Химические и физические исследования. Закон сохранения вещества и движения

В годы, последовавшие за постройкой химической лаборатории, обширный круг занятий Ломоносова ещё более расширился. Кажется, что исполнение заветного желания - постройка лаборатории - увеличило его и без того неисчерпаемую энергию. К физическим исследованиям добавились обширные работы по химии и химической технологии. В эти же годы Ломоносов впервые выступил как драматург и художник.

Как показало время, из разнообразных работ этого периода наибольшее значение имели его физико-химические исследования, которым и будет посвящена эта глава.

Добившись постройки и оборудования столь необходимой ему химической лаборатории, Ломоносов проводит в ней всё время, которым располагает. В относящихся к этому периоду протоколах заседаний Академии наук обычно делается запись: "Советник Ломоносов просит извинить его отсутствие по причине важных химических дел".

Как и раньше, нас поражает его огромная трудоспособность. Составляя в конце жизни перечень своим "сочинениям и другим трудам", Ломоносов пишет, что только опытов по приготовлению стёкол в эти годы "сделал он больше четырёх тысяч" и при этом "не только рецепты сочинял, но и материалы своими руками по большей части развешивал и в печь ставил".

Огромная работоспособность и личное участие в продлении опытов характеризуют стиль лабораторной работы Ломоносова. Характерно также, что работу во вновь Построенной лаборатории Ломоносов начинает с решения практически важного вопроса - с разработки нового процесса химической технологии.

Ломоносов принадлежал к тем учёным, в творчестве которых теоретические исследования гармонически сочетаются с решением практически важных задач. "Наука для него была непосредственно связана с опытом, с практикой, с промышленной разработкой естественных богатств страны, с развитием её производительных сил, её культуры", - писала о Ломоносове газета "Правда" в день 225-летнего юбилея со дня его рождения.

В то же время все свои практические исследования Ломоносов старался использовать для развития теоретической науки. "При всех сих практических опытах, - писал он, - записываю и те обстоятельства, которые надлежат до химической теории".

Ещё за несколько лет до создания лаборатории Ломоносов познакомился с образцами итальянской мозаики и так пленился их красотою, что решил организовать производство мозаичных картин в России. Решением этой задачи и занялся он во вновь отстроенной лаборатории. При этом, как и всегда, выбранное Ломоносовым решение было оригинально. Он решает заменить цветные камни, из которых складывались итальянские картины, специально приготовленными цветными стёклами.

При разработке способов производства подобных стёкол физико-химические проблемы переплетались с чисто художественными задачами - получения необходимых для живописи оттенков. Такая сложная задача была по душе Ломоносову. Хотелось ему также доказать, что "химические эксперименты к приращению художеств весьма нужны и полезны".

Поэтому он со всей душой берётся за дело и скоро достигает такого совершенства в приготовлении и шлифовке цветных стёкол, что уже в 1752 году собственноручно изготовляет большую мозаичную картину. Успех окрылил Ломоносова. Чувствуя, что помещение лаборатории не пригодно для массового производства цветных стёкол, он начинает настойчиво хлопотать об организации специальной фабрики, на которой могли бы изготовляться стеклянные украшения и изделия из цветного стекла: бисер, стеклярус и т. п. Благодаря исключительной энергии Ломоносов получает для организации фабрики поместье в Усть-Рудицах, в 64 верстах от Петербурга.

Рис. 10. 'Полтавская баталия'. Мозаичная картина работы М. В. Ломоносова

Лично сам конструируя необходимые машины и наблюдая за их выполнением, Ломоносов вскоре пускает фабрику в ход. Фабрика много способствовала производству мозаичных картин. В 1756 году Ломоносов преподнёс Сенату в благодарность за учреждение фабрики собственноручно изготовленный мозаичный портрет Петра I.

Рис. 11. Пётр I. Мозаичный портрет работы М. В. Ломоносова

Однако гениальный учёный оказался плохим коммерсантом. Финансовое положение фабрики доставляло организатору её очень много хлопот. В 1761 году Ломоносов получил правительственный заказ на украшение мозаичными картинами предполагаемого мавзолея - памятника Петру I. На полученные деньги он построил вблизи от своего дома специальную мастерскую и сам лично, вместе с учениками и помощниками, принялся за изготовление картин.

Мозаичные картины производились следующим образом: первоначально изготовлялись разноцветные, отшлифованные с одного конца стеклянные палочки. Из этих палочек складывалась на медном подносе-основании картина. Картина складывалась по заранее нарисованному образцу. Цветные стёкла прикреплялись к медному подносу специальным цементом, и собранная таким образом картина шлифовалась.

