Текст книги "Первоначала вещей (Очерк о строении вещества)"

Автор книги: Борис Кудрявцев

Борис Кудрявцев
ПЕРВОНАЧАЛА ВЕЩЕЙ
Очерк о строении вещества

I
ХАОС

Вместо введения

Сегодня утром работа не клеилась. Возможно, оказывалось утомление от напряженной работы в течение зимы, возможно и то, что теплый весенний ветер пробуждал заложенное в каждом человеке стремление с наступлением солнечных дней, сменяющих зимнюю непогоду, уезжать из города в лес, в поле…

Попытки сосредоточиться были бесплодны: мысли разбегались, и решение, казалось бы, несложной задачи никак не давалось в руки. Сложив папки с расчетами и взяв с книжной полки последний номер литературного журнала, я закрыл двери лаборатории и уже через полчаса шел по широкой аллее пригородного парка.

В парке было людно. Студенты и школьники в одиночку и группами готовились к предстоящим экзаменам. Более молодое поколение, не обремененное еще школьными заботами, со свойственной ему непосредственностью наслаждалось теплым солнечным днем.

В одной из боковых аллей нашлась свободная скамейка. Рядом со мной на скамейке сидела молодая женщина с толстой книгой, по-видимому учебником. Время от времени она отрывалась от чтения и следила взглядом за маленьким мальчиком, пускавшим в небольшом пруду деревянный кораблик. Легкий ветер прибивал кораблик к берегу, и он никак не хотел отправляться в плавание. Обескураженный неудачей, мальчуган вытащил из воды свой кораблик, подошел к скамейке и осторожно тронул за руку мою соседку.

Женщина подняла глаза от книги.

– В чем дело, Андрюша? Почему ты не играешь?

Мальчик пристально смотрел на мать.

– Мама, а почему вода жидкая?

– Ну что ты, Андрюша! Ты опять задаешь глупые вопросы. Вода жидкая, потому что она вода. Иди играй! – и она снова наклонилась над книгой.

По выражению глаз мальчика было видно, что его не удовлетворил ответ матери. Он снова потянул ее за руку:

– Мама, но почему вода жидкая, а лед твердый?

– Ах, Андрюша, сколько раз я тебе говорила, что лед твердый, потому что лед – это замерзшая вода. Иди пускай свой кораблик.

Малыш постоял еще мгновение в нерешительности, потом взял кораблик и пошел к пруду. Что-то неуловимое в его походке и всей фигуре говорило о том, что «глупые вопросы» продолжали его интересовать.

И впрямь, так ли уж глупы вопросы, занимавшие мальчика? В самом деле, почему одни тела жидкие, другие твердые, а третьи газообразные? Почему, если жидкость охлаждать, она превращается в твердое тело, а если нагревать, то в пар?

Может ли наука в наше время ответить на это? Мысленно я старался проследить, как обогащалось человеческое знание, как находил человек правильные ответы на эти, казалось бы, совсем простые вопросы.

Во глубине веков

Примерно две с половиной тысячи лет тому назад, в V веке до нашего летосчисления, на омываемом теплым Средиземным морем Балканском полуострове достигло расцвета античное греческое государство. Это был золотой век классического искусства, науки, философии. До нашего времени непревзойденными остаются замечательные творения греческих скульпторов. Мы с восхищением любуемся сохранившимися памятниками античной архитектуры, с восторгом читаем бессмертные творения Гомера, Еврипида, Аристофана… Драгоценный памятник греческой культуры – сочинения философов и ученых, подводящие итог знаниям, которые приобрел человек, присматриваясь к явлениям окружающей его природы, пытаясь понять их, объяснить закономерности, которым они подчиняются. Подмечая на каждом шагу взаимную связь различных явлений, люди воспринимали природу во всем ее многообразии как нечто единое, целое.

Две отличительные черты окружающего мира особенно бросались в глаза человеку. Первой из них была постоянная изменчивость природы. Смена времен года резко меняла облик земли. За цветущей весной и жарким летом неизбежно приходили осень и холодная зима. Жизнь в природе замирала, для того чтобы вновь возродиться с приходом весны. Морские прибои подмывали высокие берега, меняя их очертания. Лесной пожар, начавшийся от неосторожно разложенного пастухами костра, пожирал огромные стволы вековых деревьев. Горный обвал мог превратить цветущую долину в пустыню. Все люди, и раб и полководец, умирали и после сжигания превращались в пепел. В мире все изменчиво, нет ничего постоянного, все течет, все изменяется: день сменяется ночью, летний жар – зимним холодом, здоровье – болезнью…

«На того, кто входит в ту же самую реку, каждый раз текут новые воды… В одну и ту же реку невозможно войти дважды», – говорил один из греческих мудрецов, Гераклит Эфесский, подчеркивая мысль, что все в природе непрерывно изменяется.

