimo iz njega izluščiti hoteno informacijo, sicer je formula zgolj piktografska slika. Znanstvena veljava strukturnih formul ni le v tem, da združuje dana em- pirična dejstva, temveč da privleče na plano nova. Omogoča nam razmišljati o problemih soodvisnosti, povezav ter formacij reda, ki predhodijo neposredne- ⁸⁵ Prva številka šestega letnika revije HYLE − International Journal for Philosophy of Chemistry () je v celoti posvečena modelom molekul. (Modelom v kemiji sta posvečeni še drugi šte- vilki letnika  () in  ().) ⁸⁶ Zanimivo razpravo o pogledu, ki nam ga ponuja kvantna mehanika o fizikalni resničnosti, najdeš v knjigi Paradigms Lost: Tackling the Unanswered Mysteries of Modern Science (J. L. Casti, ). Sedmo poglavje z naslovom »Kako resničen je ‘resnični svet’?« je prevedeno v Razpol, , , str. −. Glej tudi: P. Mulder, »Are Orbitals Observable?«, HYLE − International Jour- nal for Philosophy of Chemistry, , , str. −. ⁸⁷ Podobnost naših predstav o interakcijah med molekulami in načinom interakcij med lju- dmi je nobelovca Roalda Hoffmanna pesniško navdahnila. Eno svojih pesmi zaključi z verzom: »Men (and women) are not / as different from molecules / as they think.« (R. Hoffmann, »Men and Molecules«, Synthesis, , , str. .) ⁸⁸ J. Schummer, »£e Chemical Core of Chemistry I: A Conceptual Approach«, HYLE − In- ternational Journal for Philosophy of Chemistry, , , str. −.  P O L I G R A F I mu opazovanju. S tem postane eden izmed najbol fascinantnih načinov tega, kar je Leibniz imenoval ‘logika iznajdbe’, logica inventiones.⁸⁹ Ker molekul ne moremo neposredno opazovati,⁹⁰ je njihova koncep- tualizacija teoretične narave. Osnovana je na izbiri in definiciji parame- trov, ki jo določajo.⁹¹ Struktura, ki jo določa model, je po drugi strani odvisna od eksperimenta, zato je pri testiranju teoretičnega modela za- nesljivost eksperimentalnih metod ključnega pomena. Če strukturne formule določenih kemijskih substanc pogledamo na enak način, kot to počnemo z objekti našega makroskopskega sveta (jih torej iztrgamo iz kemijskega koncepta), kmalu pridemo do tehnomorf- ne reprezentacije molekul, ki svoj navdih črpa v mehaničnih in elek- tronskih napravah. Strukturna formula v tem primeru ne predstavlja več kemijskega modela, temveč model stroja molekularnih dimenzij.⁹² Z vstopom kvantne in statistične mehanike skozi vrata fizikalne ke- mije se je v kemiji začela doba molekulskega modeliranja, ki vključuje številne teoretične metode in računske tehnike, ki posnemajo (modeli- rajo) vedenje molekul.⁹³ Pristop je redukcionističen, saj je osnovan na kvantnomehanskih zakonih oziroma na fizikalnih zakonih gibanja in interakcij med delci sistema. Z razvojem vse zmogljivejših računalnikov postajajo te metode uporabne tudi za opis bolj in bolj kompleksnih sis- temov (npr. proteinov). V kvantni kemiji se v glavnem uporabljata dva pristopa: ‘ab initio’ pristop je primeren za manjše sisteme (npr. dvoato- mne molekule), saj skušamo Schrödingerjevo enačbo rešiti karseda na- tančno (obravnavamo vse elektrone kemijskega sistema) brez uporabe eksperimentalnih podatkov (razen osnovnih fizikalnih konstant). Me- toda zahteva izračun ogromnega števila zapletenih večdimenzionalnih ⁸⁹ Prav tam. (Avtor citira: E. Cassier, Phylosophie der symbolischen Formen, .) ⁹⁰ Molekula je manjša od valovne dolžine vidne svetlobe, zato je ne moremo videti s pomo- čjo povečave. Slika, ki jo npr. dobimo s tunelskim mikroskopom, je zato ponovno le teoretični konstrukt. Dojemanje strukture molekule kot njeno intrinzično lastnost, kot smo že omenili, se v sodobni teoretični kemiji postavlja pod vprašaj ... ⁹¹ P. Zeidler, »£e Epistemological Status of £eoretical Models of Molecular Structure«, HYLE − International Journal for Philosophy of Chemistry, , , str. −. ⁹² V. Balzani, A. Credi in M. Venturi, Molecular Devices and Machines: Concepts and Perspec- tives for the Nanoworld, Wiley-VCH, Weinheim . ⁹³ Glej npr. A. R. Leach, Molecular Modelling: Principles and Applications, Prentice Hall, Har- low .  