4. Невесомые материи

Одной из характернейших черт естествознания XVIII века было пользовавшееся всеобщим распространением убеждение о существовании в природе множества таинственных и непостижимых материй, или "флюидов", которых было нельзя ни взвесить, ни уловить, ни удержать в какой-либо оболочке. Их называли "невесомыми" и "неукротимыми". Они приходили и уходили неведомыми путями, распространялись и "перетекали" от предмета к предмету. От их простого присутствия зависело появление теплоты, света, электричества, магнетизма. Ученые яростно спорили, совпадает ли "световая материя" с "огненной", а "материя тепла" с "флогистоном", присутствующим при химических процессах.

Физики и химики XVIII века представляли себе материю в отрыве от движения. Явления, вызванные движением собственных частиц самой материи, объяснялись существованием таких особых невесомых материй, или "субстанций", которые, по выражению Ломоносова, "скитались без малейшей вероятной причины".

Это метафизическое отношение к природе тяготело над естествознанием не только во времена Ломоносова. Выпущенный в 1830 году в Лейпциге в "заново переработанном виде" известный "Физический словарь" Гелера содержал особую статью о "невесомых", содержащую глубокомысленные рассуждения о том, что, по всей вероятности, вряд ли можно рассчитывать на то, что когда-либо будет найдена такая оболочка, в которой они могли бы находиться долгое время".

"Положительные науки, - писал А. И. Герцен в своих "Письмах об изучении природы", - имеют свои маленькие привиденьица: это - силы, отвлеченные от действий, свойства, принятые за самый предмет, и вообще разные кумиры, сотворенные из всякого понятия, которое еще не понятно¹." Прекрасным примером чего и являются, по его словам, невесомые, которых никто не видел и не получил "вне тел".

¹ (А. И. Герцен. Избранные философские сочинения. М., 1940, стр. 66.)

Герцен правильно указывал и на тлетворное влияние самого метода познания, оперирующего подобными метафизическими представлениями. "Эта метода делает страшный вред учащимся, давая им слова вместо понятий, убивая в них вопрос ложным удовлетворением. "Что есть электричество?" - Невесомая жидкость. Не правда ли, что лучше было бы если б ученик отвечал: - не знаю?..¹"

¹ (Там же, стр. 74.)

Эта метафизика иссушала науку, останавливала пытливую мысль. В ней на новый лад оживала средневековая схоластика, которую ожесточенно преследовал и отвергал могучий ум Ломоносова, где бы и в каком бы обличье ему ни привелось с ней встретиться.

Оторванные от движения невесомые "жидкости" и "флюиды" не могли иметь места в его физической системе. И Ломоносов изгоняет их отовсюду, не считаясь ни с чьим авторитетом.

Ломоносов познакомился с теорией теплорода еще за границей. Марбургский учитель Ломоносова Христиан Вольф вполне разделял эту теорию и пропагандировал ее в своих книгах. Но она не отвечала материалистическим устремлениям молодого Ломоносова, которому претила всякая метафизика. И вскоре же после своего возвращения из-за границы Ломоносов приступает к разработке своей теории теплоты, которая решительным образом расходилась с господствующими в его время представлениями.

В диссертации "О нечувствительных физических частичках" он выдвинул положение, что теплота состоит "во внутреннем движении собственной материи", причем разные степени теплоты определяются скоростью ее движения. И далее: "как никакому движению нельзя приписать высшую степень скорости, так нет и высшей степени теплоты. Величайший холод в теле - абсолютный покой; если есть хоть где-либо малейшее движение, то имеется и теплота". Ломоносов таким образом сформулировал положение об абсолютном нуле температуры.