Второй особенностью природы, подмеченной человеком, была своеобразно сочетающаяся с изменчивостью вечность окружающего мира. Действительно, оголенная зимними холодами горная вершина вновь покрывалась весною цветущим ковром; на месте уничтоженного пожаром леса возникала поросль, превращавшаяся через несколько десятилетий в густой лес. Место умерших людей и животных занимали рождающиеся вновь… И так было везде и во всем. Мир изменчив и в то же самое время вечен. Непрерывно изменяясь, природа вновь и вновь воспроизводит себя.

Попыткой объяснить эту противоречивость природы была гениальная догадка классической древности – материалистическое учение об атомах. Наиболее полно это учение изложил греческий философ и ученый Демокрит.

Атомы

Демокрит родился около 460 года до нашего летосчисления в греческом городе Абдере. По дошедшим до нас сведениям, это был энциклопедически образованный человек. Все интересовало его: физика, математика, философия, медицина, техника…

Главное сочинение Демокрита, «Великий диакосмос», посвящено учению о строении мира.

Демокрит думал, что окружающий мир состоит из мельчайших частиц. Эти частицы он считал неделимыми и назвал поэтому атомами (атом – по-гречески неделимый).

Атомы, по его мысли, вечны и неизменны, многообразие же окружающей нас природы вызвано различным движением и различными сочетаниями атомов.

«Все состоит из атомов… вещи отличаются друг от друга атомами, из которых они состоят, их порядком и положением…» – писал Демокрит. Атомы находятся в непрерывном движении, и это движение – причина изменчивости мира. Сами атомы неизменны, и в этом объяснение вечности мира. Двигаясь беспорядочно, атомы приближаются друг к другу, образуют скопления. В одном случае такое скопление может быть водой, в другом случае – камнем, в третьем – растением. Спустя некоторое время в результате движения атомов эти скопления изменятся: вода испарится, растение увянет… Но вечность атомов и их движения обеспечивает повторное возникновение исчезнувших скоплений атомов, поэтому окружающий нас мир вечен.

Тем, что все состоит из атомов, Демокрит объяснял многие хорошо известные свойства вещей. Так, например, аромат цветов, по его мнению, мы чувствуем потому, что вылетающие из чашечки цветка атомы попадают в нос человека и вызывают ощущение запаха. Соленый вкус морскому воздуху придают атомы соли, уносимые ветром вместе с капельками морской воды. Горький, соленый, острый вкус различных тел, как считал Демокрит, зависит от формы их атомов. Пользуясь атомным учением, он объяснял разнообразные явления природы: возникновение облаков, громовые раскаты, зарницы и многое другое.

^{Рис. 1. Так Демокрит объяснял, почему пахнут цветы.}

В древности взгляды Демокрита пользовались широким распространением. В I веке до нашей эры замечательный римский поэт и философ Тит Лукреций Кар рассказал об атомах в своей бессмертной поэме «О природе вещей». Поэтичные строки поэмы запоминались лучше ученых трактатов.

 
Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный свет проникает
В наши жилища и мрак прорезает своими лучами,
Множество маленьких тел в пустоте ты увидишь; мелькая,
Мечутся взад и вперед в лучистом сиянии света;
Будто бы в вечной борьбе они бьются в сраженьях и битвах,
В схватки бросаются вдруг по отрядам, не зная покоя,
Или сходясь или врозь постоянно опять разлетаясь.
Можешь из этого ты уяснить себе, как неустанно
Первоначала вещей в пустоте необъятной мятутся.
Так о великих вещах помогают составить понятье
Малые вещи, пути намечая для их постиженья.
 

