Инварианты в природе и природа ин

2.5. Фундаментальная и прикладная роль кибернетической энергодинамики
Хотя разработка энергетической модели живого предпринималась главным образом для того, чтобы выявить специфику и отличия живой материи от косной и определить границы жизнеспособности и способы управления ими (прежде всего — для медицинских целей), результат оказался для нас неожиданным и вначале даже обескураживающим. Оказалось, что принципиальных различий в энергетике между живыми и неживыми природными системами нет. Их отличия, как и отличия друг от друга разных наук, состоят лишь в природе процессов, изучаемых ими, но не в их принципах функционирования. Физику можно назвать наукой о самоорганизации электрических и магнитных процессов, астрономию — самоорганизацией механики с гравитацией, химию — самоорганизацией окисления и восстановления и т.д.

Таким образом, кибернетическая энергодинамика с законами самоорганизации может оказаться основой для искомых инвариантов природы. Однако, чтобы в этом убедиться, требуется согласовать друг с другом энергетические параметры разных наук. А для этого следует прежде всего выразить их в сопоставимых (одинаковых, стандартизованных) единицах. В качестве удобной для этого основы, применима электрохимия, обладающая определёнными достоинствами перед другими науками.

Проведенное количественное исследование энергетических параметров разных наук (химии, электрохимии, биохимии, и физики полупроводников) показало, что энергетические параметры этих наук согласуются между собой и, кроме того, обнаруживают единообразное квантование (см. следующий раздел). Это оказалось полезным не только для теории, но и для практики этих наук. Оно позволило, например, установить, что параметры зонной структуры широкозонных полупроводников имеют электрохимическую природу и могут быть определены через электрохимические потенциалы без проведения трудоёмких и неточных измерений физическими методами. И, наоборот, электрохимические и химические параметры узкозонных полупроводников, такие, как растворимость, которые у таких веществ настолько малы, что химическим способом практически неопределяемы, вычисляется из легко определяемых физических их параметров. Каталитическими свойствами и вообще реакционной способностью, например, электродов, можно управлять, используя наработки физики полупроводников по их модифицированию электроактивными примесями. Последнее открывает новый подход к управлению катализом, ингибированием, саморазгоном, самоорганизацией и другими кибернетическими схемами различных процессов.

Цитированная литература

1. 
   Разумников А.Г. Термохимические закономерности. // Тр. НПИ. 1956. Т.27/41.
   

2. Лидоренко Н.С., Оше А.И. О стандартных потенциалах электродов второго рода с соединениями серебра и зоная их структура. // Докл. АН СССР. 1980. Т. 250, №3. С. 658–661.

3. Полинг Л., Полинг П. Химия. М.: Мир, 1978. С. 321–323; С. 347–352

4. Notoya R. Matsuda A || Y. Phys. Chem. 1985. V. 89. P. 3922.

5. Оше А.И., Бороздина Н.Н. Абсолютные потенциалы и нулевые точки. // Тез. докл. V1 Всес. конф. по электрохимии. М.: АН СССР. 1982. Т. 2. С. 75.

6. Оше Е.К., Оше А.И. Стандартные потенциалы электродов, содержащих соли серебра и зонная структура этих солей. // Электрохимия. 1997. Т. 33. № 5. С. 523–528.

7. Семенкович С.А., Андреев А.А. и др. // Докл. АН СССР. 1982. Т. 257. С. 1154.

8. Оше Е.К., Розенфельд И.А. Коррозия и защита от коррозии. // Итоги науки и тенники. М. : ВИНИТИ. Т. 7. 1976. С. 111.

9. Оше А.И., Кабанов Б.Н. Исследование механизма коррозии металлов с помощью вращающегося дискового электрода с кольцом. // Новые методы исследования коррозии металлов. М.: Наука. 1973. С.73–79.

10. Оше А.И. Исследование кинетики анодного окисления пассивных металлов с

помощью потенциостатической хроноамперометрии. Там же. С. 80–88.

