3. Развитие представлений о веществе

Из чего состоят вещи, окружающие нас, – деревья, горы, реки, плывущие по небу облака? Этот вопрос также задавал себе человек. Уже в древнеиндийской философии появилось учение о том, что все состоит из пяти основных элементов – земли, воды, воздуха, огня и эфира. Это учение с изменениями и уточнениями сохранялось на протяжении двух тысяч лет. Древнегреческий мудрец и философ Фалес (VI в. до н.э.) полагал, что все вещи состоят из воды. Гераклит (V в. до н.э.) считал первоосновой всего существующего огонь. Аристотель учил, что все вещи состоят из смеси четырех основных элементов – земли, воды, воздуха и огня.

Но одновременно с этими учениями о первоначалах, которые отождествлялись с какими-то конкретными, чувственно воспринимаемыми явлениями, в античной Греции возникло учение о том, что все тела состоят из мельчайших неделимых частиц – атомов. Мы не можем увидеть или пощупать атомов, для этого они слишком малы, но именно из них состоят окружающие нас предметы. Создание атомистического учения приписывают древнегреческим философам Левкиппу и Демокриту (V в. до н.э.). Его придерживался философ Эпикур, в стихотворной форме его выразил римский поэт и философ Тит Лукреций Кар (I в. до н.э.) в знаменитой поэме «О природе вещей»:

Если ж начальные плотны тела, если нет пустоты в них,

Как я учил, то должны они вечными быть непременно.

Если же, кроме того, не была бы материя вечной,

То совершенно в ничто обратились давно бы все вещи,

Из ничего бы тогда возрождалось и все, что мы видим,

Но, раз уж я доказал, что ничто созидаться не может

Из ничего, и все то, что родилось, в ничто обращаться,

Первоначалам должно быть присуще бессмертное тело,

Чтобы все вещи могли при кончине на них разлагаться.

Мысль о том, что все тела состоят из вечных, неизменных, неделимых атомов, не нашла поддержки у большинства античных мыслителей. Действительно, трудно было понять, каким образом гора или камень, дерево или человек могут состоять из невидимых невоспринимаемых частиц. Другое дело – земля или вода, их можно пощупать, их можно видеть! Древняя концепция четырех начал сохранялась и в мышлении средневековья.

В 1417 г. коллекционер античных рукописей итальянец П.Браччолини отыскал в одном из монастырей давно забытую поэму Лукреция. Первоначально она привлекла внимание только как поэтическое произведение, на идеи Демокрита и Эпикура, изложенные в поэме, никто не обратил внимания, рассматривая их как наивные выдумки древних фантазеров. Лишь двести лет спустя французский философ Пьер Гассенди (1592-1655) возродил античный атомизм, развивая в своих сочинениях мысль о том, что все тела состоят из неделимых и непроницаемых атомов. Атомы, по Гассенди, «активны и подвижны», «они сообщают движение всем вещам и служат источником и первопричиной всех природных движений». Свойства макротел определяются геометрическими и механическими свойствами атомов и молекул, а всякая трансформация свойств веществ в конечном счете обусловлена перемещением атомов: «всякое изменение… происходит от перестановки частей или увеличения либо уменьшения их числа» (Гассенди П. Соч. в 2-х т. М., Мысль, 1966-1968, т.1. с.183).

Учение Гассенди вскоре попало на английскую почву. В 1630-х годах в Англии образовался так называемый Ньюкасльский кружок любителей науки и философии, в который входили: выдающийся английский философ Т.Гоббс, У.Кавендиш – богатый покровитель группы, его жена – леди Маргарет, получившая известность своими поэмами, написанными в духе поэмы Лукреция Кара, У.Петти – выдающийся экономист и др. В 40-е годы – годы Английской буржуазной революции, борьбы парламента с королем, сражений и социального хаоса – многие члены кружка эмигрировали во Францию, где и познакомились с Гассенди, Декартом и другими французскими философами и естествоиспытателями. Здесь они познакомились с атомистическим учением и приняли его. В одной из своих поэм Маргарет Кавендиш писала: «Малые атомы, будучи тонкими и обладая различной формой, двигаясь друг около друга, сами по себе могут создать Мир, они располагаются в пространстве, обнаруживая такие Формы, которые наилучшим образом отвечают каждому типу [свойств тел]…» (цит. по: Становление химии как науки. М., 1983, с.36). Именно благодаря членам Ньюкасльского кружка с атомизмом познакомился родоначальник научной химии Роберт Бойль (1627-1691).