В мастерской Ломоносова была изготовлена картина, изображающая Полтавскую битву, в которой русские войска разбили войска шведского короля Карла XII.

Рис. 12. 'Каин'. Рисунок М. В. Ломоносова

"Полтавская баталия" сохранилась до наших дней (она находится в старом здании Академии наук в Ленинграде). Она поражает нас и сейчас яркостью своих красок.

Оригинал картины был написан лично Ломоносовым, и, любуясь "Полтавской баталией", мы поражаемся величием его художественного таланта.

Вызывают удивление размеры картины, имевшей 8¹/₂ метров (12 аршин) в ширину и почти 8 метров (Паршин) в высоту. Мозаика была уложена на медном подносе, который вместе с креплением весил больше двух тонн.

Картина была окончена во второй половине 1764 года, уже незадолго до смерти Ломоносова. После его смерти фабрика цветного стекла в Усть-Рудицах и мастерская в Петербурге были вскоре закрыты. Всего из мастерской Ломоносова вышло 43 картины из которых 22 не найдены.

Производя опыты по приготовлению цветных стёкол и фарфора, Ломоносов не оставлял и чисто химических исследований. Именно в эти годы Ломоносов опытами подтверждает установленный им ранее основной закон природы и создаёт совершенно новую науку - физическую химию.

Переходя к описанию этой стороны деятельности Ломоносова, необходимо сказать несколько слов о состоянии химии в то время. Химии как науки во времена Ломоносова не существовало. Этим именем называли искусство разлагать сложные тела на более простые и, обратно, - из простых тел создавать сложные. При этом при различных химических операциях не учитывался вес исходных веществ и получающихся продуктов. Поэтому не удивительно, что в зависимости от "искусства" химика при разложении какого-либо вещества получались разные продукты. Много способствовало получению противоречивых результатов также отсутствие представления о чистом химическом веществе. Распространёнными в то время названиями химических веществ обозначали обычно более или менее произвольные смеси различных продуктов. Поэтому одни и те же опыты в руках разных химиков приводили подчас к разным результатам. Самые фантастические объяснения продолжали применяться для истолкования наблюдаемых химических превращений. Ломоносову принадлежит честь превращения химии из "искусства" в точную науку.

"Правда, многие отрицают возможность положить в основание химии начала механики и сделать её точной наукой", - писал он в своём первом химическом сочинении - "Элементы математической химии". "Но, - добавлял он далее, - это люди заблудившиеся в потёмках скрытых свойств". Химия же - "наука изменений, происходящих в смешанном теле, поскольку оно смешанное". И так же "как в науке принято доказывать утверждаемое, то и в химии всё высказываемое должно быть доказано", - читаем мы в том же сочинении. Эти определения совпадают с нашими современными воззрениями.

Для Ломоносова характерна связь его химических представлений с развитой им атомной теорией. Он глубоко был уверен, что для понимания химических превращении необходимо изучение свойств мельчайших частиц, из которых построены все тела.

Пользуясь атомной теорией, он устанавливает важнейшее для химии понятие - понятие о простом химическом веществе или химическом элементе. Как мы уже говорили, согласно его представлениям, все тела состоят из мельчайших частиц ("элементов"). Соединяясь вместе, эти мельчайшие частицы образуют более крупные частицы - корпускулы или, как мы теперь бы сказали, молекулы. "Корпускулы однородны, если состоят из одинакового числа одних и тех же частиц (элементов), соединённых одинаковым образом".

Тело, состоящее из однородных корпускул, Ломоносов назвал "началом". Неразлагаемое дальше "начало" Ломоносова совпадает с химическим "элементом" современной нам химии.

Согласно Ломоносову, "смешанное тело (или химическое соединение, сказали бы мы теперь) есть то, которое состоит из двух или нескольких различных начал, так соединённых между собою, что каждая отдельная его корпускула имеет такое же отношение частей начал, из которых тело состоит, какое имеет и всё смешанное тело". Несомненно, что если бы Ломоносов опубликовал свои такие чёткие определения основных химических понятий, то они оказали бы большое влияние на развитие химии и не пришлось бы через сто лет их устанавливать вновь^*.

^* (Под влиянием работ советских учёных заслуги Ломоносова вынуждены признать и зарубежные учёные. В вышедшем в 1947 году учебнике химии известного американского химика Л. Паулинга указывается роль Ломоносова в развитии представлений о строении вещества и делении химических веществ на химические элементы и соединения.