T E O R I J E I N M O D E L I N A R A V E V K E M I J I integralov in je zato izredno časovno potratna. Pogosto se poslužujemo poenostavitev, ki skrajšajo čas računanja. Ab initio računi nam služijo zlasti za preverjanje fizikalnega ozadja. Po drugi strani za večje molekule uporabljamo semiempirične izračune. Eksaktno reševanje valovne enač- be ni več mogoče (obravnavamo le valenčne elektrone) in pri računih si pomagamo z eksperimentalnimi podatki (npr. elektronske afinitete, ionizacijski potenciali) ter s številnimi poenostavitvami (v Hamiltonovi funkciji, v izračunu določenih molekulskih integralov, v valovni funkci- ji). Rezultati računov so odvisni od izbire parametrov, zato jih običajno vrednotimo primerjalno (primerjamo izračune za vrsto kemijsko podob- nih molekul). Semiempirični računi nam služijo zlasti za ugotavljanje elektronske strukture molekul ter pri interpretaciji določenih spektrov. Za biološke molekule, ki so sestavljene iz velikega števila atomov (več sto), je uporaba kvantnokemijskih računov omejena ter osredotočena zlasti na računanje odvisnosti parametrov, ki opisujejo deskriptorje ak- tivnosti molekule, od konformacije molekule oziroma od njene elek- tronske strukture. Pomembni tehniki za simulacijo molekul sta molekulska dinamika ter Monte Carlo; prva je deterministična, druga pa probabilistična.⁹⁴ Obe tehniki lahko slonita na klasični fiziki, lahko pa sta sklopljeni s kvantno teorijo. Molekulska mehanika je računalniška metoda, ki simu- lira gibanje atomov v molekuli oziroma gibanje posameznih atomov ali molekul v trdnem, tekočem ali plinastem agregatnem stanju. Osnova- na je na drugem Newtonovemu zakonu gibanja. Za izračun časovnega poteka gibanja simuliranega objekta (objektov) − določitev trajektorije gibanja − moramo poznati sile in hitrosti, saj rešujemo niz diferencial- nih enačb drugega reda. Sile, ki delujejo na posamezni atom, navadno izračunamo s pomočjo poprej izbranega polja sil.⁹⁵ Rezultat molekul- ⁹⁴ Glej npr. D. Frenkel in B. Smit, Understanding Molecular Simulation: from Algorithms to Applications, Academic Press, San Diego [idr.] . ⁹⁵ V molekulski dinamiki razumemo polje sil običajno kot skupek funkcij ter parametrov, ki jih uporabljamo pri računanju interakcij in ki definirajo, za koliko se lahko spremenijo dolži- ne vezi oziroma vezni (valenčni in dihedralni) koti molekule v primerjavi z njeno ravnotežno konformacijo. Polje sil običajno vsebuje veliko število empiričnih parametrov ter harmonski približek. Lahko vključuje člene, ki opisujejo interakcije med neveznimi atomi, elektrostatske interakcije, vodikovo vez ter druge strukturne efekte ... Rezultat simulacije je kritično odvisen od polja sil!  P O L I G R A F I ske dinamike so strukturne, termodinamične in transportne lastnosti sistema. Metoda Monte Carlo je stohastična računalniška simulacijska metoda. Sestoji iz naključnega vzorčenja konformacijskega/konfiguracij- skega prostora (npr. molekule). Na osnovi določenih pravil verjetnosti se odločimo, ali bomo energijsko stanje nove konformacije/konfiguracije sprejeli ali ne. Rezultat simulacije Monte Carlo so strukturne in termo- dinamične lastnosti sistema. Ker čas v simulaciji ne nastopa, transpor- tnih lastnosti ne moremo simulirati. Računalniki služijo kot orodje za računanje težkih in obsežnih mate- matičnih operacij pa tudi za grafično predstavitev dobljenih rezultatov (področje t. i. molekulske grafike).