«Высшая школа Казахстана», №2, 2017 (18), С. 46 – 50.

Инновации в фундаментальной науке – фактор преодоления кризиса в естествознании

Утелбаев Б.Т., Сулейменов Э.Н.

Казахстанско–Британский Технический Университет

В 2003 году Конгресс Соединенных Штатов Америки принял закон о нанотехнологии: «21st Century Nanotechnology Research and Development Act» («Об исследовании и развитии нанотехнологий в XXI веке»). Закон был направлен на закрепление американского лидерства в области техники и экономики путем обеспечения устойчивой долгосрочной поддержки теоретических и прикладных научных исследований. Согласно этому документу пять государственных организаций получили от государства для проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области нанотехнологий финансирование в размере 3,7 млрд. долларов сроком на четыре года. Среди этих организаций такие стратегически важные ведомства как Национальный научный фонд, Министерство энергетики, Национальный институт стандартов и технологий, Национальное аэрокосмическое агентство (NASA), Управление по охране окружающей среды. В эту сумму не вошли инвестиции, вкладываемые Министерством обороны США, Министерством национальной безопасности и Министерством здравоохранения. Принятие этого закона явилось кульминацией эйфории, которая овладела умами научных работников в связи с перспективами этого научного направления, которое было призвано решить давно назревшие проблемы в деле создания инновационных технологий для создания новых материалов, «зеленой энергетики», «зеленой химии», комплексном использовании минерального сырья, переработке отходов промышленности и бытовой техники, снижения негативного влияния деятельности человека на природу и т.п. и т.д. Весь комплекс этих проблем объединяет термин «устойчивое развитие», в отношении которого деятельность международных организаций, правительств многих стран, общественных организаций и научных сообществ активизировалась с 1989 года. С конца XX века особые надежды стали возлагаться на нанотехнологии. В основе надежд на нанотехнологии лежала кажущаяся возможность решить проблемы с производством новых материалов с заранее заданными свойствами, используя контролируемое построение микроструктуры новых материалов и прогнозирование хода технологических процессов. В этом модном научном направлении были изданы многочисленные монографии, статьи и разрабатывались многочисленные технические решения по созданию инновационных материалов и инновационных технологий. Прошло более 10 лет и мировая научная общественность убедилась, что «нанотехнологии», в том виде как они рекламировались, не могут обеспечить массовое производство необходимых продуктов и материалов, а в основе получения инновационных материалов лежат обычные физико – химические или химические процессы, связанные с фазовыми переходами. Как результат в 2016 году в Конгрессе США (Chemical & Engineering News, 2016, American Chemical Society, ISSN 0009-2347) лоббируется закон о химии и создана группа, в задачу которой входит разъяснения сенаторам значения химии для промышленного производства и экономики в целом. Фактически это означает, что надежды, связанные, с нанотехнологиями, не оправдались. Поэтому в ряде стран предпринимаются большие усилия для решения насущных задач в актуальных направлениях. Так, например, в Китае в 2014 году на финансирование исследований и технических разработок потратили 2% своего валового внутреннего продукта - $ 345 миллиарда. Для сравнения 28 стран-членов ЕС за это же время - $ 334 миллиарда. В Китае наблюдается постоянный рост финансирования науки: 0,9% ВВП в 2000 году и более чем 2% в 2014 году. При этом правительство КНР уделяет гораздо большее внимание фундаментальной науке и создало финансовые учреждения для поддержки ученых, работающих в этой области исследований. Расходы США пока остаются стабильными – в 2000 году 2,5% и 2,7% ВВП в 2014 году. В средствах массовой информации научных сообществ отмечается, что правительство Индии решительно поддерживает различные научные начинания в фундаментальных и прикладных исследованиях, в частности, планируется сделать Индию лидером в области солнечной энергетики.

