Борьба за атомистику

Творческая жизнь учёного представляет собою единое целое; лишь для удобства рассмотрения она может быть разделена на отдельные периоды.

В творчестве Ломоносова относительно резко различаются три периода.

Первый период простирается от конца учения до постройки химической лаборатории, т. е. до 1748 года, и посвящен главным образом теоретическим исследованиям в области физики.

Второй период обнимает отрезок времени от постройки химической лаборатории до 1757 года. В эти годы Ломоносов занимается в основном решением различных вопросов теоретической и экспериментальной химии.

Третий период охватывает годы, начиная с 1757 года вплоть до смерти Ломоносова.

В течение этих лет Ломоносов, помимо прежних занятий, уделяет много времени работам в области различных прикладных наук и административной деятельности.

Ломоносов придавал очень большое значение своим физическим исследованиям.

"Стихотворство - моя утеха, физика - мои упражнения", - говорил он.

За годы, предшествовавшие постройке лаборатории, Ломоносовым был выполнен ряд капитальных работ по физике, значение которых было понято только гораздо позже.

Поэтому совершенно естественно кратко остановиться на содержании и научном значении важнейших сочинений этого периода. К таковым можно отнести три диссертации: "О нечувствительных физических частичках, составляющих тела природы", "О причине теплоты и холода" и "Попытка теории упругой силы воздуха".

Рис. 8. Механизм столкновений и взаимодействий молекул (по Ломоносову)

Приблизительно две с половиною тысячи лет назад у человека возникла гениальная догадка о том, что все тела в мире состоят из мельчайших, невидимых глазом частиц. В наиболее совершенной форме эту мысль выразил замечательный греческий философ Демокрит. Мельчайшие частицы, из которых состоит всё в мире, он считал неделимыми и назвал поэтому атомами ("атом" по-гречески означает "неделимый"): "Обыкновенно мы говорим, - писал он, - о сладком и горьком, о тёплом и холодном, о цвете и запахе, - в действительности же существуют атомы и пустое пространство".

При помощи этих представлений объяснялись многие явления, знакомые нам из обычной жизни. Так, например, аромат цветов объяснялся тем, что атомы, вылетающие из чашечки цветка, попадают в нос человека и вызывают ощущение запаха. Сходно объяснялась способность человека видеть окружающие предметы и т. д.

В древности взгляды Демокрита пользовались большим распространением. Но вот проходят столетия, и положение изменяется.

Получившая огромную власть в средние века христианская церковь стремилась увести человеческую мысль от всего разумного, материального. Не могла примириться церковь с мыслью о том, что мир, в конечном счёте, состоит лишь из материальных частиц - атомов Демокрита. Взгляды Демокрита объявляются языческими. В борьбе с атомным учением церкви помогают светские власти. 4 сентября 1626 года парижский Парламент специальным декретом запретил распространение атомных представлений под страхом смертной казни.

Однако развитие науки нельзя остановить бумажными декретами, какими бы грозными они ни были. Проходит несколько десятилетий, и именно в Париже возрождаются идеи атомного строения вещества. На этот раз их выразителем был французский философ Пьер Гассенди.

Сторонником Гассенди был известный английский физик Роберт Бойль (1627-1691).

Один из творцов современной физики - великий. Ньютон (1643-1727) считал, что все тела состоят из "имеющих массу, крепких, непроницаемых, движущихся частичек...", т. е. атомов.

Следует, однако, отметить, что атомные представления даже крупнейших учёных того времени были несовершенны и непоследовательны. Одновременно с материальными атомами ими признавалось существование различных невесомых, нематериальных веществ. Сам Гассенди считал, что существуют не только материальные атомы, но и атомы... души!

Наряду с представлениями об атомах в науке того времени было весьма распространено воззрение, согласно которому считалось, что вещество может делиться неограниченно и никаких мельчайших неделимых частиц - атомов или корпускул - не существует.

Во времена Пьера Гассенди эту точку зрения развивал крупнейший французский философ Рэне Декарт - "славный и первый из новых философов", как его называл Ломоносов.

Декарт отрицал существование неделимых частиц материи - атомов. По его мнению, единственным признаком материи являлась протяжённость, т. е. способность занимать некоторое пространство. По своей же сущности, как думал он, материя неограниченно делима.

Не признавал материальных атомов и такой крупный учёный, как Г. В. Лейбниц (1646-1716), а вслед за ним и его последователь Христиан Вольф.