В другом американском учебнике химии, написанном в 1946 году, приводится дословно ломоносовское определение химического Уединения. Этому определению даётся имя "Закона Ломоносова".)

Ломоносов ясно представлял себе, что для того, чтобы быть уверенным в результатах химических опытов, необходимо работать с чистыми химическими веществами. Составляя план химических исследований в лаборатории, он пишет: "1) Нужные и в химических трудах употребительные натуральные материи сперва со всяким старанием вычистить, чтобы в них никакого постороннего примесу не было, от которого в других действиях обман быть может. 2) Вычищенные материи разделять, сколько можно, на те, из которых они натурально сложены. 3) Для лучшего доказательства, что разделённые материи из оных простых состоят намерен оные снова соединять, сколько возможно". Уже выполнение одной этой программы приблизило бы значительно искусство химии к точной науке. Но Ломоносов с такой же ясностью определяет и то последнее и важнейшее требование, которое должно выполняться при химических опытах для того, чтобы данный химический опыт в руках любого химика приводил к одним и тем же результатам.

"Желающему делать физико-химические опыты, - пишет он, - необходимо пользоваться... весом и мерою". Поэтому в приведённом частично выше плане химических исследований мы дальше читаем: "При всех помянутых опытах буду я примечать и записывать не токмо самые действия, вес или меру употребляемых к тому материй и сосудов, но и все окрестности, которые надобно быть покажутся".

Все эти мысли возникли у Ломоносова из сознания тесного родства химии с физикой (а через последнюю и с математикой). Эту связь Ломоносов лучше всего выразил в своём знаменитом "Слове о пользе химии, говоренном 6 сентября 1751 года".

"Бесполезны тому очи, - говорил он, - кто желает видеть внутренность вещи, лишаясь рук к отверстию оной. Бесполезны тому руки, кто к рассмотрению открытых вещей очей не имеет. Химия руками, математика очами физическими по справедливости назваться может. Но как обе в исследовании внутренних свойств телесных одна от другой необходимо помощи требуют, так напротив того умы человеческие нередко в разные пути отвлекают. Химик, видя при всяком опыте разные и часто нечаянные явления и произведения, и приманиваясь тем к снисканию скорой пользы, математику как бы только в некоторых тщетных размышлениях о точках и линиях упражняющимуся смеётся. Математик напротив того уверен о своих положениях ясными доказательствами и через неоспоримые и беспрерывные следствия выводя неизвестные количеств свойства, химика как бы одною только практикою отягощенного и между многими беспорядочными опытами заблуждающего презирает; и приобыкнув к чистой бумаге и к светлым геометрическим инструментам, химическим дымом и пеплом гнушается. И для того по сие время сии две общею пользою так соединённые сестры толь разномысленных сынов по большей части рождали. Сие есть причиною, что совершенное учение химии с глубоким познанием математики ещё соединено не бывало...". Развивая далее идею родства физики и химии, Ломоносов создаёт в 1752 году упомянутую выше новую науку - физическую химию.

Задачи физической химии были определены им совершенно точно: "Физическая химия есть наука, объясняющая на основании положений и опытов физики то, что происходит в смешанных телах при помощи химических операций. Она может быть названа химической философией".

Написанный им "Курс истинной физической химии" поражает глубиной высказанных мыслей. Созданием физической химии Ломоносов опередил своё время более чем на сто лет. Только в 1865 году русский профессор Н. Н. Бекетов в Харьковском университете впервые в мире ввёл чтение курса физической химии.

В 1752-1754 годах Ломоносов прочитал студентам Академического университета лекции по физической химии. Совершенно так же, как это делается теперь, лекции сопровождались практическими работами, выполняемыми студентами, ибо "химик требуется не такой, который только из одного чтения книг понял сию науку; но который собственным искусством в ней прилежно упражнялся".

Для выполнения практических работ по физической химии Ломоносов сконструировал ряд оригинальных приборов. К сожалению, сохранилось описание только немногих из них. Советским учёным удалось обнаружить рисунки точила "для исследования твёрдости каменей разных и стёкол" и прибора "для исследования вязкости жидких материй по числу капель". Последний прибор является прототипом вискозиметров, употребляемых в настоящее время. Как явствует из рисунка, прибор Ломоносова представлял собой воронку, в которую вставлялся стеклянный стержень, оканчивающийся шариком. Жидкость протекала в зазоре между стенками воронки и шариком. Перемещая стержень, можно было изменять ширину зазора. Определяя число капель, упавших из воронки за определённый промежуток времени, можно было судить о вязкости жидкости.