Следует отметить, что мероприятия в области устойчивого развития не ограничиваются только увеличением финансирования исследований. Странами с развитой научной инфраструктурой целенаправлено организовывается привлечение к исследованиям дееспособных ученых всего мира – глобализация научных изысканий. Так, например, у журналов Американского химического общества две трети читателей и авторов работают за пределами США. За последние пять лет этими журналами опубликовано 48 000 статей из Бразилии, Индии, Китая и Южной Кореи. В этих журналах 48 младших редакторов и 228 членов редакционных совета из этих стран. И это не считая сотрудников и стажеров научно – исследовательских организаций. Эти, далеко не полные с ведения, об организации исследований в актуальных научных направлениях свидетельствуют о попытках решить проблему «штурмом». Безусловно, это приводит к неоправдано высоким затратам человеческого труда и завышенным финансовым расходам. Так, чем же объяснить сложившуюся ситуацию? Причина кроется в наличии кризиса в естествознании. Как ни странно, увеличение числа экспериментальных данных, которые с точки зрения существующих представления считаются аномальными, обуславливают все большее внимание экспериментальному решению актуальных задач в научных исследованиях. Между тем, это обстоятельство должно диктовать необходимость развития глубоких фундаментальных исследований с целью пересмотра некоторых научных положений и теорий, которые считаются незыблемыми..

Ретроспективный анализ научной литературы показал, что истоки этого кризиса лежат на рубеже XIX и XX веков. Развитие естественных наук, их «специализация» и создание аналитических приборов, позволяющих исследовать наноструктуры конденсированных систем, сделали науку производительной силой. Захватывающие перспективы технического развития сделали прикладные исследования приоритетом в мировом масштабе. На этом фоне исследования в области взаимоотношения энергии и материи перестали носить приоритетный характер, хотя еще в 1913 году Ф. Содди писал: ««…законы, выражающие взаимоотношения энергии и материи, играют важную роль не только в чистой естественной науке» [1, с. 14]. Между тем, до сих пор в науке нет четко сформулированного понятия «энергия», как нет и четкого описания явлений, происходящих при передаче энергии от одного материального объекта к другому. Имеющиеся в литературе описания различных видов энергии (электрической, тепловой, световой и др.) имеют разночтения, механизм передачи различных видов энергии также не может считаться удовлетворительным с научной точки зрения. Особенно ярким примером является трактовка механизма транспорта электрического тока через неорганические водные растворы и высокотемпературные оксидные расплавы, хотя реальный взгляд на эту проблему имеет не только фундаментальное, но и большое практическое значение. Детальное рассмотрение трактовки вопроса об электропроводности конденсированных систем привело к неожиданному результату. В известной научной, научно-технической литературе и патентных исследованиях отсутствует четкая формулировка понятия «электрический ток», вернее – «электрическая энергия». Согласно /2-8/ электрический ток – это поток электрических зарядов. При этом даже такое фундаментальное определение изобилует разночтениями: электрический ток – это:

– упорядоченное (направленное) движение электрически заряженных частиц или макроскопических тел /2/;

– перемещение носителей заряда /3/;

– поток электрических частиц /4/;

– внутреннее движение электронов в веществе /5/;

– упорядоченное (т.е. имеющее определенное преобладающее направление) движение электрических зарядов /6/;

– проводник электричества – это твердое тело, в котором есть много «свободных» электронов /7/.

Все эти определения не ограничивают точек зрения. В /8/ электрическим током назван и поток капель дождя. В большинстве случаев электрический ток трактуется как направленное движение электрических зарядов. Что же понимается под электрическим зарядом:

– источник электрического поля, связанный с материальным носителем;

– величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия заряженных частиц;

– «каждое заряженное тело – это система зарядов» /7/;

– источник электромагнитного поля, связанный с материальным носителем; внутренняя характеристика элементарной частицы, определяющая ее электромагнитное взаимодействие /2/;

– физическая величина, определяющая энергию взаимодействия электрически заряженных частиц (электронов, протонов, позитронов и др.) с электромагнитным полем /6/;

– взаимодействие электрически заряженных частиц /3/;

– в /4/ этот вопрос обходится «в силу его известности»;

– «электрический заряд частицы является одной из основных, первичных ее характеристик. Ему присущи следующие фундаментальные свойства:

а) электрический заряд существует в двух видах: как положительный, так и отрицательный;

б) в любой электрически изолированной системе алгебраическая сумма зарядов не изменяется, это утверждение выражает закон сохранения электрического заряда;

в) электрический заряд является релятивистски инвариантным: его величина не зависит от системы отсчета, а значит не зависит от того, движется он или покоится /8/.

