5 марта 2017 г.

Глава 29. Как можно делать открытия

Глава 29. Как можно делать открытия

Ограничиваться только теми вопросами, ответ на которые вы действительно хотите получить - совсем не плохая привычка. Другая глава книги, которую я никогда не напишу, была бы посвящена инструкции, как лучше всего получить необходимую информацию.
Беда в том, что мы не знаем, сколько времени у нас в запасе. Месяц, неделя или день, а, может быть, час. Убийство будет рассматриваться с разных сторон и разных точек зрения. Всем им придется отвечать на вопросы.
Р. Стаут («Ловушка для матери»).
Известные открытия - это кладезь приемов для выдвижения гипотез. Обычно, когда описывают какое-либо открытие, сделанное человеком для себя, его можно представить в двух ипостасях - первое, показать путь по которому он шел к открытию, и второе - просто описать само открытие, даже не упоминая о тех трудностях, путях, приемах, с которыми пришлось столкнуться исследователю.
Мне предпочтителен первый вариант, так как он более наглядно показывает, как же удалось найти нечто, а это, в свою очередь, может оказать влияние на читающего, и даже породить желание попробовать самому сделать открытие .
Мы иногда усмехаемся, когда говорят: "он что видит, о том и поет"! - это о чабанах, пасущих стада. Однако, я многократно наблюдал, как маленькие ребятишки, посмотрев телевизионную передачу, начинают сразу играть в ту игру или ситуацию, которую только что видели. Это, например, передача Кусто о подводном мире - мой внук одевает ласты, маску и «плавает», ползает по ковру. Это же относится и к войне, танкам, индейцам и т.д.
Полагают, что у взрослых такого обезьянничанья нет, но это не так - эти инстинкты сохранились и в нас, только у одних они развиты сильнее, а у других слабее. Конечно, многое зависит от силы воздействия автора передачи, будь это режиссер или писатель. Конечно, например, жизнь Пастера и его деятельность привлекла многих молодых людей в науку, а жизнь Суворова, Жукова - в военную область деятельности, но нам следует привлечь молодежь не просто в научную деятельность, и именно в такую, чтобы быстрее отыскивать причины несовершенства, брака, который присутствует везде - в технике, в животном и растительном мире, в человеке.
Несмотря на определенное довольство собой: удалось кое-что сделать, написать и даже несколько работ опубликовать, меня все время не покидает чувство неудовлетворенности и ощущение незавершенности работы. Когда что-то сделаешь, самому себе очень нравится содеянное, но по прошествии нескольких дней удовлетворение улетучивается и остается какой-то осадок, который в дальнейшем растет и достигает таких размеров, что начинает давить и заставлять думать и ставить вопросы. В чем дело? Чем ты не доволен? Что не так?
Я вообще-то не смог привыкнуть к тому, чтобы не поражаться каким-то проблескам новых мыслей, идей. Составляя «ноты», в которых первой была Ди - диссимметрия, я вдруг обнаружил, что все остальные «ноты» диссимметричны, и поэтому назвал Ди ключом (см. гл. 21). Прошло немного времени, и я для себя вывел три приема - постулат по Твайману, перенапряжение по Тафелю и снятие возбуждения по Расселу и захотел посмотреть возможность перехода L-изомеров в D и наоборот. При этом я мгновенно оценил первые два приема и выдвинул гипотезу, «забыв», как обычно, про Рассела.
Действительно, исследуя влажное окисление кремния, мы установили, что с поверхности происходит эмиссия атомарного водорода, образующего на короткое время Н2*, которая может либо распасться на Н+Н, либо, отдав избыточную энергию третьей частице, превратиться в Н2.
Никто мне не мешает выдвинуть гипотезу о том, что L и D - молекулы, имеющие на самом деле неравные энергии, могут сблизиться и как бы образовать возбужденную молекулу (LD)* на короткое время, и в этой ситуации, если появится или имеется некая частица, то она может взять на себя избыток энергии, передав затем ее либо в виде кванта света, либо тепла, а (LD)* ® (LL) > DD. Еще раз подчеркиваю, что это гипотеза.
Прошло еще несколько дней и мне вдруг захотелось посмотреть книгу «Открытия советских ученых» [116], посмотреть под углом зрения, нет ли открытий, в которых бы просматривались три приема, о которых я уже упоминал, а, может быть, есть что-нибудь о зарождении жизни?
Читая подряд открытие за открытием из разных областей науки, я вдруг сообразил, что постулат о диссимметрии, который я вывел для себя на основе эффекта Тваймана, это первый кирпичик в здании, которое желательно и даже необходимо строить, чтобы правильно начать программу выдвижения гипотез при решении научных задач.