 
Кроме того, потому обратить тебе надо вниманье
На суматоху в телах, мелькающих в солнечном свете,
Что из нее познаешь ты материи также движенья,
Происходящие в ней потаенно и скрыто от взора.
Ибо увидишь ты там, как много пылинок меняют
Путь свой от скрытых толчков и опять отлетают обратно,
Вечно туда и сюда разбегаясь во всех направленьях.
Знай же: идет от начал всеобщее это блужданье.
Первоначала вещей сначала движутся сами,
Следом за ними тела из малейшего их сочетанья,
Близкие, как бы сказать, по силам к началам первичным;
Скрыто от них получая толчки, начинают стремиться
Сами к движенью, затем понуждая тела покрупнее.
Так, исходя от начал, движение мало-помалу
Наших касается чувств, и становится видимым также
Нам и в пылинках оно, что движутся в солнечном свете,
Хоть незаметны толчки, от которых оно происходит[1]1
  Перевод Ф. А. Петровского, взято из книги «Основатели кинетической теории материи», под ред. А. К. Тимирязева, ОНТИ, 1937 г.


[Закрыть], —
 

писал Лукреций.

Так же как и Демокриту, атомы помогали ему объяснить природу различных явлений.

Атомное учение по самой своей сущности глубоко материалистично. В мире, состоящем из движущихся атомов и пустого пространства, не остается места для божества. Самые различные явления природы находят себе простое объяснение без помощи каких-либо сверхъестественных сил. Неспроста же на протяжении многих столетий, прошедших со времени Демокрита, все материалистические учения сознательно связывали возникновение материализма с именем великого атомиста. Движения атомов и их соударения подчиняются простым и строгим законам, исключающим божественную волю, отрицающим существование чудес и необъяснимых явлений. Материалистическая сущность атомизма была одной из главных причин того, почему спустя несколько столетий судьба учения Демокрита резко изменилась. После распада Римской рабовладельческой империи огромное влияние приобрела христианская церковь. Сделавшись официальной государственной религией, христианство всеми силами стремилось уничтожить классическую науку и искусство, объявив их языческими. Интерес к ним церковь считала грехом. В 390 году архиепископ Феофил явился вдохновителем разрушения Александрийской библиотеки, этой сокровищницы мировой культуры. Преследовалось само стремление к знанию, если только оно не было направлено на утверждение христианского учения. Строго запрещалось чтение научных книг. От церковных властей старались не отстать и власти светские. В феврале 1626 года парижский парламент под страхом смертной казни запретил распространять мысль о том, что все в мире состоит из атомов. Однако как бы ни были строги парламентские акты и постановления церковных соборов, они не могли остановить развитие науки. Прошло несколько лет после грозного акта парламента, и именно в Париже вновь возродились идеи Демокрита. Их выразителем явился французский философ Пьер Гассенди.

По стопам Демокрита

Родиной Гассенди была солнечная провинция Франции – Прованс. Будущий философ родился в 1592 году в семье бедных поселян близ города Динь. Один из родственников дал ему возможность учиться философии в городе Экс. Обладая недюжинными способностями, Гассенди уже 16-летним юношей становится учителем риторики.

Смело восстав против невежества средневековой науки и освященного церковью авторитета философа-идеалиста Аристотеля, Гассенди проповедует в своих сочинениях атомное учение.

Дробить тело до бесконечности нельзя, утверждает он. Все тела состоят из неделимых частиц, или атомов. Атомы бывают разнообразной формы: некоторые угловаты, другие шаровидны, есть и заостренные, есть и гладкие…

Если атомы сцеплены между собой лишь в немногих точках, то тело бывает жидким; напротив, если они соприкасаются многими точками, то тело бывает твердым.

Атомы, как правило, объединяются в более крупные частички, наподобие того, как отдельные буквы объединяются в слова. Эти более крупные частички Гассенди назвал молекулами, от латинского слова «молес», что означает – масса.

Среди ученых того времени взгляды Гассенди нашли себе как горячих приверженцев, так и не менее горячих противников. Широко пользовался атомным учением в своих работах английский физик Роберт Бойль.

Великий английский ученый Ньютон считал, что все тела состоят из «имеющих массу, крепких, непроницаемых, движущихся частичек…», то-есть атомов; эта идея помогала ему правильно объяснять явления природы.

Не надо думать, однако, что после Гассенди атомное учение сделалось господствующим в науке. Его противники были более многочисленны, чем его сторонники. В числе противников учения Гассенди об атомах был его современник и соотечественник, крупнейший философ, физик и математик Рене Декарт, считавший, что вещество можно делить беспредельно. Не признавал существования материальных атомов и гениальный немецкий математик, философ-идеалист Готфрид Лейбниц.