Т.е., в общем виде, понятие «электрический заряд» - это некая мера взаимодействия между материальными объектами и сопоставление понятий приводит к парадоксу: электрический ток является направленным движением меры взаимодействия между элементарными частицами. Очевидно, что такое понимание электрических явлений и электрической энергии категорически неприемлемо для инженерного использования и создания технических решений. Поэтому в химии применяются более простые определения: «электрон – стабильно-элементарная частица, обладающая элементарным зарядом и наименьшей из известных массой покоя, является основным вещественным субстратом химического взаимодействия». Это перекликается с /9/, где электрон рассматривается в качестве элементарного электрического заряда, т.е. минимального электрического заряда, которому кратны все электрические заряды. Из этого может следовать и такой вывод: электрический ток – это поток электронов. Вот с таким понятием можно оперировать при создании технических решений различного назначения. Приведенный пример также демонстрирует глубокие различия в подходах химиков и физиков к одной и той же проблеме в естествознании. Но формулировка, что электрический ток – это поток электронов находится в противоречии с существующим пониманием механизма токопередачи в электролитах. По современным понятиям электропроводность жидкости обеспечивается транспортом ионов (анионов и катионов) к электродам [например, 3]. Характерны и подходы к обоснованию передачи тока ионами-носителями заряда в научно-технической литературе. Так, в [10, стр. 4] говорится: «Прямым доказательством электролитической диссоциации жидких шлаков является возможность электролиза в них и величина удельной электропроводности». В [3], несмотря на достаточно большой временной промежуток, прошедший после опубликования [10], приводится еще более простой довод: «Прямым доказательством существования ионов в растворе является то, что раствор может проводить электрический ток» (стр. 366). И в том, и в другом случае происходит подмена тезиса, и доказательства такого рода носят скорее умозрительный характер, нежели строгое экспериментальное или математическое обоснование механизма передачи электрического тока через жидкость. Аналогичные выводы приведены и в [11]. Вызывает удивление, что сторонники различных точек зрения на механизм передачи электрического тока через жидкость вот уже более 100 лет «ломают копья», решая эту проблему. Ведь еще в 1859 году М. Фарадей экспериментально показал, что «электролиз вызывается не дальним притяжением, а местным током, и происходит он только в местах прохождения тока» [12]. В XX веке был накоплен огромный экспериментальный материал, который подтверждает правильность взглядов М. Фарадея о воздействии электрического тока на химические реакции. Тем не менее, научное сообщество продолжает придерживаться ошибочных взглядов, что заставляет тратить излишние средства и усилия на решение актуальных практических задач. Поскольку в работе М.Фарадея не присутствовало деление на «физику» и «химию», это позволило гениальному ученому сделать обобщения, которые на первых порах предопределили развитие естественно -научных дисциплин:

1. Аналогичность энергетических проявлений при взаимодействии материальных объектов.

2. Дискретный характер электрического тока.

Признание дискретного характера электрического тока практически способствовало открытию элементарной частицы – «электрона». Однако это открытие привело к поляризации взглядов на взаимоотношения энергии и материи и предопределило развитие современного кризиса в естествознании. Развитие исследования микромира (строение атома, разработка атомного оружия, развитие атомной энергетики) оставили «за бортом» фундаментальных исследований один из самых гениальных выводов М. Фарадея - аналогичность энергетических проявлений при взаимодействии материальных объектов. И хотя мы на практике встречаемся с подобными аналогиями на каждом шагу (трибоэлектрические эффекты, многообразие энергетических проявлений в ходе химических реакций и т.п.), недостаточное междисциплинарное взаимодействие в науке не позволяет перейти к более реальным взглядам на процессы в различных технологиях и процессы в природе.