Рассмотрим два открытия.
Открытие N 129. "Установлено неизвестное ранее явление изменения химического состава подземных вод, связанное с землетрясением, заключающееся в том, что в периоды, предшествующие землетрясению, а также в процессе землетрясения в подземных водах, территориально связанных с эпицентральной зоной, возрастает концентрация микрокомпонентов - благородных газов (радон, гелий, аргон), соединений фтора, урана и изменяется их изотопный состав."
Прежде чем привести описание открытия №N109, несколько слов о королевской примуле, быстрый рост которой подсказал Е. Г. Коновалову идею.
"До сих пор ученые не могли объяснить, почему королевская примула цветет перед землетрясением. Этот цветок растет на острове Ява. Для местных жителей он служит прибором, предсказывающим приближение беды. Е.Г. Коновалов считает, что мощным толчкам земной коры предшествуют слабые колебания разных частот, в том числе ультразвуковые. Они и ускоряют движение питательных соков по капиллярам растения, интенсифицируют процесс обмена веществ, и цветок расцветает."
Открытие N109. "Экспериментально установлено неизвестное ранее явление аномального увеличения (в десятки раз) скорости движения и высоты подъема жидкости в капиллярах при непосредственном воздействии ультразвука и возрастание их с повышением температуры."
Оба открытия связаны с землетрясением. В главе 8 “Принципы компенсации и эквивалентности” я показал, что открытие N№109 может быть и инвертировано, то есть жидкость в капилляре может и опускаться под действием ультразвука. К чему это может привести? Можно ли оба открытия объединить и получить новую информацию? Очевидно, под действием ультразвука должен изменяться состав подземных вод - за счет растворимости, концентрации, температуры и т.д.
Концентрация примесей может изменяться и где-то может происходить их осаждение. Как влияют на воду электрические и магнитные поля земли, магнитные бури и т.д.? Отметим, что оба открытия объясняют брак - то есть то, что происходит при отклонении от режима нормального состояния поверхности земли. Это же относится и к следующему открытию - брак возникает при строительных работах - рытье траншей, котлованов и т.п.
Открытие N91. "Установлено неизвестное ранее явление образования истинных плывунов, заключающееся в том, что в водонасыщенной дисперсной породе происходит накопление в виде пузырьков газообразных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, которые вызывают избыточное давление в жидкой фазе породы, являющееся энергетическим фактором ее подвижности."
Итак, микроорганизмы в песке, на значительной глубине живут и процветают. Не является ли эта информация подсказкой для превращения молекулы L в D?
"Путем многочисленных экспериментов В.В. Родина, автор открытия, установила, что в истинных плывунах живут микробы. Продукты их жизнедеятельности - слизь и газ - насыщают грунт, как бы накачивают его. Давление газа в объеме грунта возрастает, он раздувается, словно воздушный шар. Когда плывун на глубине зажат горной породой, двигаться ему некуда. Но как только его коснулась выработка он начинает двигаться в пространстве котлована с довольно большой скоростью."
Очень жалко, что автор открытия не посмотрел, что же это за микробы и какие у них нуклеотиды L или D, чем они питаются и т.д.
Очевидно, во всех приведенных открытиях просматриваются диссимметрия и перенапряжения.
А теперь вернемся к эффекту Тваймана. Сколько лет я о нем знаю, но не появилось ни одной мысли по поводу возможности образования еще одного или даже нескольких явлений или эффектов. Действительно, в пластинке кремния (а это монокристалл) под действием сил поверхностного натяжения происходит деформация - изгиб. Что такое изгиб? Это можно представить как растяжение одной части пластинки и сжатие другой. Конечно, это небольшие давления сжатия и растяжения, но и они приводят к изменению расстояния между атомами в кристалле, причем присутствуют одновременно. Свойства такой пластинки с точки зрения атомных расстояний противоположны.
Поставим вопрос - а как будет протекать процесс прохождения и поглощения света, а лучше сказать электромагнитного излучения с различной частотой? Возможно, появится поляризация света, увеличится рассеяние и т.д.
Какое взаимодействие будет со звуком, ультразвуком? Как будут изменяться полупроводниковые свойства от деформации пластинки? Какое будет электрическое сопротивление, диэлектрическая постоянная, время жизни носителей заряда в объеме и т.д.?