11. Оше Е.К. Анодное дефектообразование, нестехиометрия и фазовые превращения в оксидных плёнках на никеле. // Электрохимия. 1995. Т. 31. № 3. С. 307–312.

12. Оше А.И., Ловачёв В.А. Исследование анодного окисления никеля в области самоактивации. // Электрохимия. 1970. Т. 6. №9. С. 1419–1423.

13. Оше А.И. Влияние примесей на реакционную способность электродов в ХИТ.//

Тез. докл. Конф. «Перспективы научн.-техн. развития МГО КВАНТ ЭМП» М. 1990. С. 119–121.

14. Оше А.И. Системное рассмотрение токо-временных границ работоспособности ХИТ. Там же, С. 115–117.

15 Оше А.И. Зависимость характеристик твёрдофазного интегратора дискретного действия (ТИДД) от диффузионной стадии реакции. // Электротехнич. пром., серия ХИТ. 1979. Т. 4. № 8, С. 8–11.

16. Оше А.И. Зависимость характеристик ТИДД от тока обмена. Там же. 1979. Т. 5. С .4–6.

17. Оше А.И. Влияние плотности тока на омич. напряжение… Там же 1984. Т. 1, вып 94. С. 1–4.

18. Оше А.И. Влияние температуры на роль омич. напряжения …Там же. 1984. Т. 2, вып.2. С. 1–3.

19. Оше А.И. Полупроводниковый механизм саморегуляции метаболизма.// Тр. II Всес. Конф. «Термодинамика необратимых процессов и её применения». Черновцы: АН СССР. 1984. Т. 2. С. 323–325.

20. Оше А.И., Урусов К.Х. Электрохимическая модель метаболизма. // ЭМ поля в биосфере. М.: Наука. 1984. Т. 2. С. 133–144.

21. Оше А.И., Капустина Н.И. Электрохимическая самоорганизация как системная основа живого. // Гипотеза. 1992. № 1. М.: Томов. С.34–48.

22. Зайденман И.А., Оше А.И., Урусов К.Х. Биомембранный генератор.// Биофизика . М.: АН СССР. 1991. Т. 36. № 3. С.435–458.

23. Гомеостатика живых, технических и др. систем. // ред. Горский. Новосибирск : Наука, С.О. 1990. 350 с.

3. КВАНТОВАНИЕ ЭНЕРГИЙ ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ

А.И. Оше, Е.К. Оше

3.1. Введение

Ещё в годы обучения в Ленинградском Государственном Университете пришлось испытать удивление от не находившего объяснения ряда эмпирических правил в химии и физике, свидетельствующих об аддитивности некоторых параметров вещества. Была известна, например, аддитивность парахора, рефракций и др. Это наводило на мысль о том, что эти параметры квантованы и потому складываются как мозаика. Позже аналогичная закономерность была замечена и у некоторых параметров электрохимических и химических реакций, что подтверждало догадку о квантовании [1]. Оказалось, что если стандартные потенциалы Гиббса для всех этих процессов разместить на общей для них шкале, то можно заметить, что они располагаются на одинаковом друг от друга расстоянии, примерно равном или кратном 0,3 эВ [2]. Для более точного определения этой величины пришлось разработать специальный эмпирический метод кластерного анализа [3].
3.2. Эмпирический кластерный анализ