Американским химическим обществом было проведено несколько конференций и симпозиумов, одной из целей которых была организация широкого сотрудничества химиков и физиков для разработки фундаментальных предпосылок для дальнейшего усовершенствования и развития технологий получения инновационных материалов, создания возобновляемых источников энергии и защиты природы от техногенных воздействий. Анализ научно – технических и общественных публикаций показал, что это сотрудничество пока не вышло на необходимый уровень. Но в результате анализа широкого обсуждения возникших проблем обнаружилась необходимость уточнения механизма передачи тепла от одного материального объекта к другому.

В Казахстанско – Британском Техническом Университете в течение ряда лет проводились исследования в фундаментальном направлении, которое обозначил М.Фарадей. На первом этапе этих исследований было показано, что микроструктура неорганических водных растворов и оксидных расплавов имеет молекулярное строение, а эти жидкости имею электронный тип проводимости. Было обнаружено явление коацервации оксидных расплавов под влиянием переменных электромагнитных полей и механических колебаний; выявлена анизотропия проводимости расплавов и показано влияние ориентации молекулярных диполей на величину электропроводности расплава; выявлена аномально высокая электрофоретическая подвижность твердых частиц в расплавах и др. [например, 13, 14]. Была показана возможность использования дискретного характера потока элементарных частиц – электронов для организации необычных химических реакций [15]. Т.е., было показано, что М. Фарадей определил правильный путь и логику научного исследования. В своей работе [12, стр. 40] М. Фарадей указал, что «Между теплопроводностью и электропроводностью металлов существует замечательное соотношение, установленное в 1853 г. Физиками Видсманом и Францем: при данной температуре отношение коэффициентов теплопроводности и электропроводности есть величина постоянная». Этот факт говорит об аналогичности явлений при передаче тепла и электрического тока между материальными объектами. Поэтому на втором этапе исследований была поставлена задача: уточнить механизм передачи тепла от одного материального объекта к другому. В истории химии существовала теория передачи тепла от одного материального объекта к другому с помощью некоей жидкости, которую называли «теплородом» или «флогистоном». Под флогистоном подразумевалась гипотетическая «сверхтонкая материя», якобы наполняющая все горючие вещества и высвобождающаяся из них при горении. Этот термин был введён в 1667 году Иоганном Бехером и независимо от него в1703 году Георгом Шталем для объяснения процессов горения. Флогистон представляли как невесомый флюид, улетучивавшийся из вещества при сжигании [16]. Некоторые эксперименты с нагретыми в разной степени телами так хорошо описывались в рамках этой «флогистонной теории», что даже можно было предсказывать результаты процесса, если были известны начальные условия. Причиной для отказа от этих взглядов послужили эксперименты, в которых выяснилось, что «количество теплорода» не сохраняется. Т.е., совершая работу, внешние силы могут производить «теплород» в произвольных количествах. В 1770-х годах теория «теплорода» была опровергнута благодаря работам Антуана Лавуазье. Однако, говоря о теории флогистона, Содди указывал: «Самый дух химии толкал ее к чистому материализму. Позднейшие защитники теории флогистона совершили роковую ошибку, они его материализовали. С воцарением в науке весов и взвешивания, как критерия материального бытия, флогистон, как материальная субстанция, был отвергнут, и сама теория попала в совершенно незаслуженную немилость. А между тем в своей первоначальной форме он на столетие с лишком предвосхитил современное учение об энергии… Джоуль повторил этот опыт в другой форме. Он просто взбалтывал воду, которая от этого не претерпевала никаких физических изменений, кроме поднятия температуры, и установил принятый и в наше время взгляд, что источник такой теплоты – в затрачиваемой на нее силы или энергии». В этом тезисе есть весьма примечательные обстоятельства: переносчик тепла, как материальная субстанция был отвергнут с воцарением в науке весов и взвешивания – другими словами, не была сделана попытка поставить эксперимент по определению веса «теплорода»; при взбалтывании воды считалось, что она не претерпевает никаких физических изменений, поскольку доминировала теория Аррениуса и структура воды считалась континуальной. Нами было четко показано, что структура воды имеет молекулярное строение, т.е. при взбалтывании воды на первый план выходят трибоэлектрические эффекты, которые вызывают изменение температуры воды при взбалтывании. А величина трибоэлектрических эффектов зависит от «затрачиваемой…силы или энергии». Следовательно, до «материализации» переносчика тепла оставался всего один шаг, который наука так и не смогла сделать за сто лет. По общепринятым определениям в научно-технической литературе, теплопередача является процессом переноса тепловой энергий от более нагретых частей тела к менее нагретым частям, что приводит к выравниванию температуры системы. При этом бесконечное малое изменение состояния системы при теплообменных процессах описываются фундаментальными уравнениями Гиббса [17]. В фундаментальных уравнениях Гиббса функции состояния U, H, A, G и S выражают энергетические характеристики, которые в явном виде не отражают непосредственную связь их с материальными составляющими системы. Следует подчеркнуть, что все эти названные функций являются также «понятийными выражениями», которые введены исследователями для описания свойств системы состоящих из материальных объектов. В этой связи химический потенциал, который включен в классические уравнения, выражает энергетическую характеристику и природу материального объекта. В рассматриваемом случае химический потенциал отражает «энергетическую характеристику и природу частиц переносчиков теплоты». Если состояние системы изменяется вследствие передачи тепловой энергии извне, то можно полагать, что изменяется