Короче говоря, можно было бы посмотреть экспериментально или рассчитать теоретически взаимодействие деформированной пластинки F = s1 + s2с различными веществами и полями. Это уже второй шаг, если считать первым обнаружение самого эффекта. Ну а третий шаг - это исследование не двух - изгиб и луч света, а трех, четырех, пяти и т.д. взаимодействий не только с деформацией, но и со всеми воздействующими компонентами, например, деформация, прохождение света и прохождение электрического тока - измерение стрелы прогиба, поглощения и рассеяния света, измерение электрического тока, падения напряжения и т.д.
По-видимому, можно сказать: "Ищите диссимметрии и взаимодействия между ними. Это поможет выдвигать гипотезы."
Если же быть более точным, то, по-видимому, воздействия должны быть рассмотрены с точки зрения принципа ТРИЗ «моно-би-поли- полиразные». Имея эффект с одним (моно) воздействием, следует использовать второе воздействие, много одинаковых воздействий и много разных воздействий. Очевидно, все воздействия будут неравными, диссимметричными. Следует рассмотреть результат влияния каждого воздействия на выбранный параметр и влияния воздействий друг на друга, как при нормальных условиях окружающей среды, так и при изменении температуры, давления, влажности и т.д.
На рис. 55а. представлена схема эффекта Тваймана с указанием других воздействий.
Хотелось бы отметить, что при обнаружении нового эффекта желательно просмотреть, нет ли возможности использовать этот эффект для измерения каких-либо физико-химических параметров. Например, на рис.55б приведены две зависимости стрелы прогиба при разной обработке двух сторон пластин для кремния и германия, одинакового диаметра. Что можно было бы определить из этих зависимостей? Читая сборник открытий, я обнаружил в нем открытие N№116, которое указывает на то обстоятельство, что, возможно, уже существуют катоды с низким перенапряжением, хотя об этом ничего не говорится. Тем не менее, связь между окислением катода и перенапряжением просматривается.
Открытие Н.Д. Томашова и Г.П. Черновой зарегистрировано под № N116 с приоритетом от 4 мая 1948 г. Формула открытия такова: "Установлено неизвестное ранее явление самопассивирования и резкого торможения электрического растворения металлов, например, железа, титана, хрома и сплавов на их основе, при их легировании электроположительными металлами с низким катодным перенапряжением - палладием, платиной, рутением и другими металлами, обусловленное увеличением скорости катодного процесса и смещением потенциала сплава в пассивную область."
 
Рис. 55. (а) - Эффект Тваймана с воздействиями.
(б) - Зависимость стрелы прогиба пластин (U) для кремния (Si) и германия (Ge) от толщины пластин.
Жалко, что авторы не отметили, как эти сплавы ведут себя в электрохимической ячейке в качестве катода. Они просто говорят, что: "...легирующая добавка воздействует на катодный процесс (например, на выделение водорода) - смещает потенциал металла к более положительным значениям, при которых основа сплава приходит в пассивное состояние."
Очевидно, в этом открытии используется диссимметрия, снижение перенапряжения и применение малых добавок с известными свойствами. Это, конечно, не добавки такой концентрации как в полупроводниках (10-310-5%), но все же 0,1-0,5% - это тоже можно считать малыми добавками.
Рассмотрим еще несколько интересных для нас открытий.
Открытие N 125. "Экспериментально установлено ранее неизвестное явление, заключающееся в том, что в результате прохождения ударной волны через мономеры, находящиеся в конденсированной фазе, происходит образование полимеров, характеристики которых зависят от амплитуды ударной волны.
Сущность открытия сводится к тому, что под действием ударной волны происходит объединение простых молекул с образованием длинных полимерных цепей, состоящих из тысяч и десятков тысяч звеньев.
Единственной известной реакцией органических веществ под действием ударной волны была термическая деструкция молекул взрывчатого вещества, при которой происходит разложение сложных органических молекул на простые соединения и атомы. В данном случае возникает процесс диаметрально противоположный. Под действием ударной волны происходит не разложение, а синтез в процессе которого из относительно простых органических молекул образуются сложные органические соединения, отличающиеся регулярностью структуры.
Открытое явление проливает свет на возможные химические реакции синтеза в недрах Земли при распространении ударных волн, вызванных тектонической деятельностью. Недавно обнаружено превращение аминокислот в простейшие белковые звенья - полипептиды - в результате ударного сжатия, которое свидетельствует о том, что ударные волны, возникающие при ударе крупных метеоритов о земную поверхность могли быть одной из причин возникновения первых простейших белковых звеньев на Земле. Это очень важно для понимания биологической эволюции".
Несомненно, прекрасное открытие, жалко только, что авторы не посмотрели возможно ли таким образом превращать изомеры
L в D.