В свете сказанного весьма знаменательно, что уже в первых своих сочинениях Ломоносов выступает (в противоположность своему учителю) последовательным атомистом.

Это показывает, как рано преодолел Ломоносов влияние своего учителя.

В представленной в 1743 году в Академию диссертации "О нечувствительных физических частичках", так же как и в ранее написанных "Элементах математической химии", Ломоносов утверждает, что все тела состоят из мельчайших материальных частичек, которые он называет "элементами" и "корпускулами". "Корпускулами" он обозначает сложные частицы, состоящие из простых частиц - "элементов". Теперь мы вместо "корпускула" говорим молекула, вместо "элемент" - атом.

Замечательно, что ясно проведённое Ломоносовым различие между молекулами и атомами было точно формулировано вторично лишь сто лет спустя, на специальном международном съезде химиков.

Ломоносов считал, что такие свойства тел, как цвет, запах, удельный вес и т. д., определяются качеством, родом мельчайших частиц, их взаимным расположением и движением.

Поскольку же "корпускулы" и "элементы" представляют собой мельчайшие тельца, обладающие всеми свойствами обычного тела, то их движения и взаимодействия подчиняются законам обычной механики. Поэтому Ломоносов заключил, что "частичные качества тел могут быть объяснены законами механики". А так как механика в свою очередь широко пользуется математическими методами, Ломоносов поставил необычную для своего времени задачу: создание "математической химии". Решение, этой задачи превратило бы химию из "искусства", которым она являлась в то время, в точную науку.

Приходится пожалеть о том, что указанные сочинения Ломоносова принадлежат к тем немногим его работам, которые он не опубликовывал. Несомненно, они бы обратили на себя внимание и, возможно, сильно повлияли бы из развитие науки.

Только много позднее появились сочинения, в которых атомные представления развивались столь же последовательно. Названные работы являлись частью широко задуманного Ломоносовым сочинения, посвященного атомному учению, или, как он выражался, "корпускулярной философии".

На совершенно естественно возникающий вопрос, почему Ломоносов не опубликовал эти сочинения, некоторый свет проливают его письма.

Чрезвычайно требовательный к себе, он писал своему другу, петербургскому академику, гениальному математику Л. Эйлеру:

"Хотя я всю систему корпускулярной философии мог бы опубликовать, однако боюсь: может показаться, что Даю учёному миру незрелый плод скороспелого ума, если выскажу многие новые взгляды, по большей части противоположные принятым великими мужами".

Опасался он также "опечалить горечью духа старость" учителя своего Христиана Вольфа, учение которого до основания разрушалось доказательствами Ломоносова.

Не опубликовывая упомянутые выше две диссертации целиком, Ломоносов в совершенстве разработал и опубликовал отдельные части этих работ.

Одним из важных вопросов естествознания того времени был вопрос о природе теплоты. Развитие промышленности и многочисленные попытки устройства паровой машины привлекали к этому вопросу внимание учёных различных стран.

Подобно тому как сегодня учёные пытаются заставить служить человеку огромные запасы энергии, заложенные в атомных ядрах, так же во времена Ломоносова люди пытались использовать для этой же цели запасы химической энергии, скрытые в молекулах, входящих в состав древесины и угля, превращая ее в теплоту. И так же как сегодня для конструирования совершенных атомных электростанций учёные стремятся выяснить природу ядерных сил и ядерной энергии, так во времена Ломоносова они пытались понять природу теплоты.

Как же решался тогда этот вопрос наукой?

В европейской науке того времени существовал общеупотребительный способ решения ряда затруднительных вопросов.

Для объяснения непонятных явлений, для ответа на трудные вопросы наука располагала целым набором таинственных невесомых веществ или "материй". Так, например, существовало "невесомое тепловое вещество", или "тепловая материя", "невесомая материя упругости", "материя холода", "материя тяготения" и т. д. При помощи этих материй можно было на словах объяснить всё, что угодно!

Вас интересует, почему вода в чайнике, поставленном на огонь, нагревается; ответ готов: "невесомая тепловая материя, выделяемая огнём, входит в воду, и вода нагревается.

Точно так же, если вас интересует, почему газ сопротивляется уменьшению объёма, то это можно объяснить тем, что в нём имеется "невесомая материя упругости", которая и обусловливает упругость газа.

"Объяснения явлений природы при помощи невесомых "материй запоминают известные рассуждения врача в одной из комедий Мольера.