⁹⁶ Računalniška kemija je namreč di- sciplina, ki uporablja matematično-fizikalne metode za izračun lastnosti molekul ali za simulacijo obnašanja molekul. Vključuje npr. načrtovanje sinteze, iskanje po podatkovnih zbirkah, uporabo in izgradnjo kombi- natornih knjižnic, molekulsko modeliranje …⁹⁷ Klasična dihotomija (eksperiment−teorija) je zrasla v trihotomijo (eksperiment−teorija−ra- čunalniški eksperiment). V splošnem trojček počne sledeče: z eksperi- mentom empirično študiramo kemijske substance (npr. analiza, sinteza, fizikalno-kemijske lastnosti). Računalniški eksperiment nam omogoča računanje lastnosti substanc (npr. spektri, strukturne in fizikalno-ke- mijske lastnosti, kemijska reaktivnost). Teorija igra vlogo interpretacije rezultatov eksperimenta (realnega in računalniškega).⁹⁸ Da bi eksperi- mentalno opažene lastnosti realnih sistemov lahko razumeli ter jih znali tudi napovedati, stremimo k teoretičnim, modelnim opisom. K dobrim teoretičnim opisom nas pogosto silijo tudi časovne in ekonomske zah- teve, saj je račun običajno hitrejši in cenejši od eksperimenta. V procesu modeliranja ustvarimo modelni sistem, ki odgovarja realnemu sistemu. S pomočjo računalniške simulacije (npr. dinamike molekul ali simula- ⁹⁶ Molekulska grafika [molecular graphics] vsekakor odpira estetska vprašanja, ki pa se jim na tem mestu ne utegnemo posvetiti. Dve številki revije HYLE − International Journal for Philosophy of Chemistry (let. , ) sta v celoti posvečeni estetiki in vizualizaciji v kemiji. ⁹⁷ Računalniška kemija je izredno uporabna tudi v farmaciji (računalniško osnovano načrto- vanje zdravilnih učinkovin, konformacijska in klasterska analiza, doking, kemometrija itd.), saj pomaga pri snovanju učinkovitejših eksperimentov ter njihovi validaciji ter pri procesu iskanja potencialnih zdravilnih učinkovin. ⁹⁸ Glej tudi: R. B. King, »£e Role of Mathematics in the Experimental/Teoretical/Compu- tational Trichonomy of Chemistry«, Foundations of Chemistry, , , str. −.  T E O R I J E I N M O D E L I N A R A V E V K E M I J I cije Monte Carlo) dobimo v okviru predpostavljenega modela za koli- čino, ki jo študiramo, eksakten rezultat. Le malo primerov ponuja tudi eksaktno teoretično rešitev, zato so pri razvoju teorije vedno potrebne določene poenostavitve, aproksimacije, predpostavke. Eksakten rezultat računalniške simulacije nam služi kot test za ustreznost teoretičnih apro- ksimacij in nas vodi k boljšim teoretičnim rešitvam. Primerjava rezulta- tov simulacije in teorije predstavlja torej test za teorijo. Če je ujemanje rezultatov slabo, moramo popraviti teorijo. A vloga računalniške simula- cije je dvojna: poleg validacije teorije nam primerjava rezultatov realnega in računalniškega eksperimenta omogoča ovrednotiti modelni sistem. Če se rezultati računalniške simulacije razlikujejo od eksperimentalnih, nam to sugerira neustreznost modela za opis proučevane lastnosti sis- tema (glej sliko ). Ujemanja rezultatov eksperimenta in računa pa ne smemo razumeti zgolj v kvantitativnem smislu, temeč se pogosto za- Slika : Relacije med eksperimentom, računalniško simulacijo ter teorijo. (Prirejeno po: M. P. Allen in D. J. Tildesley, Computer Simulation of Liquids, Clarendon Press, Oxford , str. .)  P O L I G R A F I dovoljimo z modelom, katerega napovedi se vsaj kvalitativno ujemajo z eksperimentom, tj. model daje pravilne trende v fizikalno-kemijskih lastnostih sistema. Pogosto lahko z uvedbo dodatnih ali spreminjanjem obstoječih parametrov model izboljšamo do te mere, da daje kvantita- tivno ujemanje z eksperimentom. Modeli torej ležijo na meji med našimi predstavami o svetu ter objek- ti naših empiričnih raziskav. So (mentalni) konstrukti, ustvarjeni z na- menom pojasniti določen pojav, fenomen.