Справедливость требует отметить, что в сочинениях Гассенди было много непоследовательного. Он считал, например, что наряду с материальными, вещественными атомами существуют особые атомы холода, атомы тепла и даже… атомы души!

На взглядах Гассенди лежит печать двойственности, попытки примирить материалистический взгляд на природу с существованием бога. Эта двойственность не способствовала успеху учения об атомах.

Проходит еще около ста лет, и атомное учение находит себе нового замечательного защитника – великого русского ученого Михаила Васильевича Ломоносова. Ломоносов не только признает справедливость атомного строения окружающих тел, – он использует учение об атомах для объяснения различных свойств и превращений вещества. Атомное учение помогло Ломоносову правильно объяснить, что такое теплота, понять, почему газы сопротивляются сжатию, найти законы, которые позволили в дальнейшем строить более совершенные машины, и т. д.

^{Рис. 2. Так представлял себе Ломоносов столкновения и взаимодействия молекул.}

М. В. Ломоносов

М. В. Ломоносов родился в 1711 году.

В истории человечества известно много величайших ученых, художников, поэтов. Однако вряд ли мы найдем среди них другого человека, столь богато и разносторонне одаренного, как М. В. Ломоносов.

Трудно охватить круг его интересов – так он велик. А. С. Пушкин писал о Ломоносове, что он «…соединяя необыкновенную силу воли с необыкновенною силою понятия… обнял все отрасли просвещения… Историк, ритор, механик, химик, минералог, художник и стихотворец, он все испытал и все проник…»

Разносторонность таланта Ломоносова поражала иностранцев, они не могли представить себе, что это был один человек. Еще недавно в некоторых иностранных книгах по истории химии писали, что существовало два Ломоносова: один химик, а другой поэт!

Как и все лучшие сыны русского народа, Ломоносов горячо любил родину и много сил положил на укрепление ее мощи, на улучшение жизни народа. Заботясь о распространении знаний, Ломоносов был фактическим основателем Московского университета, являющегося до сих пор одним из крупнейших научных центров нашей страны.

В самых различных областях знания работал Ломоносов. Но особенно много занимался он физикой и химией. Ломоносов создал первую в России химическую лабораторию, предназначенную для чисто научных исследований. Раньше других он понял значение взвешивания веществ при химических превращениях.

Производя опыты, Ломоносов подтвердил великий закон природы, открытый им раньше.

Еще в 1748 году Ломоносов писал: «Все перемены в природе случающиеся такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присоединится к другому… Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения…» Значение этого всеобщего закона сделалось ясным только в наше время. Первую часть открытого закона – закон сохранения массы – Ломоносов подтвердил в 1756 году тщательными опытами. Через 17 лет после Ломоносова ею опыты повторил и расширил талантливый французский химик Лавуазье, способствуя тем самым утверждению закона сохранения массы в химии. Спустя сто лет, в 1842 году, немецкий врач Р. Майер сформулировал закон, получивший в дальнейшем название «закона сохранения энергии». Мы знаем теперь, что этот закон является одной из конкретных формулировок общего закона, сформулированного Ломоносовым. Ломоносов первый увидел обе стороны открытого им всеобщего закона. Объединенный закон сохранения массы и энергии должен по справедливости называться законом Ломоносова.

^{Рис. 3. Приборы, изобретенные Ломоносовым.}

На протяжении последних ста лет закон Ломоносова был тем фундаментом, на который опиралось развитие науки и техники. Именно знание этого закона обеспечило сказочный технический прогресс, свидетелями которого мы являемся. В последние десятилетия, когда ученые напряженно трудились, пытаясь раскрыть тайны строения атома, закон сохранения массы и энергии был той путеводной нитью, которая направляла поиски исследователей, уменьшала опасность сбиться с правильного пути и сделать ложные выводы. Без знания этого закона невозможно было бы овладеть огромными запасами энергии, скрытыми в атомных ядрах. И в наши дни гениальная мысль о существовании закона сохранения материи в широком смысле слова раскрывается в новых конкретных формах.

Изучая свойства тел, великий русский ученый объяснил истинную причину таких свойств, как упругость газов, нагревание тел при трении и т. д.

Что происходит с телами при нагревании? Что такое тепло? Почему тела притягиваются к земле? Почему газ сопротивляется сжатию? Почему тело, выставленное на мороз, охлаждается? Эти вопросы особенно интересовали науку во времена Ломоносова.