В зёрнах мака имеется химическое вещество - опий, при приёме которого человек погружается в глубокий сон. Невежественный, но воображающий себя учёным врач, высмеиваемый в комедии, объяснял снотворное свойство опия так: "опий усыпляет потому, что он обладает усыпляющими свойствами"!

Конечно, такого рода объяснения не помогают понять, почему и как в природе происходят те или иные явления.

Однако во времена Ломоносова наличие "тепловой материи" принималось почти всеми крупными учёными. Этих же взглядов придерживался и уважаемый Ломоносовым Вольф.

В переведённой Ломоносовым на русский язык "Вольфианской экспериментальной физике", книге, передовой для своего времени, мы читаем: "...теплота и без воздуха распространяется и следовательно есть материя, которая воздуха много тончае... Мы станем называть её теплотворною материей..."

Материалистической корпускулярной философии Ломоносова органически чуждо представление о невесомых материях. Последовательная борьба с ними проходит красной нитью через всё его научное творчество.

В январе 1745 года Ломоносов на двух заседаниях Академии наук зачитал своё "Размышление о причине теплоты и холода", в котором с полной убедительностью показал, что для объяснения теплоты совершенно не нужна особая тепловая материя.

"Очень хорошо известно, - начинает он свою диссертацию, - что теплота возбуждается движением: от взаимного трения руки согреваются; дерево загорается пламенем; при ударе кремня об огниво появляются искры; железо накаливается докрасна от проковывания частыми и сильными ударами, а если их прекратить, то теплота уменьшается и произведённый огонь тухнет".

Но "тела могут двигаться двояким движением - общим, при котором всё тело непрерывно меняет своё место при покоящихся друг относительно друга частицах, и внутренним, которое есть перемена места нечувствительных частичек материи".

Какое же из этих движений производит теплоту?

"Так как, - заключает Ломоносов, - при самом сильном общем движении часто не наблюдается теплоты, а при отсутствии такого движения - наблюдается большая теплота, то следовательно, теплота состоит во внутреннем Движении материи".

Рис. 9. Первый лист рукописи М. В. Ломоносова 'Химические и оптические записки'

Итак, теплота есть движение мельчайших частичек, тех самых корпускул, о которых уже говорилось. Чем выше температура, тем быстрее движутся частички. Но не противоречат ли эти рассуждения обыденному опыту? Ведь в нагреваемых телах мы на глаз не замечаем никакого движения. Не можем мы его обнаружить и с помощью микроскопа. Возможность этого возражения учёл Ломоносов. "Ведь нельзя отрицать, - писал он, - существование движения там, где его не видно: кто, в самом деле, будет отрицать, что когда через лес проносится сильный ветер, то листья и сучья дерев колышатся, хотя бы при рассматривании издали глаз не видел движения. Точно так же, как здесь вследствие расстояния, так и в тёплых телах вследствие малости частичек, движущейся материи колебание ускользает от взора".

Далее Ломоносов разбирает вопрос о том, с какого рода движением следует связывать теплоту, и логично, с точки зрения науки своего времени, показывает, что теплота связана с вращательным движением частиц. В наше время мы знаем, что тепловое движение частиц может быть как вращательным, так и поступательным или колебательным.

Рядом рассуждений, основывающихся на опытах, Ломоносов показывает, что "нельзя приписывать теплоту тел сгущению какой-то тонкой, специально для того предназначенной материи".

Нам сейчас трудно оценить революционность объяснения Ломоносова. Почти полтораста лет спустя великий основоположник диалектического естествознания Ф. Энгельс писал: "Открытие, что теплота представляет собою некоторое молекулярное движение, составило эпоху в науке".

Заметим, что чрезвычайно живучим было представление о "невесомой материи теплоты", или "теплотворе", как её называли. Так, например, известный французский химик А. Лавуазье, составляя в самом конце XVIII века список химических элементов (простейших веществ), поместил в самом начале его две невесомые материи - свет и теплоту.

Вплоть до середины XIX века просуществовала в науке "невесомая тепловая материя".

Только во второй половине прошлого столетия, под давлением всё большего количества фактов, говорящих против существования тешютвора, учёные пришли к взглядам, чётко формулированным великим Ломоносовым на сто лет раньше!

В своей диссертации Ломоносов делает два замечательных частных заключения. В § 26 он пишет: "нельзя назвать какую-нибудь определённую скорость движения (такую), чтобы мысленно нельзя было представить себе большую". Следовательно, температура тела может быть очень большой. И действительно, мы знаем сейчас, что внутри звёзд температура достигает миллионов градусов.

