Kemian filosofia

Historia

Kemian filosofia on melko uusi ala siitä huolimatta, että kemia on pitkään ollut itsenäinen ja merkittävä tieteenala ja että kemian historiasta on kirjoitettu paljon. Esimerkiksi fysiikan tai biologian filosofiaa on tutkittu kemian filosofiaa enemmän, vaikka kemia on tieteellisten artikkelien määrällä mitattuna selvästi suurin tieteenala. Koska kemia on pitkään jätetty tieteenfilosofiassa vähälle huomiolle, tieteenfilosofian käsitykset luonnontieteistä voivat olla vaillinaisia.
Jaap van Brakelin mukaan Kantin näkemys kemiasta on vaikuttanut merkittävästi siihen, että kemia on saanut filosofiassa fysiikkaa vähemmän huomiota. Kant ajatteli, että kemia ei ole todellinen tiede, koska se pohjautuu pelkästään kokeellisiin tuloksiin eikä sen taustalla ole matemaattista teoriaa. Myöhemmin hän tosin lievensi kantaansa. Joachim Schummer on etsinyt syitä kemian aliarvostukseen filosofian historiallisesta kehityksestä. Filosofialla tarkoitettiin 1800-luvun vaihteessa filosofisissa tiedekunnissa harjoitettuja tieteitä. Niistä suurin oli matematiikka, johon sisältyi myös soveltavaa matematiikkaa, kuten mekaniikkaa ja geometrista optiikkaa. Kemiaa ja biologiaa opetettiin pääasiassa lääketieteellisissä tiedekunnissa. Fysiikka irtautui filosofiasta 1800-luvulla ja psykologia 1900-luvun alkuun mennessä. Schummer tiivistää, että karkeasti arvioituna mitä myöhemmin tieteenala on irronnut filosofiasta, sitä enemmän sitä tutkitaan filosofiassa. Näin voidaan selittää, miksi matematiikkaa, psykologiaa ja fysiikkaa on tutkittu filosofiassa jo pitkään. Fysiikan asemaa selittää myös se, että tieteenfilosofian ammattimaistuessa 1900-luvulla suuri osa oppituoleista myönnettiin filosofisesti suuntautuneille teoreettisille fyysikoille, jotka olivat tutkineet kvanttimekaniikan tai suhteellisuusteorian filosofiaa. Biologian filosofia alkoi muodostua omaksi alakseen vasta 1970-luvulla ja kemian filosofia 1990-luvulla.
Kemian filosofiaa on ollut jo ennen 1990-lukua. Monet filosofian klassikot ovat kirjoittaneet kemiasta, mutta siihen ei ole kiinnitetty paljon huomiota. Kemistit ja kemian historioitsijat ovat täyttäneet ammattifilosofien jättämää aukkoa. Ensimmäiset kemian filosofiasta kirjoittaneet kemistit tekivät kokeellista tutkimusta. Teoreettiset kemistit alkoivat 1970-luvulla kyseenalaistaa näkemystä, jonka mukaan kvanttikemia voidaan pelkistää kvanttimekaniikkaan. Kemian filosofiaa harjoitettiin myös Itä-Euroopan kommunistisissa valtioissa 1950-luvun lopulta 1990-luvulle. Näissä maissa mielenkiinto kemiaan pohjautui Engelsin dialektiseen materialismiin, jossa kemia oli oma itsenäinen alansa.
Eri maiden kemianfilosofit alkoivat järjestäytyä säännöllisesti kokoontuviksi työryhmiksi 1980-luvun lopulla. Vuonna 1994 pidettiin ensimmäisiä kansainvälisiä tieteellisiä kokouksia. Kemianfilosofien järjestö International Society for the Philosophy of Chemistry perustettiin 1997. Alalle on syntynyt kaksi lehteä: HYLE vuonna 1995 ja Foundations of Chemistry vuonna 1999. Internetin käytön samanaikainen yleistyminen on helpottanut kemianfilosofien yhteisön syntymistä ja tulosten esittelemistä.