химический потенциал системы за счет изменения количества переносчиков теплоты — «теплотронов». Термин предложено в [18, 19]. Очевидно, что сумма произведений химического потенциала переносчика теплоты (интенсивная величина) на изменение его количества или на число частиц (экстенсивная величина) представляет величину тепловой энергии, поглощаемой или выделяемой в виде теплоты. В результате переноса теплоты «теплотронами» и выравнивания «химических потенциалов» устанавливается тепловое равновесие в системе. Данное внутреннее равновесие косвенно характеризуется параметрами состояния, такими как температура, давление, объем и др., что характеризует макроскопические свойства системы. При воздействии извне механической, электрической или тепловой энергии в системе протекает неравновесный процесс, и происходит выделение теплоты, т. е. «теплотронов», что приводит к изменению параметров Т, Р, V, S и др. В результате система переходит в другое состояние. В реальном мире тепловой поток имеет место и элементами этого потока (согласно , классическим уравнениям) являются элементарные частицы с соответствующим химическим потенциалом. В этом отношении теория «теплорода» изначально базировались на материальной основе.

Приведенные выше рассуждения были использованы для расчета массы «теплотрона». На основании использования термохимических данных теплоты сгорания водорода для закрытой системы вычисленная масса «теплотрона» составляет 5,15-10-36 кг. Рассчитанная скорость «теплотрона» в вакууме близка к скорости света и в зависимости от температуры составляет 3,0 . 107 - 3,0 . 108 м /с.

Указанные выше примеры говорят о важности ретроспективного анализа достижений науки и необходимости пересмотра ряда устоявшихся научных воззрений в области взаимоотношения энергии и материи.

Заключение

Показано, что классические исследования М. Фарадея и других корифеев науки носят не только теоретический характер, но имеют большое практическое значение при разработке инновационных решений в различных областях промышленности.

Проведенные фундаментальные исследования по микроструктуре неорганических водных растворов, оксидных расплавов и механизме электропроводности этих объектов имеют высокий научный уровень и некоторые разделы этого исследования не имеют аналогов в мировой научной литературе. Но общая направленность этих исследований лежит в русле мировой науки, и аналогичные исследования широко обсуждаются в различных научных изданиях.