⁹⁹ V kemiji z modeli poja- snjujemo kemijske pojave, hkrati pa nam služijo kot orodja za napoved obnašanja kemijskih sistemov pod določenimi pogoji, podanimi s sta- njem okolice. Izgradnja modelov (modeliranje) ima osrednjo vlogo pri razvoju znanstvenega spoznanja, pri čemer lahko modele, ki so produkt tovrstne aktivnosti, razumemo kot vezne člene med teorijo in izkustve- nim svetom (slika ). Modeliranje je običajno kompleksen proces in mnogokrat tudi cikličen; začnemo z določenimi preliminarnimi inter- pretacijami karakteristik objekta, ki ga proučujemo, kar nam omogoča, da s tem sam objekt bolje definiramo. Iterativni cikel je namenjen temu, da s sosledjem aproksimacij nazadnje pridemo do modela, ki zadovoljivo opiše/pojasni proučevani pojav (objekt). S procesom redukcije informa- cij, ki so nam na voljo o objektu, dobimo nazadnje model, ki temelji zgolj na manjšem številu za objekt karakterističnih aspektov. Modelira- nje ni stvar učbenikov: »Ko v znanstvenih tekstih iščemo navodila, ki bi nam povedala, kako graditi modele, ugotovimo, da je ponudba skopa. Izkaže se, da za modeliranje ni splošnih napotkov. Nekateri bodo trdili, da je to zato, ker modeliranje ni proceduralno, ker se ga moramo učiti, ne pa poučevati [has to be learned not taught].«¹⁰⁰ Modeliranje [...] je posredno teoretično raziskovanje fenomemov realnega sveta s pomočjo modelov. Poteka v treh fazah. V prvi fazi teoretik zgradi mo- del. V drugi fazi ga analizira, izboljšuje in dodatno artikulira njegove lastnosti ⁹⁹ »Model je nekaj, kar občudujemo oziroma posnemamo, vzorec [pattern], tipičen primer [a case in point], matrica [type], prototip, primerek [specimen], maketa [mock-up], matematični opis − skoraj vse od gole blondinke do kvadratne enačbe − in ima lahko s tistim, kar posnema, skoraj kakršnokoli simbolno zvezo.« (N. Goodman, Languages of Art. An Approach to a eory of Symbols, Hackett Publishing, Indianapolis , str. .) ¹⁰⁰ M. Morrison in M. S. Morgan, Models and Mediating Instruments, Cambridge University Press, Cambridge , str. .  T E O R I J E I N M O D E L I N A R A V E V K E M I J I in dinamiko. Nazadnje, v tretji fazi, določi zvezo med modelom in svetom, če je takšna določitev ustrezna. Če je model dovolj podoben svetu, potem je, po- sredno, analiza modela hkrati tudi analiza lastnosti fenomenov realnega sveta. Modeliranje tako vključuje reprezentacijo in analizo fenomenov realnega sveta s pomočjo modelov.¹⁰¹ Pri modeliranju se moramo najprej odločiti, kateri realni fenomen bomo z modelom proučevali, nato pa, kako bomo izbrani fenomen mo- delno opisali. Določiti moramo tudi kriterjie, s katerimi bomo napovedi modela vrednotili. Eden težjih aspektov modeliranja pa je prav gotovo določiti kriterije, ki nam bodo povedali, ali je naš model adekvaten za opis realnih fenomenov, tj., ali struktura modela ustreza kavzalni struk- turi realnih fenomenov.¹⁰² Relacija model−realni svet ni ena sama niti ni avtomatična.¹⁰³ Modele v kemiji lahko klasificiramo na stvarne in na abstraktne, le-te pa dalje na ikonične, analogne in simbolne (glej sliko ).¹⁰⁴ Lesene krogli- ce, povezane z lesenimi palčkami, ki odgovarjajo razporeditvi atomov in vezi v molekuli (t. i. ‘ball-and-stick’ model) je stvarni (materialni) mo- del molekule, Z−matrika, ki podaja opis atomov v molekuli s pomočjo njihovih internih koordinat, pa je abstraktni model molekule. Za opis istega realnega fenomena (npr. vezavo encima na substrat) lahko včasih uporabimo tako stvarni kot abstraktni model. Leta  je Emil Fisher predlagal komplementarnost geometrijskih oblik encima in substrata, kar poznamo danes pod imenom model ‘ključ-ključavnica’ (Schlüssel- ¹⁰¹ M. Weisberg, »Who is a Modeler?