Рис. 13. Прибор Ломоносова для определения твёрдости тел

Рис. 14. Прибор Ломоносова для определения вязкости жидкостей

Прибор же, предназначенный для определения твёрдости тел, применяется и в наше время почти без всяких изменений.

Справедливость требует указать также, что Ломоносов первым применил для ускорения фильтрования выкачивание воздуха из сосуда, в который поступает профильтрованная жидкость.

Смело вводя новые физические методы исследования, Ломоносов с успехом использовал в своих физико-химических исследованиях микроскопические наблюдения. Так, например, он наблюдал при помощи микроскопа, как происходит растворение железной проволоки в азотной кислоте.

В практикуме по физической химии Ломоносов предполагал "к химическим опытам присовокуплять... оптические, магнитные и электрические опыты, так как, - пояснял он, - я не только в разных авторах усмотрел, но и собственным искусством удостоверился, что химические эксперименты, будучи соединены с физическими, особливые действия показывают".

Ломоносов составил план широких физико-химических исследований.

Этот замечательный документ содержит следующий перечень намеченных им опытов:

"I. Удельный вес твёрдых и жидких тел при разных градусах теплоты.

II. Сцепление твёрдых и жидких тел: жидких по числу капель, твёрдых пробою на излом, на сдавливание, стиранием на камне.

III. Фигуры кристаллов солей, металлов и разных смешанных тел.

IV. Микроскопические наблюдения: 1) движений, 2) частичек.

V. Дигерирование в Папиновой махине: 1) растворов, 2) летучих тел.

VI. Степень теплоты - определение: 1) термометрами, 2) пирометрами.

VII. Растирание: 1) в воде, 2) в спирте, 3) в масле.

VIII. Скорости: 1) ожижения, 2) кипения, 3) застывания, 4) кристаллизации, 5) растворения, 6) извлечения, 7) амальгамации, 8) возгонки, 9) перегонки, 10) горения.

X. Передача теплоты: 1) между однородными, 2) между разнородными телами.

XI. Опыты в пустоте.

XII. Вес, отношение и изменение веса - и растворов и смешанных тел".

Какая глубокая, какая всеобъемлющая программа исследований!

Несомненно, мы с полным правом можем считать М. В. Ломоносова родоначальником физической химии.

В 1753 году Ломоносов приступил к опытам, имевшим огромное значение не только для химии, но и для всего естествознания в целом. Для того чтобы лучше понять значение этих опытов, остановимся вновь кратко на некоторых вопросах химии времён Ломоносова.

В то время внимание химиков многих стран привлекали процессы, происходящие при горении или прокаливании различных тел. Различия в поведении тел при этих процессах позволяли разделить все тела на три класса. Тела первого класса на огне сгорали, оставляя большее или меньшее количество негорючей золы (так вели себя, например, дерево или каменный уголь). Тела второго класса не горели, но при прокаливании изменяли свой вид: так, например, твёрдые и блестящие металлы превращались при обжиге в хрупкие и землистые окалины. Наконец, тела третьего класса, как, например, камни, вовсе не изменялись при прокаливании.

Эти различия в поведении тел при обжиге удалось в XVIII веке объяснить с точки зрения единой теории. В самом деле, не естественно ли было предположить, что все тела состоят из собственно вещества данного тела и некоторой общей всем телам "материи горючести", удаляющейся при обжиге. Если тело способно гореть или вообще изменяться при обжиге, то в нём есть материя горючести, если же оно при этом остаётся неизменным, то материи горючести нет. Материи горючести дали имя "флогистон".

Весь XVIII век в химии можно назвать "веком флогистона". При помощи гипотезы о флогистоне удалось впервые объединить большое количество разрозненных фактов, составлявших содержание химии того времени. Считалось, что при прокаливании металла из него удалялся флогистон и оставался землистый остаток - окалина. Соединение окалины с флогистоном снова давало блестящий металл. Вполне естественно было заинтересоваться вопросом о том, сколько же флогистона в том или другом металле. Это можно было определить из опыта, надо было только взвесить металл, затем прокалить его и взвесить окалину. Разница в весе и дала бы вес флогистона. Подобный опыт ещё до появления гипотезы о флогистоне произвёл английский физик Р. Бойль.

