Принципы или законы действуют в науке?

По видимому, и то, и другое. Лауреат Нобелевской премии И.Р. Пригожин «…формульно-расчетный подход не может привести к познанию Природы. В настоящее время мы видим, что основную роль стали играть описательные науки».

К такому же выводу пришел и автор, занимавшийся изучением многокомпонентных надмолекулярных систем в течение более 30 лет. Каков же выход? Необходим возврат к феноменологическому подходу на более высоком уровне обеспечения методами исследования конденсированных систем. Со времени спектрального анализа Р. Бунзена их количество увеличилось до 100 (380 разновидностей – например, метод мессбауэровской спектроскопии разветвляется на 6 разновидностей с разными информационными возможностями). Опираясь на этот современный научный арсенал, только и возможно обеспечить новый феноменологический подход к исследованию иерархически сложных многокомпонентных многофазных физико-химических систем. Невольно придется возвращаться к «принципам, правилам, тенденциям» – понятиям не формальным, но путеводным. Кстати, один из основных методологических научных принципов экономии мышления известный с XIV века как бритва Оккама нарушается сплошь и рядом при введении новых терминов.

Итак, принципы. Термин, естественно, латинский – от principium (начало, основание). Первоначальное значение – воины одного из четырех видов римской пехоты (principes), а не правофланговый как пишут некоторые авторы. Принципы набирались из людей, которые после триариев были наиболее опытными в военном деле. В литературе обсуждаются следующие принципы разработки материалов. Физико-химические, технологические (термомеханические, конструкционные), экономические, организационные, экологические, информационные (банки данных, экспертные системы, нейросети) и т.п.

Согласно наиболее удачному определению, материаловедение – это наука о принципах создания материалов с заданными свойствами. Материалы получаются в пространственной системе «физическое воздействие – исходное вещество (прекурсор) – релаксационные физико-химические процессы преобразования прекурсоров – требуемый материал». Обычно управление процессом создания материалов заключается в изменении параметров физического воздействия и состава прекурсоров. Параметры воздействия ограничиваются методом воздействия. В последнее время в качестве прекурсоров часто используются многоэлементные и многофазные исходные вещества (получение высокотемпературных сверхпроводников, прямая переработка минерального сырья и т.д.). Изменение их состава путем перебора – многопараметрическая задача, требующая больших материальных и временных затрат.

Релаксационные эффекты в самоорганизующейся неравновесной конденсированной системе можно и нужно использовать для управления выходом химических форм и фаз, а, следовательно, и свойствами получающихся материалов. Но для этого необходимы точные сведения (или адекватные модели) о механизмах релаксационных процессов в конденсированных системах на физико-химической стадии получения материалов. Их можно получить только при использовании неразрушающих методов фазово-элементного исследования (лучше в режиме in situ – реального времени).
 
В общем случае, под неравновесным состоянием системы в термодинамике понимается такое ее состояние, из которого она самопроизвольно может переходить в другое состояние по направлению к равновесию в условиях изоляции или при малом конечном воздействии. Неравновесные системы возникают, как правило, при физических процессах, сообщающих системе в целом или ее части избыточную внутреннюю энергию по сравнению с энергией равновесной системы (см. фото).
 
Практика показывает, что неравновесные конденсированные системы – скорее правило, чем исключение среди существующих в природе (естественных), воспроизводимых и идентифицируемых (искусственных) веществ и материалов. В большинстве случаев создание материалов и условия их эксплуатации относятся к существенно неравновесным системам. Нередко и сам материал (как система) внутренне равновесен лишь частично.

Автор предложил релаксационный принцип управления свойствами неравновесных физико-химических систем, который можно сформулировать таким образом. В случае, когда времена релаксации много больше длительности физического воздействия, существует возможность управления выходом химических форм, фаз и, как следствие, свойствами веществ (материалов), используя сведения о механизмах релаксации в неравновесных конденсированных системах на физико-химической стадии релаксационных процессов (в том числе и в процессе эксплуатации).