Эмпирический метод кластерного анализа имеет целью выявление квантования у совокупности однотипных данных. Он включает следующую последовательность приёмов. Визуально определяют наличие на линейной, общей для исследуемых данных, шкале явно выраженных их кучностей. Для них строят кривые распределения и находят наиболее вероятные значения и их среднеквадратичную ошибку. Затем проводят системную экспертизу факторов, влияющих на них, чтобы узнать, относятся ли все данные к единой совокупности, имеющей одинаковые статистические характеристики или в них действует несколько групп данных с разными параметрами. Затем для наиболее вероятных значений оцениваются расстояния между ними («шаг») и опорные для них величиы. При этом может оказаться, что в некоторых кластерах количество точек недостаточно для полноценного статистического анализа или что некоторые кластеры вообще отсутствуют, хотя, возможно, только потому, что в этой области просто ещё не проводились измерения. Чтобы не пропустить такие скрытые состояния и увеличить познавательные возможности анализа, применяется приём «накопления точек». Он заключается в суммировании точек однотипных совокупностей с помощью наложения их кривых распределения друг на друга при различных заранее заданных «шагах» и опорных значениях. Для полученной таким образом суммарной кривой распределения вычисляют наиболее вероятное её значение, среднеквадратичную ошибку и соответствующую ей статистическую надежность (доверительный интервал). Статистическую надежность в случае кривых распределения Гаусса определяют по соотношению шага и среднеквадратичной ошибки. Если в исследуемом случае действует не нормальный, а какой либо иной закон распределения, то это не столь существенно, т.к. требуется знать не абсолютные значения надежностей, а лишь их соотношение при одинаковом законе распределения. О наличии квантования уверенно свидетельствует статистическая надёжность, превышающая 90%. Предварительные оценочные значения параметров квантования затем уточняют с помощью приёма итерации. Для этого кластерный анализ многократно, под контролем статистической надёжности повторяют при различных, наперёд заданных сочетаниях опорной величины и величины шага. Итерация позволяет распознавать по максимальной надежности наиболее вероятные шаг и опорные значения, в том числе и среди шагов, кратных друг другу по величине. Для этого из них выбирается сочетание максимально вероятного шага с минимальной среднеквадратичной его ошибкой.

В случае смешанной совокупности данных с разными параметрами квантования для их разделения применяют следующий прием. Вначале под контролем надёжности проводят системную экспертизу признаков и факторов, влияющих на параметры квантования. Затем по наиболее эффективному фактору разбивают исследуемую совокупность на группы, которые исследуют по отдельности, уточняя методом итерации параметры их квантования. Для подтверждения правильности полученных выводов желательно завершить работу предсказанием и проверкой новых закономерностей на новом, ещё не исследованном экспериментальном материале. Очевидно, что наиболее точные результаты эмпирический метод кластерного анализа будет давать при достаточно большой величине выборки однотипных данных. Важно также, чтобы выборка составлялась из одного, не зависящего от исследователя, источника, данные которого используются без купюр, что оградит результаты от воздействия субъективного фактора.

3.3. Квантование электрохимических стандартных потенциалов

Первоначальный кластерный анализ всех приведённых в таблицах Милаццо [4] данных для стандартных потенциалов электрохимических систем в водном растворе дал обескураживающие результаты. Так, например, для 72-х потенциалов реакций ионизации металлов квантование имеет шаг, равный примерно 0,3 эВ, но с надёжностью, не превышающей 88%, что для выявления квантов явно недостаточно. Системная экспертиза влияния на эти потенциалы различных факторов, а именно: применение электролитических мостиков при измерении потенциалов, влияние энтропий (температурных коэффициентов) этих реакций, использование данных, рассчитанных по другим реакциям, влияние типов реакций и др. выявила, что наиболее значимым является величина и знак заряда ионов, принимающих участие в электродной реакции. Разбивка по этому фактору всей исследуемой совокупности потенциалов привела к возрастанию статистической надежности квантования в каждой из исследованных групп данных не менее, чем до 97% [3,5]. С достаточно высокой степенью надёжности установлено, что опорные потенциалы смещаются на (–0,06 В) для катионов и на (+0.06 В) для анионов каждый раз при увеличении заряда иона на единицу. Единственным исключением из этого правила является катион водорода, который ведёт себя как двухвалентный, что можно объяснть высокой плотностью его заряда из-за слишком малого его размера. Было показано, что смещение потенциалов с изменением заряда ионов обусловлено взаимодействием ионов со средой — растворителем, что отражается в величине сольватных чисел. Введение в табличные данные поправки на энергию гидратации ионов заметно увеличивает надежность квантования. Так, например, для одновалентных катионов квантование стандартных потенциалыов с шагом 0,3 эВ достигает статистической надёжности 99,8%. Если провести экстраполяцию опорных потенциалов на потенциал реакций с зарядом ионов, равным нулю, то получим нулевой опорный потенциал, характеризующий свойства самого растворителя. Для водных растворов он одинаков у всех исследованных реакций и равен (+0,12 В ) по НВЭ.

