РАЗОБЛАЧЕНИЯ В НАУКЕ: как из физики и химии незнамо куда улетучился флогистон
Арт-оформление: huxley.media via Photoshop по мотивам картины Рене Магритта «Портрет Стефи Ланги», 1961
ОСНОВЫ МИРОЗДАНИЯ
Людям всегда было интересно, из чего же все (включая их самих) состоит. Когда Эмпедокл всем объяснил, что главных составляющих мира четыре: Земля, Воздух, Вода и Огонь, он практически точно повторял кого-то, но нам уже не узнать, кого. Китайцы же к этой четверке всемирных основ добавили пятую — Металл (не уточняя, какой). Отрицали это немногие, вроде младшего современника Эмпедокла Демокрита, который считал, что основные вещества в природе можно дробить до некоторой мелкой части, которая уже неделима (по-гречески — атомос). В Средние века взгляды на строение вещества изменились. Единственный китайский Металл у средневековых алхимиков превратился в семерку металлов, закрепленную за семью планетами (к пяти первым планетам причисляли Луну и Солнце), — золото, серебро, ртуть, медь, олово и свинец.
Индивидуалист Парацельс мир несколько упростил, считая, что все в нем есть сочетанием трех стихий — Ртути, Серы и Соли (не нашей столовой, а чего-то такого, что и сам Парацельс не понимал до конца). Ближе к нашим временам все то упрощалось, то усложнялось. Дальтон переоткрыл атом, а через век три физика обнаружили то, из чего атом состоит: Резерфорд — протоны, Чедвик — нейтроны, а Томсон — электроны. Современное открытие кварков вообще вымело протон и нейтрон из элементарных частиц, а всего их, вместе с бозоном Хиггса, уже не меньше девятнадцати, и у каждой, небось, еще и античастица имеется… Как бы там ни было, дело это нелегкое и славное — придумать новую неделимую часть нашей Вселенной. И вот Георгу Эрнсту Шталю (1659–1734) повезло — он такую часть придумал! И она, помимо всего прочего, была еще и очень логичной… Но прожила меньше века. Почему — сейчас расскажу.
СУЩНОСТЬ ОГНЯ
Трудно даже четко сказать, с чего началась жизнь этой основной сущности. Уж точно при этом надо не забыть великого арабского алхимика Джабира ибн-Хайяма, именуемого в Европе Гебером. Еще на пороге VIII века он заметил, что вес металла, который сжигается, отличается от веса «земли» — остающегося окисла. Химики последующих столетий занялись этим всерьез, особенно после появления знаменитой книги Роберта Бойля «Химик-скептик, или сомнения и парадоксы относительно элементов алхимиков», где он черным по белому написал, что если он ставит опыт и получает один результат, а Аристотель или другой ученый любого ранга предсказывает другое, то он верит своему результату, а не Аристотелю. Скажете, что это и так понятно и нечему тут удивляться? Ну поздравляю вас всех, что живете сейчас, — где-нибудь в середине прошлого тысячелетия вас бы за такие разговорчики в строю просто сожгли по всем правилам, гуманно, без пролития крови.
Затем был Иоганн Иоахим Бехер — человек весьма разносторонних талантов, вплоть до проектов по соединению каналом Дуная с Рейном или получения золота из простого песка. В частности, он считал горение металлов процессом потери «жирной земли», вместо которой к металлу присоединяется «огненная материя». Бехер и развивающий его теорию Шталь называли эту «огненную материю» флогистоном (от греческого слова «горючий»). Все объяснялось очень логично: «жирная земля» совместно с флогистоном образует металл, а когда металл горит или ржавеет, флогистон из него улетучивается. Вот только одна вещь не сходилась: быстро обнаружилось, что ржавчина, которая получается при горении металла, весит больше самого металла, из которого она вроде бы образована. Флогистон исчезает, а вес растет — как же это?