Общенаучное значение релаксационного принципа. Принцип, сформулирован на основе радиохимических исследований, но работает в ядерной физике, биологии, социологии, филологии, геологии.

Релаксация - это ряд процессов по направлению к термодинамическому равновесию в макроскопических физических системах. Релаксационные процессы в системе в значительной степени определяют условия образования ее неравновесных состояний. Состояние макроскопической системы определяется некоторым числом параметров, и установление равновесия по каждому из них может протекать по-разному. Количественной характеристикой релаксации служит время релаксации.
Масштабы времен релаксации в многообразных неорганических системах на макроуровне различны. Электроны в проводниках приходят в состояние равновесия за 10(в степени -13)-10(в степени -14) с, а приближение к равновесию кристаллических структур в земной коре длится геологические эпохи.

Иногда в физико-химической и технической литературе встречается термин адаптация (от средневекового лат. adaptatio - приспособление). Но это термин  биологический и означает совокупность морфофизиологических, поведенческих, популяционных и др. особенностей биологического вида, обеспечивающая возможность специфического образа жизни особей в определенных условиях внешней среды. Адаптацией называется и сам процесс выработки приспособлений. В физиологии и медицине обозначает также процесс привыкания.

Предлагаемый автором релаксационный принцип иллюстрируется экспериментальными примерами из различных  областей естествознания.

Радиохимия. Химические последствия ядерных превращений, изучаемые с помощью эмиссионной мессбауэровской спектроскопии (ЭМС). В ЭМС объектом исследования является источник гамма-квантов. Возможность ее использования для изучения релаксационных эффектов на физико-химической стадии после ядерных превращений заключена в самой природе мессбауэровского перехода. При распаде радионуклидов иногда возникает мессбауэровский ядерный уровень, время жизни которого для разных переходов лежит в пределах 10(в степени -6)-10(в степени -10) с и определяет ту временную стадию (in situ), на которой исследуются релаксационные эффекты. Это и есть время релаксации. Таким образом, в мессбауэровском изотопе создана природой модель эксперимента: физический процесс воздействия на вещество (радиоактивное превращение, самооблучение, отдача) - временная задержка (время жизни мессбауэровского уровня) - регистрирующий инструмент (мессбауэровский гамма-квант). Исследуемая система «радионуклид (кобальт-57) – катионит (КУ-2х2) – адсорбат».  Автором обнаружена зависимость выхода химических форм железа-57 (форма Fe3+) после электронного захвата в атомах кобальта-57 (форма Co2+) от электроноакцепторных свойств локального окружения «горячих» атомов кобальта. А именно, выход окисленных форм железа растет при введении в состав ближнего окружения радиоактивных атомов кобальта веществ с большей способностью к акцептированию электронов. То есть мы получили возможность регулировать химию атомов после радиоактивного распада!

Ядерная физика. Воздействие – нейтрон, попадая в ядро урана вызывает его деление с испусканием нескольких нейтронов. Это основа цепной реакции. Время релаксации – секунды. Если мы ее не регулируем, в результате получается атомный взрыв. Если регулируем в атомных силовых установках – получаем электроэнергию и, далее, свет, тепло, движение.

Медицина. Человек претерпевает воздействие – инфаркт миокарда. Время релаксации – минуты.  Если в течение получаса оказать медицинскую помощь, получаем жизнь. Если человек одинок, опоздаем – смерть индивида.

Социальные процессы. Воздействие – события 1917 года в Российской империи. Время релаксации – десятки лет. При наличии регулятора (железный занавес) имеем СССР. При его падении – распад государства, который к сожалению плохо регулируется и, как следствие, продолжается.

Геология. Воздействие – извержение базальтов на поверхность Земли длится часы. Время релаксации – миллионы лет. Если эти породы остаются на поверхности (эффузивные породы), то разрушаются при выветривании. Если захораниваются или впрыскиваются под земную кору (интрузивные породы), то превращаются в хорошо раскристаллизованные породы.

Семья, кстати, тоже система неравновесная. Воздействие – момент бракосочетания. Время релаксации – до развода или до смерти. Как управлять!?