В электрохимии принято в справочниках давать стандартные потенциалы в расчёте на один электрон, тогда как реально в реакциях может участвовать «n» электронов. Поэтому следует рассматривать не расчётные табличные одноэлектронные реакции, а реальные вольтэквиваленты. В таком случае обнаруживается, что смещение стандартных вольтэквивалентов в зависимости от заряда иона происходит не по линейной, а по квадратичной зависимости аналогично квадратичной зависимости энергии электона в атоме.

Аналогичные закономерности, но только с несколько меньшей статистической надёжностью из-за недостаточного количества данных, получены и для стандартных электрохимических потенциалов реакций в 18-ти различных неводных растворах [6].

Такое же квантование энергий установлено и в случае химических, биохимических и многих других процессов.

3.4. Квантование энергий химических и других констант
С помощью специального эмпирического кластерного анализа, разработанного для этой цели, удалось подтвердить это с достаточно высокой статистической надежностью на примере стандартных потенциалов ионизации металлов и выделения свободных галоидов из водных и неводных растворов. Это было подтверждено и для многих других энергетических параметров однотипных реакций: потенциалов электродов второго рода [5,7] и многих других электрохимических, химических и биоэлектрохимических реакций, а также для логарфмов констант различных химических процессов, в том числе — констант диссоциации кислот и оснований [8], констант растворимостей, комплексообразования и конденсации, теплот горения и взрывов [9]. При этом оказалось, что если стандартные потенциалы Гиббса для всех этих процессов разместить на общей для них шкале, то можно заметить, что в первом приближении все они располагаются не только на одинаковом друг от друга расстоянии, равном и /или кратном 0,3 эВ, но и на одних и тех же одинаковых значениях.

Найденные кластерным анализом квантованные («разрешённые») значения потенциалов и соответствующие им энергии химических процессов определяют собою квантование всех зависящих от них химических, электрических и физических свойств вещества. Несмотря на казалось бы небольшую величину кванта энергии 0,3 эВ, ему отвечает изменение всех этих свойств каждый раз на пять порядков величины при изменении энергии на один квантовый шаг из-за логарифмического закона их связи. На каждый квант энергии реакционная способность, растворимость, константы кислот, щелочей, комплексообразования и других химических свойств, а также и различные физические, полупроводниковые и многие другие свойства веществ изменяются каждый раз в сто тысяч раз [10]. С позиции химии этот квант энергии представляется минимальным. Он равен энергии наиболее слабой химической (водородной) связи. А в биохимии, наоборот, его называют энергией макроэргической связи (она равна величине фосфатной связи). Однако во всех случаях этот квант одинаков и не зависит от конкретного процесса, вещества или среды. Заметим, что квантованию стандартных потенциалов соответствует изменение энергии одного моля любого вещества, а т.к. в одном моле содержится одинаковое количество частиц, то это эквивалентно утверждению, что полученный квант относится к каждой отдельной частице вещества.

Если все установленные разрешённые значения потенциалов разных реакций и процессов расположить на единой шкале, тогда обнаруживаются не только одинаковые расстояния между разрешенными значениями этих потенциалов, но и то, что сами эти значения у любых процессов и в любых средах, в которых они протекают, оказываются одинаковыми и попадают на одни и те же разрешённые значения. И все эти значения энергий пропорциональны только целому числу квантов.

Итак, полученные результаты означают, что квантование энергий связано с действием какого-то общего, единого для всех процессов в природе фактора. Таким фактором, возможно, может быть какой-либо материальный носитель энергии. Им не могут быть электроны, т.к. моль электронов имеет стандартную энергию, равную 0,059 эВ, т.е. в пять раз меньшую, чем 0,3 эВ. Скорее, им могли бы быть протоны, имеющие стандартную энергию 0,3 эВ или квантованный флогистон, имеющий энергию, в два раза большую [11]. Им может быть и сама среда, в которой проводятся измерения, если её энергия квантована с квантом 0,3 эВ. Такой всеобщей средой может быть, например, вакуум.