ФЛОГИСТОНА БОЛЬШЕ — ОБЪЕКТ ЛЕГЧЕ
Оказалось, что и этому можно было дать теоретическое объяснение, при котором все сходилось. Оно было точным и простым: если флогистон из металла уходит, а вес полученной окалины, ржавчины или пепла увеличивается, то это значит, что вес флогистона просто отрицателен! Убавился флогистон — прибавился вес. И горение, и ржавление, и даже дыхание — однотипные процессы удаления флогистона из вещества, флогистон уходит — вес растет. Эту идею высказал еще Шталь, а потом многие ее приняли, потому что убедились в ее истинности: уравнения материального баланса при этом сходятся, и даже понятно, почему. Вот, кстати, еще одно преимущество теории флогистона: не надо отказываться от выдвинутого еще Эмпедоклом закона сохранения массы — и при выделении, и при поглощении тепла.
А когда между объектами изучения возникают не только качественные, как у алхимиков, но и количественные соотношения, это уже гораздо больше похоже на науку. Так что флогистон оказался еще и знаком прогрессивной науки, действительно одной из первых именно научных теорий в ряде важнейших вопросов. Но научная теория может быть верной и неверной. Как с этим у флогистона — надо разбираться… Важным моментом стало то, что пришлось быстро признать: воздух — это не некий газ, безликий и единственный. В его состав входят совершенно разные газообразные вещества, роль которых в химических превращениях различна. Началось с публикации в 1754 году шотландца Джозефа Блэка о том, что существует минимум один газ (тогда их называли «упругими жидкостями»), свойства которого отличаются от свойств воздуха.
СОСТАВЛЯЮЩИЕ ВОЗДУХА
Оказалось, что их существенно больше одного. Генри Кавендиш, внук второго герцога Девонширского и первого герцога Кентского, знатнейший и богатейший аристократ, нелюдимый анахорет и талантливейший ученый, обнаружил, как потом выяснилось, водород, азот и углекислый газ. Немногим позже англичанин Пристли и швед Шееле независимо друг от друга обнаружили кислород. Как у них всех складываются отношения с флогистоном, решали по-разному. Кислород одно время квалифицировали как «дефлогистированный воздух», полностью лишенный флогистона, — потому, мол, в нем так хорошо идет реакция горения, что флогистон распространяется беспрепятственно. Что же до азота, то Пристли считал его «флогистированным воздухом», в котором так много флогистона, что реакция горения идет скверно, а Кавендиш по той же причине — «мефитическим воздухом» (от английского mephitic — вредный). А проще всего было с водородом, который горения прочих веществ не поддерживает, но сам прекрасно горит. По этой причине и Кавендиш, и Шееле, и Пристли полагали, что водород — это чистейший флогистон и есть. Всем научным теориям, связанным с флогистоном, это абсолютно не противоречило. Поддерживал существование флогистона многие годы и его будущий сокрушитель Антуан Лоран Лавуазье.
ЕЩЕ ОДИН УЧЕНЫЙ БОГАЧ
Он был достаточно нередким в то время типом ученого, которого заставляет заниматься наукой его личный глубокий интерес, а не необходимость как-то устраиваться в этой жизни. Кавендиш был случаем вовсе не уникальным — Лавуазье тоже был знатен и богат, смог получить прекрасное образование и занимался наукой для собственного удовольствия. Флогистон он считал совершенно реально существующим и даже использовал связанные с ним теории для решения научных задач, притом, что самое интересное, мог получать блестящие положительные результаты. Так, например, получилось у него, когда к нему обратился владелец сахарного завода и спросил, может ли он с помощью науки выяснить, почему производимый им сахар имеет желтоватый оттенок, что не нравилось некоторым покупателям. Лавуазье, руководствуясь теоретическими воззрениями тех лет, предположил, что сахар во время производства загрязняется флогистоном, который как раз может иметь желтый цвет, — обычно он незаметен, но из-за большой концентрации флогистона именно в сахаре становится виден. Что может сыграть роль поглотителя флогистона? По тогдашним воззрениям — активированный древесный уголь. Проверили это предположение опытным путем — и все сошлось, сахар побелел! То, что причиной удаления примесей из сахара послужило совсем другое природное явление — адсорбция, — тогда никто не знал, как не знали об адсорбции вообще. Но уважения к теории флогистона это добавило — как же, сделали предсказание на ее основе, и оно сбылось!
ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ
Но самое интересное началось, когда Лавуазье заинтересовался открытым Пристли и Шееле «дефлогистированным воздухом», то есть кислородом (даже в соавторы этого открытия к ним пытался набиться, да уж ладно — ученые тоже люди…). Исследовав процесс соединения кислорода с самыми различными химическими элементами, Лавуазье совершенно однозначно установил, что окислы металлов — ржавчина, порошок оксида и т. п. — потому и тяжелее самих металлов, что состоят из металла и кислорода, а масса окисла есть сумма массы металла и массы кислорода. Как легко убедиться, новые идеи Лавуазье были в какой-то мере эквивалентны заключениям теории флогистона, рассматривающим эти реакции. Масса окисла металла равна сумме масс металла и кислорода — и она же равна разности масс окисла и флогистона, но с учетом того, что масса флогистона отрицательна! Чистая математика без учета физики тоже способна достаточно далеко нас завести…
С тех пор закон сохранения массы во всем мире стал называться законом Лавуазье — кроме одной страны, для которой многие законы, для всех действительные, были не писаны. Там он назывался исключительно «законом Ломоносова — Лавуазье» — только там, и нигде больше, исключая ее сателлитов. Что интересно, сам Ломоносов себе открытия данного закона не приписывал — в его собственноручном «Обзоре важнейших открытий» его нет. Были, конечно, в постсоветское время всяческие публикации о том, что Ломоносов-де вообще ничего не открыл, — этому верить не следует. Скажем, такое серьезное открытие, как атмосфера Венеры, несомненно, сделано им. Но всерьез рассуждать о том, что Ломоносов открыл закон сохранения массы раньше Эмпедокла, можно только ссылаясь на книги, созданные в СССР, да и то в строго определенный период его существования. А пока что ряд статей Вики с упоминаниями об этом открытии Ломоносова уже попал в список намеченных к исключению… Правда, пока не торопятся — Вики очень мало зависит как от идеологии, так и от ее перемен.
НЕВЕСЕЛОЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Теперь разве что стоит с грустью отметить, что Лавуазье прожил всего полстолетия, расставшись с жизнью на гильотине. Видите ли, он, как и многие богатые люди Франции, участвовал в странноватой французской системе налогообложения, больше всего напоминающей приватизацию налогового ведомства страны, как система откупов, — налоги собирали частные предприниматели, обязанные сдать в казну указанную сумму, а расходы по ее сбору возлагающие на налогоплательщиков с о-о-очень большой надбавкой за их бескорыстные труды. Злоупотребления при этом, конечно, были, как не быть, — но Лавуазье казнили не за какую-то конкретную доказанную вину, революции это было вообще не очень интересно. Ряд его коллег пытался достучаться до здравого смысла революционного трибунала, но лишь получил часто цитируемый ответ зампреда этого трибунала Коффиналя: «Революции не нужны химики». Ой как нужны — только догадываются об этом зампреды ревтрибуналов обычно перед собственной казнью, а некоторые и вообще не успевают…
Так закон сохранения массы Лавуазье без Ломоносова окончательно вытеснил флогистон из немаргинальной науки. Правда, сейчас выяснилось, что он не соблюдается, но такие вещи в науке — дело обычное. На данный момент истинным считается общий закон сохранения массы-энергии — они, оказывается, могут переходить друг в друга. В принципе, закон сохранения массы соблюдается и сейчас — в приближенном виде при небольших энергиях. Так достаточно продуманные законы природы уступают сферу своей компетенции, становясь не точными, а приближенными решениями при неких граничных условиях. Вот только печально, что конца этому процессу не видать…
ЛИТЕРАТУРА
- Волков В. А., Вонский Е. В., Кузнецова Г. И. Выдающиеся химики мира. — М.: ВШ, 1991. 656 с.
- Я. Г. Дорфман. Лавуазье. — М., Издательство АН СССР, 1962, 328 с.
При копировании материалов размещайте активную ссылку на www.huxley.media
Выделите текст и нажмите Ctrl + Enter