Фундаментальные исследования по механизму теплопередачи между материальными объектами являются абсолютной инновацией и вносят огромный вклад в естествознание.

Проведенные в Казахстанско – Британском Техническом Университете фундаментальные исследования создают эффективные стартовые условия для преодоления современного кризиса в естествознании.

Это обстоятельство дает основание для государственной поддержки фундаментальных исследований в этом научном направлении, результаты которого будут иметь большое практическое значение. Как известно «при отказе от старой научной концепции и переходе к новой технические решения «сыплются как из рога изобилия».

Поскольку во всем мире используется новая парадигма обучения, требуется создание механизма преодоления консервативности образования для создания предпосылок устойчивого развития общества. Наиболее важным аспектом инноваций в использовании результатов современных фундаментальных исследований в процессе обучения является диалектический подход и аналитические рассуждения в преподавании естественно – научных дисциплин и применение новых знаний в преподавании профилирующих дисциплин при подготовке специалистов с высшим образованием.

Литература.

1.Ф. Содди. Материя и энергия. Издательство «Природа», Москва, 1913 год, 182 с.
2.Джуа М. История химии. М.: Мир, 1975, 477 с.
3.Эткинс П. Физическая химия. М., 1980, т. 1, 490 с.
4.Парселл Э. Электричество и магнетизм. 1971, 448 с.
5.Китайгородский А.И. Введение в физику. М., 1973, 688 с.
6.Рязанов М.А. Электродинамика конденсированного вещества. М., 1984. 304 с.
7.Малая Советская Энциклопедия. т. 10. Советская энциклопедия. М., 1961, С. 1277.
8. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. М., 1966, т. 1-10.
9. Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма. М., 1988, 279 с.
10. Есин О.А.Электролитическая природа жидких шлаков. Дом техники Уральского индустриального института им. С.М. Кирова, Свердловск, 1946, 41 с.
11. Hertz Hermann Gerhard. Electrochemistry. A Reformulation of the Basic Principles. Springer-Verlag. Berlin Heidelberg New York, 1980. 231 с.
12. Фарадей М. Силы материи и их взаимоотношения. — М.: ГАИЗ, 1940, 113 c.
13. Suleimenov E.N, Utelbaev B.T. Formation of macroscopic inhomogeneities in solutions and melts. Proceedings of the IV International scientific-practical conference "Trends and prospects for the development of modern scientific knowledge," 9-10 October 2012, Moscow. pp. 34-39.
14. Suleimenov E.N., Utelbayeva A.B., Utellbayev B.T. Microstructure of Electrolytes : the Real Look. Proceedings of the “3rd International Conference on Science and Technology”. 17-18 June 2013, London, pp 184-205.
15. Utelbayev B.T., Myrzakhanov Maxat, Markaev Yergali, Suleimenov E.N The possibility of decomposition of carbon oxides by an electrochemical method. Proceedings of 47th International October Conference on Mining and Metallurgy. 2015, 04 – 06 October, Bor Lake, Bor, Serbia, pp. 213 – 216.
16. Фигуровский, Н. А. Очерк общей истории химии. От древнейших времен до начала XIX века / Н. А. Фигуровский. М. : Наука, 1969. С. 414.
17. Еремин, Е. Н. Основы химической термодинамики/Е. Н. Еремин.-М. : Высшая школа, 1974.-341 с.
18. Утелбаев, Б. Т., Сулейменов Э. Н., Утелбаева А. Б. Изменение массы реагирующих систем: Развитие взглядов на химические процессы. The Way of Science, 2014. №5 (5). С. 20-26.
19. Утелбаев, Б. Т., Сулейменов Э. Н., Утелбаева А. Б. О переносчиках тепловой энергии Наука и Мир. 2015. №1 (17). С. 59-63.