3. Загадка тепла

В XVI веке среди учёных находилось уже немалое число людей, которые не верили в «непогрешимость» учения Аристотеля, не признавали запретов церкви. К этому времени в Европе заметно расширяется производство, путешественники открывают новые земли, растёт торговля. В связи с этим начинает развиваться и наука. Влияние церкви начинает падать. Особенно успешно подрывают авторитет церкви новые замечательные открытия. Великие учёные Коперник и Галилей доказывают, что Земля — это рядовая планета: она вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца и не является неподвижным центром Вселенной. Первые кругосветные путешественники доказывают, что Земля имеет шарообразную форму. Эти факты противоречат библии, священному писанию. Но это — факты! И для всё большего и большего числа людей становится очевидным, что для познания законов природы, сущности вещей необходимо не слепое преклонение перед писаниями древних, а опытное, углублённое изучение природы, её явлений и закономерностей.

На этот путь и встают учёные. На смену суевериям постепенно приходит истинное знание.

Занимаясь изучением свойств различных веществ, химики видят, что свойства любого вещества определяются только его составом.

Если мы заставим, например, химически взаимодействовать друг с другом серу и железо, то получим новое вещество, не похожее по своим свойствам ни на серу, ни на железо. И свойства этого нового вещества зависят именно от того, что мы взяли серу и железо, а не что-либо другое.

В самом деле, замените в этом соединении железо медью, и вы получите совсем другое вещество, с новыми, совершенно другими свойствами.

Свойства сложного соединения объясняются его составом. Выходит, что не какие-то неведомые свойства-стихии определяют характер того или иного вещества, а, наоборот, сама природа каждого вещества, каждого соединения, его состав обусловливают его свойства.

Причину свойств различных тел надо искать в самих телах.

Этот вывод, подготовленный многочисленными работами учёных XVI и XVII веков, и привёл к закату алхимии.

И действительно, такой вывод совершенно менял взгляд на природу элементов. Раз свойства любого химического соединения определяются его вполне вещественными составными частями — более простыми веществами, то нет смысла говорить о каких-то невещественных, неосязаемых «философских» элементах-свойствах. Они не нужны для объяснения свойств различных тел природы.

Только ощутимые, вполне определённые составные части соединения придают последнему присущие ему физические и химические свойства.

И в XVII веке возникает совершенно новое определение химического элемента. Химический элемент — это не неуловимый, таинственный элемент алхимиков; это вполне вещественное тело, составная часть сложного химического соединения. Химическим элементом надо считать всякое вещество, полученное при химическом разложении сложного тела, если оно не может быть разложено далее на более простые вещества.

Занимаясь анализом, т. е. разложением, различных тел, химики уже давно обратили внимание на то, что далеко не все тела можно разложить на другие, более простые составные вещества. Некоторые вещества, что бы с ними ни делали, остаются неразложимыми. Таковы, например, свинец, сера, золото, сурьма. Это простые тела. В то же время всякое сложное тело всегда состоит из сравнительно небольшого числа простых тел. Последние всегда оказываются веществами далее не разлагаемыми.

Сколько же существует основных веществ — элементов? Учёные этого не знают: разве можно заранее, без опыта, установить, сколько существует элементов или элементарных свойств и каковы они? Единственный путь для этого — опыт. Только опытом можно проверить, какой состав имеет каждое тело. И вот, если только какое-либо вещество мы не можем разложить на другие, более простые, то его-то и надо считать химическим элементом.

А сколько этих элементов — сказать пока невозможно. Ясно лишь, что химических элементов значительно больше четырёх, как учил Аристотель.

В течение короткого времени новое учение о химических элементах получает признание учёных. Постепенно начинает увеличиваться и число простых веществ — элементов.

Однако новое знание с трудом освобождается от устаревших представлений. Так, в списке химических элементов середины XVIII века мы по-прежнему видим воду и воздух. По мнению химиков того времени, это простые, неразлагаемые вещества. И наоборот, все металлы считаются веществами сложными — они состоят якобы из земель и так называемого флогистона («флогистос» — сожжённый) — особого невещественного элемента, говоря иначе, того же элемента-свойства — огня Аристотеля или «серы» алхимиков.

Считалось, что флогистон, заключённый в теле, придавал этому телу способность гореть или вообще изменяться при накаливании.

Лишь к началу XIX века химия окончательно освобождается от влияния старого. К этому времени учёные химики открывают различные газы — азот, кислород, водород, углекислоту и другие, и убеждаются в сложном составе воздуха и воды.