«, e British Journal for the Philosophy of Science, , , str. −. ¹⁰² Prav tam. ¹⁰³ Voda in vodne raztopine igrajo v (bio)kemičnih sistemih izredno pomembno vlogo. Ne gle- de na to, da je voda sestavljena zgolj iz treh atomov, ostaja modeliranje sistemov, ki jo vključu- jejo, trd teoretični oreh. Obstajajo modeli, ki vodo obravnavajo kot eno- ali dvodimanzionalno entiteto ter realistični tridimenzionalni molekularni modeli. D- in D-modela se vsekakor zdita nerealistična za opis realne vode. Če želimo z njima izračunati termodinamične količine in jih primerjati z eksperimentalnimi rezultati, sta D in D-modela dejansko neuporabna. Če pa je naš cilj razumeti izjemne lastnosti, ki jih ima voda, na molekularnem nivoju, pa sta takšna mo- dela izredno koristna. (A. Ben-Naim, Molecular eory of Water and Aqueous Solutions, World Scientific, New Jersey [idr.] .) ¹⁰⁴ Za obširnejšo analizo glej: J. Tomasi, »Models and Modelling in £eoretical Chemistry«, Journal of Molecular Structure (eochem), , , str. −; »Towards ‘chemical congru- ence’ of the Models in £eoretical Chemistry«, HYLE − International Journal for Philosophy of Chemistry, , , str. −.  P O L I G R A F I -Schloss-Model). Model je abstrakten, če pa za encim in substrat upora- bimo model ‘ball-and-stick’, pa gre za stvarni model. Abstraktni modeli v teoretični (računalniški) kemiji prevladujejo, saj gre večinoma za ma- tematiziran opis fenomenov. Klasifikacija ikonični/analogni/simbolni se nanaša na mero fizične in funkcijske podobnosti modela s tistim, kar reprezentira (referentom). Ikonični model je fizično podoben referentu, obstaja podobnost v for- mi, medtem ko ni nujno, da tudi funkcionira tako kot referent. Model ključ-ključavnica, realiziran s pomočjo reprezentacije molekul s krogli- cami in palčkami, je ikonični stvarni model, če pa ga narišemo na papir ali na zaslon računalnika, pa predstavlja ikonični abstraktni model. Za analogni model je značilno, da po svoji formi ni nujno, da ustreza refe- rentu, temveč da funkcionira podobno kot referent. Mnogi modeli, ki jih uporabljamo v kvantni kemiji (npr. togi rotator, harmonski oscila- tor), so abstraktni analogni modeli. Model molekule, ki sestoji iz kro- glic, povezanih z vzmetmi, predstavlja stvarni analogni model za opis molekulskih vibracij, medtem ko je model, ki ga za isti namen upora- bljamo npr. v simulacijah dinamike molekul, abstraktni analogni model. Simbolni model temelji zgolj na podobnosti v funkcioniranju. Večina simbolnih modelov je matematičnih (kvantna kemija, statistična me- hanika, termodinamika), a matematizacija ni pogoj.¹⁰⁵ Niz sklopljenih električnih oscilatorjev predstavlja npr. stvarni simbolni model za opis molekulskih vibracij, medtem ko niz sklopljenih diferencialnih enačb za opis tega fenomena označimo kot abstraktni simbolni model. Računal- ¹⁰⁵ Če Mendeljejev periodni sistem lahko smatramo za model, potem gre za nematematični abstraktni simbolni model. V isto kategorijo lahko uvrstimo tudi model molekule iz druge po- lovice devetnajstega stoletja. Slika : Tipologija modelov.  