А вот в следующем открытии №N110 этому уже уделено внимание. Открытие так сложно сформулировано, что я сначала его опишу, а затем приведу авторскую формулу.
"В органической химии известны своего рода левые и правые соединения атомов, в которых, казалось бы, и соединены атомы в одинаковой последовательности, и состав у веществ один, а свойства разные. На основе углерода такие соединения устойчивы, но есть и такие, как например, производные аммиака, которые непрерывно переходят из левого в правое состояние и обратно, то есть отличаются неустойчивой конфигурацией.
Перед наукой стояла задача выяснить, можно ли получить соединения трехвалентного азота с устойчивой конфигурацией, т.е. возможно ли выделить одну из форм соединения - правую или левую. Непреложным фактом считалось, что в любых соединениях, содержащих трехвалентный азот, непременно происходит так называемое выворачивание молекулы. Речь идет о своеобразных ее колебаниях, достигающих фантастической частоты (именно на этом принципе основано действие точных молекулярных часов, заряженных аммиаком). Это явление именуется инверсией азота. Объясняя его механизм, химики сравнивали наблюдаемый процесс с зонтом, который при сильном ветре то выворачивается наизнанку, то возвращается в раскрытое положение"(рис. 56).
Рис. 56. Пространственное строение соединения азота.
N - неподелённая пара электронов,
R'1, R2, R3 - заместители.
Несколько слов об азоте [117].
"Известно, что атом азота также имеет тетраэдрическую конфигурацию, как и атом углерода, только в четвертой вершине тетраэдра находится не заместитель, а неподеленная пара электронов.
Речь идет о том, что у азота два электрона на s оболочке и три на k оболочке. Три электрона участвуют в образовании NH связи, а два - неподеленные.
Однако это, казалось бы, не очень существенное обстоятельство имеет далеко идущие последствия: пирамида азота легко выворачивается наизнанку, как говорят, инвертируется, в результате чего молекула амина, имеющая три заместителя, превращается в энантиомерную. (см. рис.56. Любая хиральная молекула, по определению, должна иметь пару, зеркальный антипод. Такую пару молекул называют энантиомерами. Они являются оптическими изомерам. - В.М.)
Барьер инверсии атома азота обычно невелик (25-40 кДж/моль), уже при комнатной температуре инверсия идет очень быстро, поэтому разделить энантиомерные молекулы не удается".
Теперь вернемся к открытию.
"Открытие внесло существенные коррективы в общепринятое представление об этом явлении. Заменив атомы водорода в структуре молекулы аммиака NH3 (рис.57) различными химическими группами, ученые впервые успокоили ее.
Практически, прекращением инверсии удалось опровергнуть существующую аксиому. Иными словами, найдены определенные условия, при которых молекулярные часы останавливаются.
Стало очевидно, что инверсия исследованных молекул, вызываемая их неустойчивостью, вовсе не является неизбежной. У соединений, включающих трехвалентный азот, впервые появились изомеры, в том числе оптически активные”.
Рис. 57. Пространственное строение молекулы аммиака.
Открытие №N110. "Экспериментально установлено неизвестное ранее явление конфигурационной стабильности трехвалентного азота в немостиковых структурах не примере этиленаминов, проявляющееся в существовании стабильных при нормальных условиях стерео- и оптических изомеров."
При знакомстве с этим открытием возникает несколько вопросов. Первый - аммиак вечный двигатель? Откуда он берет энергию на колебания с фантастической частотой? Каков механизм инверсии азота?
Механизм объяснили Р. Сиджвик и Пауэлл и детально разработал Р. Гиллеспи. "Их основной постулат гласит, что электронные пары принимают такое расположение на валентной оболочке атома, при котором они максимально удалены друг от друга. Речь идет как о парах электронов связи, так и о неподеленных электронных парах. Отталкиваясь друг от друга, они стремятся разбежаться, и их поведение, а, значит и форму молекулы, можно моделировать точечными зарядами на поверхности сферы".
Итак, молекулы аммиака, взаимодействуя атомами азота, которые отрицательны, отталкиваются так, что происходит их выворачивание. Возможно, такой подход можно использовать и для других молекул, которые должны переходить из L в D и наоборот, надо только их привести в более близкое состояние, преодолев силы отталкивания.
Заканчивая этот параграф, можно сделать выводы:
                 при решении научных задач следует искать диссимметрии и взаимодействие между ними,
                 из каждого исследования следует «отлавливать» те приемы, которые вы сами обнаружите.
Сегодня, столь же, сколь вчера,
Земля полна пиров и казней.
Зло обаятельней добра
И гибче, и разнообразней.
Игорь Губерман [44]