Единственным человеком среди учёных XVIII века и первым учёным, который полностью порывает со старыми, неверными взглядами, допускающими существование таинственных «тонких материй», является великий русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов.

Великий русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов.

Сын рыбака-помора, гениальный учёный с чрезвычайно широким кругом интересов, охватившим все области науки, поэт, художник, инженер и реформатор родного языка, Ломоносов был одним из тех редких гениальных людей, которые не только дают правильное объяснение тому или иному явлению, но своими работами опережают всё развитие науки на многие десятки лет.

Современники этого великого учёного не понимали, да и не могли понять всего значения его исследований и мыслей. Это было не удивительно. Ведь то, что сделал в физике и химии М. В. Ломоносов, опережало развитие этих наук на 50-100 лет! Почти все работы великого русского учёного были подтверждены и признаны учёным миром лишь много позднее — в XIX веке.

Великий учёный был непримиримым врагом предрассудков и суеверий. В своих работах он высмеивал, критиковал нелепые представления об окружающем мире, был врагом религиозных предрассудков. Он мечтал о том времени, когда народные массы освободятся от вредных суеверий.

Напрасно многие думают, — писал Ломоносов, — что все как видим, «с начала Творцом создано; будто не токмо горы, долы и воды, но и разные роды минералов произошли вместе со всем светом; и потому-де не надобно исследовать причин, для чего они внутренними свойствами и положением мест разнятся. Таковые рассуждения весьма вредны приращению всех наук, следовательно и натуральному знанию шара земного, а особливо искусству рудного дела, хотя оным умникам и легко быть философами, выучась наизусть три слова: Бог так сотворил; и сие дая в ответ вместо всех причин».

«Учёной нелепостью» М. В. Ломоносов считал и различные «тонкие материи».

Свою борьбу с невещественными элементами Ломоносов начинает с опровержения распространенного в его время представления о «тонкой материи» теплоты.

«В наше время, — пишет Ломоносов, — причина теплоты приписывается какой-то особой материи, которую большинство называют теплотворной, а некоторые — эфиром, третьи — даже элементарным огнем. Признают, что ее тем большее количество находится в каждом теле, чем больше тело имеет тепла… Мнение это в умах многих пустило столь глубокие корни… что в разных физических сочинениях можно прочитать, что названная выше материя вторгается в поры тел, как бы привлеченная каким-то любовным напитком, или наоборот, как бы охваченная ужасом, вырывается из пор».

Но откуда берётся эта огненная материя? — спрашивает Ломоносов. Отчего, например, «…зимою, при жесточайшем морозе… порох зажигается от только что возникшей маленькой искры и вдруг расширяется в огромное пламя? Откуда и в силу какого удивительного свойства собирается эта огненная материя? Слетается ли она со сказочной быстротой из очень отдаленных мест и зажигает порох? Но в этом случае необходимо, чтобы нагрелись и расширились от прилетающего огня прежде пороха другие тела…». И Ломоносов утверждает, что нет никакой таинственной тепловой «материи». «Очень хорошо известно, — пишет он, — 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 произведенный огонь тухнет».

Но что движется в тёплом теле? Почему, например, если раскрутить кусок железа, привязанный к верёвке, то он при этом совсем не нагреется?

И на этот вопрос мы находим ответ у М. В. Ломоносова. «Так как тела могут двигаться двояким движением — общим, при котором все тело непрерывно меняет свое место при покоящихся друг относительно друга частицах, и внутренним, которое есть перемена места…частичек материи; и так как 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».

Так великий русский учёный, намного опередив своих современников, указал истинную природу теплоты.

Нет в мире как тепловой, так и прочих «тонких невесомых материй»! Всё, из чего состоит мир, вещественно — имеет вес и меру.

Нет нематериальных элементов. Любой химический элемент — это не элемент-свойство, не нечто невесомое, неосязаемое, а материальное вещество, не разлагаемое далее доступными химику средствами.

И ясно также, что число таких не разлагаемых далее веществ в мире больше, чем три или четыре элемента древних учёных. К началу XIX века их найдено уже больше двух десятков.

Но какова же внутренняя природа этих основных веществ мира? Как и из чего построены сами химические элементы? Чем они отличаются друг от друга? Какими путями они соединяются друг с другом в сложных телах? Наконец, сколько же их, всех этих химических элементов, существует во всём мире?

Все эти вопросы встали перед химиками и физиками XVIII и XIX веков сразу же после того, как был решён вопрос о материальности химических элементов.