"Наоборот, - добавляет Ломоносов, - то же самое движение может настолько уменьшиться, что наконец тело достигает совершенного покоя - и никакое дальнейшее уменьшение движения невозможно. Следовательно по необходимости должна существовать наибольшая и последняя степень холода...". Это заключение совпадает с современными представлениями, согласно которым при абсолютном нуле, лежащем на - 273,2 градуса ниже обычного нуля, должно прекратиться беспорядочное тепловое движение молекул.

Чрезвычайно интересен предыдущий, 25-й параграф диссертации. Он начинается утверждением: "Тело А при действии на тело В не может придать последнему большую скорость движения, чем какую имеет само"; из этого Ломоносов делает вывод, что "холодное тело В, погружённое в тело А, не может воспринять большую степень теплоты, чем какую имеет А". В этих положениях - зародыш одного из важнейших законов современного естествознания.

Через несколько лет после написания "Размышления о причине теплоты и холода", изгоняющего из науки "теплотворную материю", Ломоносов столь же решительно расправляется ещё с одной "невесомой материей", а именно с "материей упругости".

Развивая мысли, заложенные в его первых сочинениях, он представляет в 1748 году в Академию наук диссертацию, озаглавленную "Попытка теории упругой силы воздуха".

"Мы считаем, - пишет в этой замечательной работе Ломоносов, - излишним призывать на помощь для отыскания причины упругости воздуха ту своеобразную блуждающую жидкость, которую очень многие - по обычаю века, изобилующего тонкими материями - применяют обыкновенно для объяснения природных явлений. Мы довольствуемся тонкостью и подвижностью самого воздуха и ищем причину упругости в самой материи его".

Но чем же тогда вызывается упругая сила воздуха?

Ломоносов уверен, что "она происходит от какого-то непосредственного взаимодействия атомов" воздуха.

"Очевидно, - пишет он, - что отдельные атомы воздуха, взаимно приблизившись, сталкиваются с ближайшими... вторые атомы друг от друга отпрыгнули, ударились в более близкие к ним и снова отскочили; таким образом непрерывно отталкиваемые друг от друга частыми взаимными толчками они стремятся рассеяться во все стороны". Вот эти-то бесчисленные удары атомов газа, складываясь вместе, и создают ту силу, которую мы ощущаем, когда пытаемся сжать газ.

Рядом убедительных рассуждений показывает Ломоносов, что упругость газов можно объяснить движением частиц газа, не прибегая ни к каким "невесомым материям".

"Теорию упругой силы воздуха" Ломоносов снабдил очень интересным дополнением.

Согласно его взглядам, частицы, из которых состоят газы, представляют собою несжимаемые тельца небольшого, но определённого объёма. При уменьшении объёма, занимаемого газом, уменьшаются лишь промежутки между отдельными частицами. Именно поэтому газ сравнительно легко сжимается. Однако если очень сильно уменьшить объём, занимаемый газом, то, как указал Ломоносов, свободное от частиц газа пространство будет составлять лишь небольшую долю всего объёма. Большая часть объёма газа будет приходиться на долю самих несжимаемых частиц.

При этих условиях газ будет оказывать уже большее сопротивление дальнейшему сжатию, чем газ несжатый. Это обстоятельство, отмеченное впервые Ломоносовым, было вторично "открыто" французским учёным А. Дюпре 115 лет спустя.

Следует заметить, что с работами Ломоносова, посвященными природе теплоты и кинетической теории газов, тесно связано его исследование естественной вентиляции рудников.

В своём сочинении "О вольном движении воздуха, в рудниках примеченном" Ломоносов, учитывая изменение удельного веса воздуха с температурой, объясняет явления обмена воздуха в шахтах. Изложение Ломоносова столь совершенно, что он сейчас с полным правом считается основателем гидравлической теории движения пламени и лёгких газов.

Диссертации, в которых излагались механическая теория теплоты и новое объяснение упругости газов, были опубликованы в журнале Петербургской Академии наук на латинском языке. Журнал рассылался всем иностранным академиям, университетам и учёным обществам. Работы Ломоносова получили широкую известность в Европе.