Бойль поместил в стеклянную реторту отвешенный кусок свинца, тщательно заплавил горлышко реторты и затем прокалил её на огне. После двухчасового прокаливания свинец частично перешёл в окалину. Вскрыв реторту и взвесив оставшийся свинец и окалину, Бойль записал: "По нашему наблюдению, при этой операции была прибыль в весе на 6 гранов". Этот неожиданный результат трудно было объяснить с помощью теории флогистона: ведь при прокаливании металла флогистон удалялся из тела, однако окалина при этом оказывалась тяжелее исходного металла. Приходилось допускать, что флогистон, присоединяясь к телу, делал его более лёгким. Сам Бойль предложил другое объяснение своим опытам: "Материя огня", по его мнению, проникла через стеклянные стенки реторты и, соединившись с металлом, образовала окалину, более тяжёлую, чем металл.

Принципиальному противнику различных "тонких материй" Ломоносову объяснение, данное Бойлем своим опытам, внушило сомнение. Доказав, что теплота является внутренним движением вещества, не мог примириться Ломоносов с таинственной "материей огня".

Внимательно прочитав сочинения Бойля, Ломоносов скоро нашёл его ошибку. "После двух часов нагревания, - описывал свои опыты Бойль, - был открыт запаянный кончик реторты, причём в неё ворвался с шумом наружный воздух". Ломоносов совершенно правильно заключил, что этот ворвавшийся воздух и был причиной неожиданного результата опытов Бойля.

"Опыты Бойля над увеличением веса при действии огня, - докладывал он ещё в 1745 году в Академии наук, - показывают лишь что либо части пламени, сжигающего тело, либо части воздуха, во время обжигания проходящего над прокаливаемым телом, обладают весом". Позднее он уже уверенно утверждал, что "нет никакого сомнения, что частички воздуха, непрерывно текущего над обжигаемым телом, соединяются с ним и увеличивают его вес".

Ломоносова побуждала проверить опыты Бойля и другая, ещё более важная причина. Ещё в 1748 году он установил важнейший закон природы. В письме к Эйлеру 5 июля 1748 года Ломоносов писал: "Все перемены в натуре случающиеся такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому. Так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте; сколько часов положит кто на бдение, столько же сну отнимет. Сей всеобщей естественной закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оной у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает".

Этим законом Ломоносов уже пользовался. В 1744 году, желая объяснить охлаждение воды при растворении в ней солей, он писал: "Когда какое-либо тело ускоряет движение другого, то сообщает ему часть своего движения; но делает это лишь само теряя точно такую же часть. Поэтому частички воды, ускоряя вращательное движение частичек соли (при растворении), теряют часть своего вращательного движения. А так как последнее - причина теплоты, то нисколько не удивительно, что вола охлаждается при растворении соли".

Замечательно, что Ломоносов использовал установлений им закон не только для объяснения наблюдаемых явлений, но и как аргумент для опровержения неверных, по его мнению, заключений. Так, например, желая доказать невозможность действия на расстоянии, он первоначально допускает возможность подобного действия, а затем, остроумно воспользовавшись установленным им "всеобщим законом", доказывает нелепость подобного допущения, несовместимость его с "законом сохранения", а следовательно, и невозможность существования действие на расстоянии без какой-либо материальной среды, передающей это действие.

Однако "в науке мало взирают на родившиеся в одной голове вымыслы", и если приведённое выше наблюдение над растворением солей согласовывалось с одной половиной закона - постоянством движения, то опыты Бойля как будто опровергали другую его половину - постоянство материи.

Ломоносов был уверен в том, что никакой "материи огня" нет. Надо было проверить опыты Бойля.

Создание лаборатории предоставило Ломоносову возможность доказать на опыте свою правоту. И вот в 1756 году Ломоносов докладывает на конференции Академии: "Делал опыты в заплавленных накрепко стеклянных сосудах, чтобы исследовать прибывает ли вес металлов от чистого жару. Оными опытами нашлось, что славного Роберта Бойля мнение ложно, ибо без пропущения внешнего воздуха вес сожжённого металла остаётся в одной мере". Увеличение же веса окалины объяснялось присоединением к металлу воздуха, находящегося в реторте. Так был подтверждён открытый Ломоносовым основной закон природы!

Закон Ломоносова составляет эпоху в развитии науки, и потому, хотя бы кратко, остановимся на его значении.

Неуничтожаемость материи или движения, взятых в отдельности, формулировалась как догадка и до Ломоносова.

Заслуга Ломоносова заключается в том, что, обладая свойственным гениям даром предвидения, он объединил в подтверждённом им на опыте одном общем законе "все перемены в Натуре случающиеся".

"Материя", о сохранении которой говорит в своём законе Ломоносов, близка к ленинскому философскому определению материи, согласно которому "материя есть философская категория для обозначения объективном реальности, которая дана человеку в ощущениях его, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них".