Reduktio

Kemian filosofian eniten käsiteltyjä aiheita on reduktio eli kysymys siitä, voidaanko kemia pelkistää täydellisesti fysiikaksi. Reduktion kannattajat väittävät, että kemia voidaan pohjimmiltaan palauttaa kvanttimekaniikkaan. Paul Dirac sanoi kuuluisassa lausunnossaan vuonna 1929, että koko kemian taustalla olevat fysikaaliset lait tunnetaan ja ongelmana on vain, että näiden lakien täsmällinen soveltaminen johtaa niin mutkikkaisiin yhtälöihin, ettei niitä voi ratkaista.
Useimmat kemianfilosofit vastustavat ajatusta täydellisestä reduktiosta. Sen sijaan he ottavat välittävän kannan, jonka mukaan kemia perustuu jossain määrin fysiikan lakeihin, mutta siihen kuuluu myös asioita, joille ei löydy vastaavuutta fysiikassa. Kemiassa esimerkiksi sanotaan, että elektronit asettuvat orbitaaleille, joiden rajoittamalla alueella elektronien ajatellaan liikkuvan. Kvanttimekaniikassa monielektronisella atomilla ei kuitenkaan ole orbitaaleja, koska elektroneja ei voida erottaa toisistaan. Siten kemian orbitaaleja ei pystytä palauttamaan kvanttimekaniikkaan. Eric Scerri on ehdottanut, että kemiassa asettauduttaisiin välimaastoon: orbitaaleja ei pidettäisi naiivin realismin mukaisesti todellisina objekteina, mutta toisaalta orbitaaleista ei niiden selitysvoiman vuoksi luovuttaisi, vaikka kvanttimekaniikka ei niitä tunnustakaan.
Toisena esimerkkinä reduktion epäonnistumisesta Scerri on ottanut esille jaksollisuuden lain. Oppikirjoissa jaksollisen järjestelmän rakentuminen selitetään tavallisesti elektronikonfiguraatioiden avulla. Ne eivät kuitenkaan perustu puhtaasti kvanttimekaniikkaan vaan kokeellisiin tuloksiin. Kvanttimekaniikkaan kuuluvasta Paulin kieltosäännöstä voidaan johtaa elektronikuorille mahtuvien elektronien lukumäärä (2, 8, 18, 32, …), mutta kvanttimekaniikka ei pysty selittämään jaksojen pituutta (2, 8, 8, 18, 18, 32, …). Siten jaksollisuuden lakia on pidettävä ennen kaikkea kemiallisena lakina.

Selittäminen

Kemiassa ilmiöt selitetään tavallisesti kausaalisesti esittämällä syyt, joiden uskotaan aiheuttavan ilmiön. Esimerkiksi reaktioiden tapahtuminen selitetään lähtöaineilla ja ympäristöllä. Usein esitetään myös reaktiomekanismi, jossa reaktio pyritään selittämään jakamalla se erillisten tapahtumien kausaaliseksi sarjaksi. Mekanismin avulla voidaan ennustaa, kuinka olosuhteiden muuttaminen vaikuttaa reaktioon.
Kemiassa asioita ei juuri koskaan selitetä funktionaalisesti. Biologiassa voidaan kysyä, mikä on hapen tehtävä elimistössä, mutta kemiassa ei kysytä, mikä on hapen tehtävä hapetusreaktiossa. Kemian filosofiassa kysytään myös, mikä muodostaa kemiallisen selittämisen rajat. Kemistit esimerkiksi selittävät, miksi happiatomit sitoutuvat vakaiksi happimolekyyleiksi mutteivät sitä, miksi happiatomit ovat vakaita.

Teoriat ja lait

Kemiassa teoriat tietyssä mielessä kilpailevat keskenään. Valenssisidosteoria ja molekyyliorbitaaliteoria selittävät kemiallista sidosta varsin erilaisista lähtökohdista, mutta kuitenkin molempia teorioita käytetään kemiassa. Kemistit hyväksyvät yleensä useita teorioita ja valitsevat selittämiseen sopivan teorian kulloisenkin tilanteen mukaan. Esimerkiksi VSEPR-teorialla voidaan selittää molekyylien rakenteita, ligandikenttäteorialla metallikompleksien ominaisuuksia ja niin edelleen.
Tieteenfilosofiassa lakeja tutkitaan usein fysiikan pohjalta. Kemiassa lait ovat tavallisesti epämääräisempiä kuin fysiikassa. Esimerkiksi jaksollisuuden lain mukaan alkuaineiden kemialliset ominaisuudet muuttuvat jaksollisesti. Jaksollisuutta ei määritellä mitenkään tarkasti, mutta kuitenkin laki on jaksollisen järjestelmän perustana.