Особенно оживлённые отклики вызвали "Размышления о причине теплоты и холода". Подавляющее большинство европейских учёных не поняло Ломоносова. Слишком революционными были излагаемые им взгляды. Во многих журналах работы Ломоносова подверглись пристрастной и невежественной критике, сильно раздражавшей его. Чашу терпения переполнил случай с неким совершенно заслуженно забытым историей И. X. Арнольдом. Сей предприимчивый магистр решил для получения доцентуры в Эрлангенском университете (Германия) публично "опровергнуть" теорию Ломоносова. Написанный в развязном тоне отчёт о выступлении Арнольда был помещён в немецкой газете, называвшейся как будто в насмешку "Беспристрастным гамбургским корреспондентом".

Возмущённый недобросовестной критикой, искажающей его теорию, Ломоносов решил ответить магистру Арнольду и иже с ним так, как они этого заслуживали.

Посылая опровержение критики петербургскому академику Эйлеру, он писал: "Издатель журнала... не столько из любви к науке, сколько из недоброжелательства напал на мои неусыпные труды и, не поняв их, жестоко отделал. Посылаю на ваше проницательное рассмотрение самое очевидное доказательство его злобы и тупости".

В своём ответе недобросовестным критикам Ломоносов со свойственной ему прямотой высказал им ряд горьких истин.

"Кто берётся сообщать публике содержание новых сочинений, - писал он, - должен наперёд взвесить свои силы, ибо он предпринимает труд тяжёлый и весьма сложный... Чтобы быть в состоянии произнести приговор искренний и справедливый, надобно освободить свой ум от всякого предрассудка и предубеждения. Журналист не должен торопиться порицать гипотезы... Наконец, он никогда не должен иметь слишком высокого мнения о своём превосходстве, о своём авторитете и о достоинстве своих суждений". А главное - должен понять мысли автора, разобрать все его доказательства.

Эйлер ответил Ломоносову дружеским письмом. "Недобросовестность и слог немецких газетчиков, - писал он, - мне очень хорошо известны и нисколько не трогают меня: я смеюсь, видя, как они терзают и стараются уронить прекраснейшие сочинения... я всегда буду мнения, что надобно презирать подобные статьи... Всякий знает, что появившиеся до сих пар трактаты о причинах теплоты ещё не разъяснили вполне этого предмета... Вас нельзя не поблагодарить за то, что вы рассеяли мрак, покрывавший доселе этот вопрос... Я передал ваш мемуар профессору Формею, который мне обещал поместить ваше возражение во французском журнале".

В одном же из писем в Петербург Эйлер дал лестный отзыв о работах Ломоносова. "Совсем другое дело, - читаем мы в одном из его писем, - сочинение Ломоносова о причине теплоты: всё, что другими было говорено о том, - нелепо или неосновательно и потому весьма далеко от достоверного объяснения; возражения же противников доказывают, с одной стороны, что они его мысли не поняли, а с другой - обличают их грубое невежество,..".

Формей, как и обещал, напечатал возражения Ломоносова. Посылая Ломоносову оттиск его статьи, Формей от себя добавляет: "Посылаю вам при сем листки из моего журнала, где оная диссертация напечатана. Сие было должность (долг), чтобы защитить только праведное ваше дело от таких неправедных поносителей".

Из современников Ломоносова понял значение его работ по физике только гениальный математик Л. Эйлер. В официальном отзыве, данном в Академию наук, он характеризует их следующими словами: "Все сии диссертации не токмо хороши, но и весьма превосходны, ибо он пишет о вопросах (материях) физических и химических весьма нужных, которые поныне не знали и истолковать не могли самые остроумные люди... При сем случае господину Ломоносову должен отдать справедливость, что имеет превосходное дарование для изъяснения физических и химических явлений. Желать должно, чтобы и другие Академии в состоянии были произвести такие открытия, какие показал г-н Ломоносов".

Мы подробно остановились на тех откликах, которые вызвали физические исследования М. В. Ломоносова за рубежом, для того, чтобы опровергнуть распространённое, но, как нам представляется, неправильное мнение о том, что работы Ломоносова были неизвестны за границей и потому не оказали влияния на развитие европейской науки.

Работы Ломоносова не были продолжены другими учёными за рубежом не потому, что они были неизвестны, но потому, что они опережали науку своего времени более чем на сто лет.

Время - лучший судья всех научных теорий. Правильность замечательных мыслей, высказанных впервые гениальным русским учёным Михаилом Васильевичем Ломоносовым, подтвердило всё развитие физики на протяжении почти двухсот лет, прошедших с его времени.