Опыты, доказывающие постоянство массы при обжигании металлов, демонстрировали лишь одну конкретную форму выражения открытого Ломоносовым универсального закона природы, закона сохранения материи и движения.

Только сейчас, через двести лет после Ломоносова, мы можем понять и оценить значение этого великого обобщения. На протяжении последних ста лет оно служило основанием для развития естествознания, обеспечившего тот сказочный технический прогресс, свидетелями которого мы являемся.

Через 17 лет после Ломоносова такие же по идее опыты, но более детально проделал французский химик А. Лавуазье. Полученные им результаты полностью совпадали с результатами опытов Ломоносова. В 1789 году Лавуазье опубликовал свой известный "Начальный учебник химии", в котором в главе "О винокурении" привёл закон Ломоносова в частной форме, применительно к сохранению массы при химических превращениях.

Знал ли Лавуазье об упомянутых выше работах Ломоносова или не знал, - сейчас с полной достоверностью решить нельзя. Вероятно, они ему были известны, ведь, помимо письма к Эйлеру, Ломоносов в 1760 году сообщил в Академию об открытом им законе и опубликовал его в "Рассуждении о твёрдости и жидкости тел". Можно быть уверенным в том, что Лавуазье читал ломоносовские "Размышления о причине теплоты и холода", в которых ясно указывалась ошибка в опытах Бойля. В этом нас убеждает то обстоятельство, что в одной из своих работ Лавуазье упоминает прочитанную им статью академика Рихмана, помещённую в том же томе "Новых Комментариев Санктпетербургской Академии", в котором были напечатаны четыре большие диссертации Ломоносова, в том числе и упомянутые "Размышления о причине теплоты и холода". Нельзя представить себе, чтобы Лавуазье, имея в руках этот том журнала, не прочитал работ Ломоносова.

Г. В. Рихман

Сам Лавуазье нигде не приписывает себе открытие этого закона.

Нам осталось рассказать ещё об относящихся к этому же периоду работах Ломоносова в области электричества.

В середине XVIII столетия электрические явления привлекали к себе внимание учёных различных стран.

Ломоносов посвятил много времени изучению электричества, обогатив и этот отдел физики новыми ценными наблюдениями и идеями. Многие опыты Ломоносов производил вместе со своим другом, академиком Г. В. Рихманом.

Ломоносову и Рихману принадлежат первые опыты, посвященные количественному изучению электрических явлений. Вместе с Рихманом Ломоносов исследует электрические явления при помощи электрического указателя. Электрический указатель 5ыл простейшим электрометром, в котором к изолированной железной линейке прикреплялась тонкая льняная нить, отклонявшаяся в результате электрического отталкивания при соприкосновении линейки с заряженным телом. Специальная шкала позволяла измерить угол отклонения и определить "наэлектризованность любого тела, притом так, чтобы явствовало, где она больше".

Отметив, что чашка весов притягивается к наэлектризованной плите, Ломоносов указывает, что "весами можно весить электрическую силу, однако, сие ещё в действие не произведено". Этот способ измерения был использовав В. Томсоном в приборе, названном им абсолютным электрометром.

Для изучения атмосферного электричества Ломоносов укрепил на крыше своего дома деревянный шест с прикреплённой к нему железной стрелой. Идущая от железной стрелы проволока проводилась в комнату, по возможности с соблюдением изоляции от соединённых с землёй предметов. К концу проволоки присоединялись железная линейка и шёлковая нить, составлявшие описанный выше электрометр. Примерно такая же "громовая машина", как называли тогда описанное устройство, была установлена в доме, где жил академик Рихман.