Molekyylit

Kemiassa vedotaan toistuvasti molekyylien muotoon. Filosofiassa muotoa on tavallisesti pidetty aineen oleellisena ominaisuutena. Puhtaassa kvanttimekaniikassa molekyyleillä taas ei voida sanoa olevan muotoa. Myös kokeellisesti esimerkiksi ammoniakkimolekyyli ”näyttää” erilaiselta eri menetelmillä (tarkemmin sanottuna spektroskooppisia tuloksia tulkittaessa käytetään eri pisteryhmiä).
Molekyylien kiraalisuus eli peilikuvamolekyylien olemassaolo tuo oman osansa avaruutta pohtivaan filosofiaan. Peilikuvamolekyylien eli enantiomeerien ainoat kemialliset erot tulevat esiin, kun ne reagoivat kiraalisten molekyylien kanssa. Voidaan kysyä, onko kiraalisuus objektin sisäinen ominaisuus vai määräytyykö se suhteista muihin objekteihin. Esimerkiksi R-kirjainta ja sen peilikuvaa ei voi asettaa päällekkäin tasossa, mutta Möbiuksen nauhalla se onnistuu kahdessa ulottuvuudessa. Analogisesti voidaan ajatella, että molekyylien kiraalisuus häviäisi neljässä ulottuvuudessa ja samalla häviäisivät peilikuvamolekyylien erilaiset kemialliset ominaisuudet.
Yksi kemian filosofian kysymyksistä on molekyylien ja yhdisteiden suhde. Missä mielessä esimerkiksi voidaan sanoa puhtaan veden koostuvan H₂O-molekyyleistä, kun tiedetään, että kaikki veden molekyylit eivät eri isotooppien olemassaolon vuoksi voi olla samanlaisia? Lisäksi voidaan kysyä, miten alkuaineet säilyvät muuttumattomina yhdisteissä. Radiokemisti Fritz Paneth ehdotti Aristoteleen hengessä, että alkuaine voi tarkoittaa ”perusainetta”, pysyvää ominaisuuksien kantajaa, jota ei voi havaita, ja ”yksinkertaista ainetta”, jonka voimme aistein havaita. Scerrin mukaan Mendelejev ajatteli samantapaisesti jaksollisen järjestelmän alkuaineiden olevan perusaineita, eikä hän siksi välittänyt esimerkiksi siitä, että samaan ryhmään kuuluvat halogeenit poikkeavat yksinkertaisina aineina toisistaan paljon (fluori ja kloori ovat kaasuja, bromi on neste ja jodi on kiinteää). Sen sijaan halogeenien natriumsuolat, joissa halogeenit ovat piilevästi perusaineina, ovat samanlaisia. Scerri esittää, että tämä ajattelutapa sai Mendelejevin tekemään rohkeita ennustuksia, jollaisia toinen jaksollisen järjestelmän kehittäjä Lothar Meyer ei tehnyt.

Mittauslaitteet

Tietokoneistettujen mittauslaitteiden käyttö on luonnontieteissä yleistynyt nopeasti 1900-luvun puolivälin jälkeen. Kemiassa on siirrytty märkäkemiasta instrumenttianalytiikkaan. Kemian filosofiassa tutkitaan, missä määrin mittauksia voidaan pitää objektiivisina ja mitä tekijöitä mittausten taustalla vaikuttaa. Mittauksessa tutkimuskohdetta häiritään aina jollakin tavalla, joten asioiden todellista luonnetta ei voida paljastaa. Lisäksi tarvitaan käsitteitä, jotka kertovat idealisoituna, mitä mittauksessa tapahtuu. Siksi on ongelmallista sanoa, että mittauslaitteet laajentaisivat aistimiskykyämme.