T E O R I J E I N M O D E L I N A R A V E V K E M I J I niška grafika danes omogoča, da lahko veliko modelov, ki so klasificirani kot analogni oziroma simbolni, prevedemo v ikonične (npr. predstavi- tev elektronske gostote, ki smo jo dobili iz molekulske valovne funkcije (abstraktni simbolni model), na ekranu računalnika kot ‘ball-and-stick’ molekula (abstraktni ikonični model)). Večina modelov v teoretični kemiji ima dve nalogi: omogočiti izračun določenih fizikalno-kemijskih lastnosti snovnega sistema ter omogočiti interpretacijo fizikalno-kemijskih fenomenov. Z znanstvenega in filo- zofskega vidika je interpretativni potencial modela pomembnejši. Dobri modeli in teorije ne smejo igrati zgolj instrumentalne vloge. Modele v teoretični kemiji lahko razdelimo na štiri komponente (slika ): snovna komponenta predstavlja materialni del tistega, kar opisuje model, fizi- kalna komponenta vključuje fizikalne interakcije, s katerimi opisujemo fenomen, matematična pa vključuje vse vidike modela, ki se nanašajo na opis fizikalnih interakcij v snovni komponenti modela. Interpretativna komponenta modela nato združi vse vidike raziskave, ki so potrebni za interpretacijo aplikacije matematične komponente na snovno, glede na določila fizikalne komponente modela. Obseg prispevka nam ne dopušča, da bi se spuščali v podrobno opi- sovanje modelov in teorij, ki se uporabljajo v kemiji. Področje je ogro- mno: od opisovanja narave snovi, kemijskih vezi, kemijskih ravnotežij, kemijske kinetike, do elektrokemije in ... Pripomnimo le, da vsak teore- tični pristop nujno pomeni izgradnjo modelnega sveta, ki ga lahko raz- delimo na sistem in na njegovo okolico. Natančna definicija, kaj pripada Slika : Osnovne komponente modelov, ki se uporabljajo v teoretični kemiji.  P O L I G R A F I sistemu in kaj okolici, je nujna za učinkovito teorijo/model, saj je stanje sistema običajno pogojeno s stanjem okolice ...¹⁰⁶ Naloga filozofije je, da ovrednoti teorije in modele (tako zavržene kot obstoječe),¹⁰⁷ naloga kemije pa, da izboljša obstoječe ter priskrbi nove. »Ljudje so dognali že marsikaj, še veliko več pa bo šele treba dognati. In tako bodo prihodnji rodovi spet imeli polne roke dela.«¹⁰⁸ In četudi bo nekoč velika teorija poenotenja res ugledala luč sveta, se zdi, da kemija ne bo ostala praznih rok ... Oor universe is like an e’e Turned in, man’s benmaist hert to see, And swamped in subjectivity. But whether it can use its sicht To bring what lies withoot to licht To answer’s still ayont my micht.¹⁰⁹ ¹⁰⁶ Za vprašanja kemijskih konceptov v luči sistemske teorije glej: M. Reiher, »A Systems £eo- ry for Chemistry«, Foundations of Chemistry, , , str. −; »£e Systems-£eoretical View of Chemical Concepts«, prav tam, str. −. ¹⁰⁷ Filozofijo je kemija začela zanimati razmeroma pozno, kar se pozna v številu razprav v pri- merjavi z razpravami, povezanimi s fizikalnimi ali biološkimi koncepti. Filozofija kemije se raz- cveti z letom , ko je v Londonu organizirana prva konferenca na to temo. Leta  začne izhajati revija HYLE − International Journal for Philosophy of Chemistry, leta  pa še revija Foundations of Chemistry. (Glej npr. J. van Brakel, »On the Neglect of the Philosophy of Che- mistry«, Foundations of Chemistry, , , str. −; E. R. Scerri, »Philosophy of Chemistry−A New International Field?«, Journal of Chemical Education, , , str. −; J. Schummer, »£e Philosophy of Chemistry«, Endeavour, , , str. −; K. Gavroglu, »Phylosophical Issues in the History of Chemistry«, Synthase, , , str. −.) − Pri nas sta se kemija in filozofija šele začeli srečevati. ¹⁰⁸ B. Brecht, Galileo Galilei, v: Šest iger, Mladinska knjiga, Ljubljana , str. . ¹⁰⁹ Hugh MacDiarmid, »£e Great Wheel«, v: Selected Poetry, Riach, A., in Grieve, M. (ur.), New Directions Books, New York , str. . − Približno bi lahko prevedli tako: Naše je ve- solje kot oko, / globini bistva posvečeno, / v subjektivnosti ujeto. / A če vid je dan, / da odkril bi svet onstran − / premajhen sem, povedati ne znam.