В то время в европейской науке существовал один ответ на все перечисленные выше вопросы. Для объяснения непонятных явлений наука располагала тогда целым набором таинственных «невесомых веществ», или, как их называли, «материй». Например, существовали «невесомая тепловая материя», «невесомая материя упругости», «материя холода» и т. д. При помощи этих «материй» можно было на словах объяснить все что угодно, по существу не объясняя ничего. Вас, например, интересует, почему вода в чайнике, поставленном на огонь, нагревается. Ответ готов: невесомая тепловая материя, выделяемая огнем, входит в воду, и вода нагревается!

Вы хотите знать, почему газ сопротивляется сжатию? Потому что в нем имеется невесомая материя упругости, которая и противится уменьшению объема, занимаемого газом.

Такое «объяснение» непонятных явлений напоминает рассуждение невежественного врача в одной из мольеровских комедий, который объяснял снотворное действие опия, содержащегося в зернах мака, тем, что опий «обладает усыпляющими свойствами»!

Ясно, что такого рода объяснения ничего не объясняют, не помогают понять, почему в природе происходят те или иные явления.

И вот с этими «невесомыми материями» и начинает борьбу Ломоносов. В своих сочинениях он доказывает, что и тепло и упругость газов можно понять, не пользуясь таинственными «материями».

Объяснение оказывается очень простым, если на помощь призвать атомное учение.

В XVIII веке атомное учение сделало значительный шаг вперед, стало конкретной научной гипотезой. М. В. Ломоносов был первым, кто связал представления об атомах с экспериментальными данными о составе и свойствах различных веществ. Атомная теория Ломоносова является органической частью всего его материалистического учения.

Ломоносов считал, что все тела состоят из мельчайших частиц, или, как он их называл, «корпускул». Корпускулы чрезвычайно малы, и потому даже в небольшом количестве вещества их должно быть очень много. Но корпускулы – это еще не самые малые частицы вещества. Они состоят из еще более мелких частиц – «элементов». Таким образом, корпускулы – это то, что мы теперь называем молекулами, а элементы – атомы.

Свойства тел и явления природы Ломоносов объясняет движением и взаимодействием частиц материи. Фактически основой его атомной теории стало положение о неразрывности материи и движения, в противоположность старой теории, считавшей движение чем-то внешним по отношению к атомам.

Сходных взглядов придерживался современник Ломоносова, талантливый швейцарский физик, член Петербургской Академии наук Даниил Бернулли. Однако большинством иностранных ученых идеи Ломоносова были встречены чрезвычайно враждебно. В 1754 году некий Арнольд для получения ученой степени в Эрлангенском университете (Германия) написал сочинение, в котором «с успехом доказал» неправильность объяснения теплоты, которое было дано Ломоносовым.

Но беспристрастный суд истории показал, что прав был Ломоносов: учение об атомах завоевало всеобщее признание.

Однако это произошло далеко не сразу.

Первоначально атомное учение прочно укрепилось в химии. Этому много способствовали труды английского ученого Джона Дальтона, который убедительно показал, какие замечательные перспективы открывает применение атомного учения в химии. Сложные законы химических превращений делались простыми и ясными, стоило только признать, что вещество состоит из мельчайших неделимых частиц. Атомное учение позволяло узнавать состав сложных соединений, сознательно искать пути получения новых веществ, предвидеть возможный результат химических превращений.

Атомное учение дало возможность не только объяснить открытые опытным путем законы, определяющие поведение вещества, но и предсказать новые явления и закономерности, до того неизвестные.

Однако и это не обеспечило признания реальности атомов. Еще во второй половине прошлого столетия идеалисты разных мастей всячески пытались помешать распространению атомного учения. Многие горе-теоретики утверждали, что атомы – это плод человеческой фантазии, а успехи атомной теории – это всего лишь случайная удача предположения, не имеющего под собою твердой почвы.

Только в результате длительной и напряженной борьбы, в которой атомное учение отстаивалось передовыми исследователями различных стран, оно сделалось общепризнанным.

В этой борьбе особенно велики заслуги английского физика К. Максвелла, немца Р. Клаузиуса, австрийского физика Л. Больцмана, польского ученого М. Смолуховского и недавно умершего друга Советского Союза француза Ж. Перрена.

Совместная работа лучших ученых мира подтвердила гениальную мысль Михаила Васильевича Ломоносова о том, что свойства тела определяются свойствами образующих его частиц, их расположением и движением.