Все вещества и все тела окружающего нас мира, с точки зрения Бойля, состоят из единой качественно однородной материи – из атомов. Атомы находятся в постоянном движении и благодаря этому способны объединяться в совокупности. Механические особенности совокупностей атомов и определяют те или иные свойства состоящих из них тел. В телах нет ничего реального или физического, кроме величины, формы и движения составляющих их корпускул, а потому любое свойство вещества не есть нечто первичное, наперед заданное, но представляет собой результат действия двух факторов – геометрии и локального движения микрочастиц. В работах Бойля начинает формироваться представление о химических элементах как о мельчайших, химически неделимых материальных образованиях, инвариантных относительно любых химических превращений сложных тел, в которые они входят в качестве элементов. Бойль разработал технику химического анализа для выделения элементов, составляющих сложные вещества. – Все это резко расходилось с аристотелевским учением о четырех началах и противоречило учению церкви, осудившей атомизм. На черновом наброске, содержащем основные идеи атомизма, Бойль сделал пометку: «эти бумаги должны быть непременно сожжены». Атомизм весьма сильно попахивал атеизмом, а в Англии середины XVII в. атеизм был невозможен. Отвергнув католицизм, англичане раскололись на множество религиозных сект – индепендентов, пресвитериан, анабаптистов, милленариев и множество других, причем представители каждой секты горячо верили в то, что Бог на их стороне, и ожесточенно поносили сторонников других религиозных взглядов. Атеизм в этих условиях всеобщего религиозного помешательства и фанатизма выглядел бы чудовищно. Ученые того времени, включая Бойля и Ньютона, были искренне верующими людьми и своими научными изысканиями никак не хотели повредить религии.

Первой научной теорией в области химии была теория флогистона, созданная немецким химиком и врачом Г.Э.Шталем (1659-1734). Особое внимание исследователей XVIII в. привлекали процессы горения, окисления и восстановления. Теория флогистона как раз и объясняла эти процессы с единой точки зрения. Шталь предположил, что во всех телах – в растениях, животных и в минералах – присутствует некое горючее вещество, которое он назвал флогистоном. При нагревании тел флогистон выделяется из них и, соединяясь с воздухом, воспламеняется. Химики того времени разделяли убеждение Аристотеля в том, что процесс горения сопровождается разложением, распадением тел на более простые составные элементы. Сторонником теории флогистона был и наш М.В.Ломоносов, который рассматривал флогистон как материальное вещество, состоящее из особого рода корпускул. Теория флогистона была первой химической теорией, которая приводила в систему разнообразные, но разрозненные факты, известные со времен античности, открытые алхимиками, врачами и химиками. В течение почти целого столетия она направляла научные исследования в области химии и подготовила почву для революционных работ А.Лавуазье.

Теория флогистона с самого начала своего появления столкнулась с одним непонятным фактом: если процесс горения означает разложение сложного вещества, то вес куска железа после прокаливания должен быть меньше, чем его вес до прокаливания, ибо он терял одну из своих частей - флогистон. Однако опыт говорил прямо противоположное: вес куска железа после прокаливания увеличивался. Шталь был вынужден даже наделить флогистон «отрицательным весом»: устранение флогистона из тела увеличивало его вес. Лавуазье показал, что в процессе горения происходит не разложение тела на составные части, а, напротив, соединение тела с кислородом, поэтому становится понятным увеличения веса металла после прокаливания. Лавуазье обнаружил, что воздух не является простой субстанцией, как считали со времен античности, а имеет сложный состав, включающий в себя кислород и азот. Оказалось, что и вода имеет сложный состав и состоит из соединения кислорода и водорода в весовом соотношении 1:2. В докладе «О необходимости преобразовать и усовершенствовать химическую номенклатуру», представленном Парижской Академии наук, Лавуазье предложил новые обозначения для всех известных к тому времени веществ и химических элементов. Основные принципы, на которые опиралась эта номенклатура, сохранились в химии до наших дней.

Следующий важный шаг в понимании атомистической природы вещества был сделан поистине великим химиком англичанином Джоном Дальтоном (1766-1844). Дальтон не только принял атомистическую гипотезу строения вещества, высказанную Бойлем, но пошел еще дальше: объясняя эмпирически установленные химические законы – закон постоянства состава химических элементов и закон простых кратных отношений вступающих в реакции веществ, - Дальтон приписал атомам конкретные свойства. Во-первых, он постулировал полное тождество атомов одного и того же вещества. Поскольку всякий химический элемент состоит из одних и тех же атомов, постольку свойства этого элемента определяются свойствами атомов, из которых он состоит. Во-вторых, атомы разных элементов соединяются друг с другом в определенных простых пропорциях. Третье свойство атомов заключается в их абсолютной неделимости ни в смысле механического раздробления, ни в смысле химического разложения. Наконец, четвертым и самым важным свойством, которым Дальтон наделил атомы, является атомный вес. Атомы химических элементов различаются по своему весу. Дальтон принял за 1 вес атома водорода и определил атомные веса других химических элементов по отношению к атому водорода. Например, Лавуазье определил, что вода состоит из 85% кислорода и 15% водорода. Относительный вес атома кислорода Дальтон вычислил из соотношения 85:15 = 5,66.

В результате работы Дальтона атом из абстрактно-механической модели превратился в конкретное химическое понятие. У Дальтона элементарный атом наделен не фантастическими крючочками и зазубринками, а конкретными физико-химическими свойствами: тождественностью с другими атомами того же элемента, способностью соединяться с различным числом атомов других элементов, химической неразложимостью и механической неделимостью, атомным весом.