Рис. 16. 'Электрическая стрела' на доме, где жил Ломоносов

Вскоре после начала опытов с "громовой машиной" Ломоносов делает важное открытие: он обнаруживает существование атмосферного электричества в отсутствии грозы. В 1753 году в "Петербургских Ведомостях" мы читаем, что г-ном Ломоносовым открыто, что "электрическая в воздухе сила далее громового треска распространяется или без действительного грому быть может". Трагическая гибель Рихмана оборвала их совместные опыты. Произошла она при следующих обстоятельствах: 26 июля 1753 года Ломоносов и Рихман присутствовали на заседании Академии наук. Около часу дня с севера поднялась большая грозовая туча. Быстро попрощавшись, Ломоносов и Рихман поспешили каждый к своей "громовой машине". Дальнейшее течение событий Ломоносов описывает следующим образом: "гром был нарочито силен, дождя ни капли. Выставленную громовую машину посмотрев, не видел я ни малого признаку электрической силы. Однако, пока кушанье на стол ставили, дождался я нарочитых электрических из проволоки искор, и к тому пришла моя жена и другие; и как я, так и оне беспрестанно до проволоки и до привешенного прута дотыкались, затем, что я хотел иметь свидетелей разных цветов огня, против которых покойный профессор Рихман со мною споривал. Внезапно гром чрезвычайно грянул в самое то время, как я руку держал у железа и искры трещали. Все от меня прочь побежали. И жена просила, чтобы я прочь шёл. Любопытство удержало меня ещё две или три минуты, пока мне не сказали, что шти простынут, а притом и электрическая сила почти перестала. Только я за столом посидел несколько минут, внезапно дверь отворил человек покойного Рихмана, весь в слезах и в страхе запыхавшись. Я думал, что его кто-нибудь по дороге бил, когда он ко мне был послан; он чуть выговорил: профессора громом зашибло. В самой возможной скорости как сил было много, приехав, увидел, что он лежит бездыханен. Бедная вдова и её мать таковы же, как он, бледны. Мне и минувшая в близости моя смерть и его бледное тело, и бывшие с ним наше согласие и дружба, и плач его жены и детей и дому столь были чувствительны, что я великому множеству сошедшегося народа не мог ни на что дать слова или ответа, смотря на того лице, с которым я за час сидел в Конференции и рассуждал о нашем будущем публичном акте. Первый удар от привешенной линей с ниткою пришёл ему в голову, где красное вишнёвое пятно видно на лбу; а вышла из него громовая электрическая сила из ног в доски".

Вскоре после гибели Рихмана, 25 ноября 1753 года, Ломоносов произнёс на публичном заседании Академии наук "Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих", в котором впервые в науке обратил внимание на существование вертикальных потоков воздуха в земной атмосфере и на их значение в различных явлениях природы.

Ломоносов объяснял вертикальным опусканием холодного воздуха внезапные похолодания, иногда наступающие после оттепели зимою. Наличие этих потоков Ломоносов пытался доказать на опыте, производя многочисленные измерения плотности воздуха при различных температурах.

Мысль о наличии вертикальных воздушных течений была высказана вторично и доказана на опыте лишь в конце прошлого столетия. Теперь существование восходящих потоков воздуха широко известно; именно ими пользуются планеристы при полёте.

Трением, возникающим при движении вертикальных потоков воздуха, Ломоносов объяснял происхождение атмосферного электричества. Только в 1929 году была развита теория возникновения атмосферного электричества близкая ломоносовской.

Согласно этой теории, атмосферное электричество возникает при трении восходящего потока воздуха, который имеется перед каждым грозовым облаком, и падающими вниз каплями дождя. И здесь, как и у Ломоносова, основная роль отводится восходящему потоку воздуха. С поразительной интуицией Ломоносов указывает на то, что заряд облака является пространственно распределённым зарядом, а не сосредоточен на его поверхности.

Трагическая смерть Рихмана побудила Ломоносова предложить оригинальный метод защиты жилых строений от молний путём отвода "электрической громовой силы на шест с железом, который должен стоять на пустом месте, в которое бы гром бил сколько хочет".

Много занимался в эти и последующие годы Ломоносов вопросом о причине полярных северных сияний, ещё в детстве поразивших его воображение. Он совершенно правильно указал на электрическую природу этого величественного явления. На крыше своего дома он "выставил две стрелы для наблюдения за электричеством северных сияний". Из протоколов конференции Академии наук мы узнаём, что Ломоносов "при помощи этих инструментов несколько раз видел движение электрического указа" теля при северном сиянии".

Рис. 17. Виды северного сияния. Рисунки Ломоносова

Электрическая природа северных сияний была указана Ломоносовым совершенно правильно, однако, как мы теперь знаем, электризация в этом случае создаётся не трением, а возникает благодаря потоку заряженных частиц, идущих от солнца и отклоняемых к земным полюсам магнитным полем Земли.

Большой интерес представляет сохранившаяся программа намечаемых Ломоносовым исследований в области учения об электричестве. Не имея возможности рассматривать всю программу в целом, укажем на один из наиболее замечательных, по нашему мнению, опытов, предлагаемых Ломоносовым.

"Надо сделать опыт, - пишет он, - будет ли луч света иначе преломляться в наэлектролизованном стекле и воде". В 1875 году Керр осуществил сходный опыт и обнаружил явление возникновения двойного лучепреломления, названное его именем.