Итак, приходим к выводу о возможности фундаментальной определяющей роли вакуума как общей для всех природных систем среды, роль которой аналогична роли растворителя в электрохимических процессах в разных растворах. В таком случае, следует ожидать существования аналогичного квантования энергий и самого вакуума, и всех других, связанных с ним энергетических и зависящих от них неэнергетических параметров и свойств природных систем. Таких, например, как массы отдельных целостных объектов или связанные с массами геометрические их размеры. В этом случае и сам квант энергии вакуума, и другие энергетические кванты природных систем должны быть материальными его носителями. Квантованы должны быть и зависящие от них все другие, в том числе неэнергетические и нематериальные свойства природы. Проверить согласование квантования энергий и других свойств природы оказалось возможным на примере исследования согласования энергий и масс целостных природных систем, для которых в настоящее время имеются достаточно точные данные, определённые в широком диапазоне значений.

Цитированная литература

1. 
   Оше А.И., Бороздина Н.Н. Дискретность значений стандартных потенциалов // Тез. докл. VI Всес. Конф. по электрохимии. М.: АН СССР. 1982. Т. 2., С. 74.
   

3. Оше Е.К., Оше А.И. Системный кластерный анализ электрохимических данных. // Вестник Тамбовского Университета. 2002. Т. 2, вып. 7. С.263–267.

4. Milazzo S. Tables of Standardard Electrodes Potentials. NJ. Wiley. 1978.

5. Оше Е.К., Оше А.И. Стандартные потенциалы электродов, содержащих соли серебра и зонная структура солей. // Электрохимия. 1997. Т. 33. № 5. С.523–528.

6. Оше Е.К., Оше А.И. Кластерный анализ потенциалов ионизации серебра в водной и других конденсированных средах. // Матер. Конф. ФАГРАН-2002. Воронеж: С. 110.

7. Лидоренко Н.С., Оше А.И. О стандартных потенциалах электродов, содержащих сои серебра и собственной разупорядочености этих солей. ДАН СССР. 1980. Т. 250. №3. С.653–661.

8. Полинг Л., Полинг П. Химия. М.: Мир. 1978. С. 321–323, 347–352

9. Разумников А.Г. Термохимические закономерности. // Тр. НПИ. Новочеркасск: Мин. Высш. Образ. 1956. Т.27/41. С. 78–135; 1948. Т.19/33 С.72–93.

10. Оше Е.К., Оше А.И. Квантование энергий как основа квантования свойств природных объектов. // Математические. методы анализа цикличности в геологии. М.: МГОУ, МОИП. 2004. Т. 2. С.19–22.

11. Разумников А.Г. Термохимические закономерности. // Тр. НПИ. Новочеркасск: Мин. высш. обр. 1956. Т. 27/41. С.78–135; 1948. Т. 19/33. С.72–93.

4. КВАНТОВАНИЕ РАЗНЫХ СВОЙСТВ ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ

4.1. Кластерный анализ масс целостных природных систем [1]

В таблице 1 приведены вычисленные нами логарифмы экспериментальных значений масс различных целостных природных систем, от элементарных частиц до космических объектов, которые были взяты из работ, указанных в соответствующих ссылках. Массы измерены в килограммах. Логарифмы масс для удобства сравнения их друг с другом поделены на величину квантового шага, определённого вначале кластерным анализом этой совокупности масс. Для данной совокупности он оказался равным 0,301 со статистической надёжностью 99,8%. В таблице дано в % отклонение этих величин от вычисленных теоретически для этого шага [1]. Нулём отсчета служит логарифм массы, равной одному килограмму.

Таб. 1. Логарифмы масс природных систем, поделённые на 0,301 и ошибка в %