Идеи Дальтона дали мощный толчок развитию химии. Уже к середине XIX в. было открыто более 50 химических элементов и установлены их атомные веса. Венцом развития атомистических представлений в химии явилось открытие периодического закона великим русским ученым Д.И.Менделеевым (1834-1907). Менделеев расположил все известные в его время химические элементы в ряд с нарастающим атомным весом. В этом ряду он заметил группы элементов с аналогичными химическими свойствами. Разбив ряд элементов на такие группы, он получил свою знаменитую таблицу химических элементов. Некоторые места в таблице оказались незаполненными: согласно периодическому закону, эти места должны были занимать химические элементы с определенными свойствами, но эти элементы в то время были еще неизвестны. Менделеев предсказал существование таких элементов. В течение десяти лет, прошедших с 1869 г., когда Менделеев опубликовал первую статью о периодическом законе, было открыто три предсказанных им химических элемента. Это явилось блистательным подтверждением верности периодического закона.

Работы английского физика М.Фарадея по электролизу привели к мысли о том, что существуют особые «атомы электричества» - атомы, обладающие наименьшим электрическим зарядом. Эти атомы электричества были названы «электронами». И вот в 1997 г. английский физик Дж.Дж.Томсон открыл реальное существование электронов. Оказалось, что электрон – отрицательно заряженная частица, масса которого почти в 2 000 раз меньше массы атома водорода. Сами атомы вещества электрически нейтральны, следовательно, в атоме должны существовать положительно заряженные частицы. Открытие электрона разрушило тысячелетнюю веру в то, что атом является неделимой простейшей единицей вещества. Оказалось, что атом имеет сложную структуру и, в свою очередь, состоит из множества еще более простых частиц, которые и получили наименование «элементарных». В 1913 г. датский физик Н.Бор предложил так называемую «планетарную» модель строения атома, согласно которой основная масса вещества атома сосредоточена в его ядре, вокруг которого по определенным орбитам вращаются электроны. Переход электрона с одной орбиты на другую сопровождается либо поглощением, либо выделением энергии. Спустя несколько десятилетий после признания планетарной модели атома физики открыли несколько десятков разнообразных элементарных частиц. Ныне считается, что все эти элементарные частицы вовсе не «элементарны», а сами состоят из еще более мелких частиц, называемых кварками. – Вот так формировались представления о веществе – о том, из чего состоят все вещи окружающего нас мира.

Однако это еще не все. Великий английский физик Майкл Фарадей (1791-1867) родился в семье лондонского кузнеца. Бедность семьи не позволила ему получить хорошее образование. В начальной школе он научился читать, писать, постиг начала арифметики, а затем поступил в учение к переплетчику. Мальчик много читал, особенно увлекали его электричество и химия. Он сам начал проделывать опыты, описанные в книгах. В Лондонском Королевском институте по вечерам регулярно читали публичные лекции известные ученые. Лекции по химии читал знаменитый в те годы Г.Дэви. Майкл Фарадей увлекся его лекциями, тщательно записывал их, переплетал и отправлял Дэви. И когда Дэви понадобился помощник для проведения химических опытов, он вспомнил аккуратного слушателя и пригласил его в институт в качестве своего ассистента. Так Фарадей попал в науку. С 1831 г. Фарадей начал публиковать результаты своих исследований по электричеству, составивших трехтомный труд под заглавием «Экспериментальные исследования по электричеству». Фарадей обнаружил связь между электричеством и магнетизмом, исследовал химические действия электрического тока, сформулировал законы электролиза, ввел представление об атомах электричества, об индукционных токах, сформулировал закон превращения энергии, установил связь между электричеством, магнетизмом и светом и сделал еще многое другое. Но самое главное, что содержалось в его «Исследованиях» - это представление о том, что наряду с веществом существует еще и поле – среда, порождаемая источниками энергии: «При этой точке зрения на магнит, - писал Фарадей в 1852 г., - среда или пространство, его окружающие, играют столь же существенную роль, как и самый магнит, будучи частью настоящей и полной магнитной системы». Это поле способно существовать само по себе, оно распространяется с конечной скоростью и способно воздействовать на вещество. Примером такого поля является излучение Солнца. - «В этом случае лучи (которые представляют собой силовые линии) проходят через промежуточное пространство; но здесь мы можем оказывать на эти линии действие при помощи различных сред, расположенных на их пути. Мы можем изменить их направление посредством отражения или преломления; мы можем заставить их идти по криволинейным или ломаным путям. Мы можем отрезать их от их источника и затем искать их и найти, прежде чем они достигнут своей конечной цели. Они связаны со временем и требуют 8 минут, чтобы пройти от Солнца до Земли; таким образом, они могут существовать независимо и от своего источника и от места, в которое в конце концов приходят. Таким образом, они имеют ясно различимое физическое существование». – Через несколько лет Д.К.Максвелл дал точное математическое описание свойств электромагнитного поля. Теперь нам известно, что физическая материя может существовать в виде вещества, т.е. атомов и элементарных частиц, и в виде электромагнитного поля.