Прекрасны сделанные Ломоносовым рисунки различных видов северного сияния. Приходится пожалеть, что намеченный им широкий план опытных и теоретических исследований, который должен был завершиться сочинением, объясняющим "причины северных сияний и других подобных явлений", остался невыполненным, а само сочинение недописанным.

В тесной связи с исследованиями атмосферного электричества находятся метеорологические работы Ломоносова. Как метеоролог Ломоносов тоже на столетие опередил своих современников. Он первым в мире построил обсерваторию с самопишущими метеорологическими приборами. Результаты его наблюдений были опубликованы в "Ежемесячных сочинениях Академии наук". Из самозаписывающих метеорологических приборов Ломоносова особенно интересен прибор для определения скорости и направления ветра - анемометр. В этом приборе впервые в истории метеорологии для измерения скорости ветра применена крыльчатка, так часто используемая для той же цели в наше время. В анемометре Ломоносова, в зависимости от скорости ветра, большее или меньшее количество ртути выливалось в специальные приёмники. Па количеству ртути в приёмнике можно было зарегистрировать скорость и направление ветра.

Рис. 18. Анемометр. Собственноручный чертёж Ломоносова

Желая расширить область метеорологических измерений, Ломоносов в 1754 году на заседании Академии "показал машину, названную им аэродромной, выдуманную им и имеющую назначением при помощи крыльев, приводимых в движение горизонтально в разные стороны заведённой часовой пружиною, сжимать воздух и подниматься в верхние слей атмосферы: для того чтобы можно было исследовать состояние верхнего воздуха метеорологическими приборами". Очевидно, это был геликоптер. К сожалению, Ломоносову не удалось довести до конца описанные опыты.

Идеи Ломоносова были претворены в жизнь лишь в конце XIX столетия.

В заключение нельзя не рассказать хотя бы кратко о сконструированном Ломоносовым исключительно точном приборе для измерения ничтожных изменений в силе тяжести, вызванных изменением в положении Луны и Солнца относительно того места, в котором производят измерения. Этот прибор, так называемый "универсальный барометр", состоял из широкой барометрической трубки, оканчивающейся наверху шаром АВ. Нижний конец барометрической трубки соединялся капиллярной трубкой с наполненным сухим воздухом и запаянным шаром С. Весь прибор для поддержания постоянной температуры помещался в тающий лёд. При изменении силы тяжести должна была измениться высота Я ртути в барометрической трубке. Сравнительно небольшому изменению в высоте Я соответствовало значительное перемещение ртути в капиллярной трубке ab. Соотношение диаметров шара и капилляра в изготовленном Ломоносовым приборе составляло 20000:1. Таким образом, понижение ртути в барометрической трубке на одну двадцатитысячную часть миллиметра вызывало перемещение границы её в трубке аb на 1 мм. Из сказанного выше ясно, что "универсальный барометр" являлся чрезвычайно чувствительным прибором.

Рис. 19. Универсальный барометр Ломоносова

При помощи "универсального барометра" Ломоносов произвёл большое количество наблюдений, результаты которых были сведены им в специальные таблицы, долго считавшиеся утерянными. Только недавно советские учёные обнаружили в фондах библиотеки Академии наук книгу, содержащую записи наблюдений над маятником и универсальным барометром. Как сообщила газета "Правда", "несмотря на отсутствие в книге имени автора и какого-либо пояснительного текста, удалось путём тщательного изучения найденного издания установить, что это и есть считавшиеся до сего времени утраченными таблицы М. В. Ломоносова".

Об "универсальном барометре" современники быстро забыли, а потомки вспомнили при любопытных обстоятельствах. В 1940 году происходила конференция учёных, изучающих природу и особенности земного тяготения. Среди различных сообщений на конференции было доложено о приборе, предназначенном для определения влияния лунного притяжения на силу тяжести. Изобретателем прибора явился немецкий профессор Гальк. Когда участники конференции познакомились с чертежами нового аппарата, то один из них указал, что прибор Галька является точной копией "универсального барометра" Ломоносова. Так этот замечательный прибор был изобретён повторно почти через двести лет после того, как его построил Ломоносов.

Подводя итоги научной деятельности Ломоносова в период с 1749 по 1758 год, мы должны отметить, с одной стороны, поразительную разносторонность его научного творчества, которое охватывало различные вопросы теоретической и прикладной физики и химии, химической технологии, теоретической и экспериментальной метеорологии и многое другое.

С другой стороны, необходимо также подчеркнуть оригинальность и глубину его научного мышления, которые позволили ему обогатить эти разнообразные области знания идеями, опередившими его время на столетие.