Свои положения Ломоносов развил в стройную теорию в особом "Рассуждении о причине теплоты и холода", представленном им в 1744 году и напечатанном на латинском языке в первом томе "Новых Комментариев" Петербургской Академии наук в 1750 году. "В наше время, - говорит он, - причина теплоты приписывается особой материи, называемой большинством теплотворной, другими эфирной, а некоторыми элементарным огнем... И хорошо, если бы еще учили, что теплота тела увеличивается с усилением движения этой материи, когда-то вошедшей в нее, но считают истинной причиною увеличения или уменьшения теплоты простой приход или уход разных количеств ее. Это мнение в умах многих пустило такие могучие побеги и настолько укоренилось, что можно прочитать в физических сочинениях о внедрении в поры тел названной выше теплотворной материи, как бы притягиваемой каким-то любовным напитком, и наоборот, - о бурном выходе ее из пор, как бы объятой ужасом". Ломоносов убедительно доказывал, что нет никакой нужды привлекать для объяснения тепловых явлений таинственный "теплотвор". "Имеется достаточное основание теплоты в движении". То, что это движение не воспринимается зрением, не имеет значения. Оно ускользает от зрения, так как частицы движущейся материи слишком малы: "Кто в самом деле будет отрицать, что когда через лес проносится сильный ветер, то листья и сучки дерев колышутся, хотя бы при рассматривании издали глаз не видел движения". Но метафизические представления о теплороде прочно засели в умах западноевропейских ученых, став тормозом для развития правильного понимания тепловых процессов в природе и техник¹.

¹ (До известного времени теория теплорода (как и флогистона) была плодотворна, ибо объединяла в систему различные тепловые явления. "Физика, в которой царила теория теплорода, - замечает Ф. Энгельс, - открыла ряд в высшей степени важных законов теплоты В особенности Фурье и Сади Карно расчистили здесь путь для правильной теории, которой оставалось только перевернуть открытые ее предшественницей законы и перевести их на свой собственный язык". Ибо это была, по словам Энгельса, одна из тех теорий, "в которых отражение принимается за отражаемый объект и которые нуждаются поэтому в подобном перевертывании" (Ф. Энгельс. Диалектика природы. 1948, стр. 28-29). Однако Сади Карно, по словам Энгельса, "носом наткнулся на механический эквивалент теплоты [...], которого он не мог открыть и увидеть лишь потому, что верил в теплород" (там же, стр. 184).)

Теплород пережил флогистон на много десятилетий. Его приверженцы продержались до самой середины XIX века. Их не смутило ни изобретение паровой машины, ни открытие железных дорог.

Однако сокрушительная критика теплорода, данная Ломоносовым, не прошла бесследно для науки. Она, несомненно, содействовала падению авторитета флогистона, этого близкого родственника теплорода, а многими даже отождествлявшегося с ним.

Опираясь на свою атомно-молекулярную теорию, Ломоносов смело прокладывал новые пути в физике и химии. В доложенной им еще в феврале 1749 года диссертации "Попытка теории упругой силы воздуха" Ломоносов связывает свои атомистические представления с разрабатываемой им теорией теплоты, как движения частиц. Упругой силой воздуха Ломоносов называет стремление воздуха распространяться во все стороны. Он полагает, что это свойство проявляют не единичные частички, а их совокупность. Ломоносов развивает гениальную теорию о мгновенном и непосредственном взаимодействии частиц воздуха, обусловленном теплотою. Ломоносов убежден, что одно тело не может действовать на другое без соприкосновения. Но в то же время несомненно, что атомы воздуха находятся далеко один от другого, так как воздух может быть значительно сжат в своем объеме под давлением. Это противоречие может быть устранено только допущением, что не все атомы находятся одновременно в одном и том же состоянии. "Очевидно, - пишет Ломоносов, - что отдельные атомы воздуха, взаимно приблизившись, сталкиваются с ближайшими в нечувствительные моменты времени, и когда они находятся в соприкосновении, 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". Эта замечательная картина состояния частичек воздуха, обусловленного их тепловым состоянием, в основном совпадает с принятой лишь в середине XIX века "кинетической теорией" газов¹.

¹ (Ломоносов обратил также внимание и на то, что при значительном увеличении давления объем газа уменьшается не пропорционально давлению, а как бы отстает от него (или, иными словами, что при больших давлениях отношение плотностей меньше отношения упругостей). Ломоносов объяснил это тем, что сами частицы воздуха занимают некоторый объем. Только в 1864 году французский физик Дюпре снова обратил внимание на это обстоятельство, а вслед за ним в 1873 году голландский физик Ван дер Ваальс предложил свое объяснение, в принципе вполне отвечающее выводам Ломоносова.)

Свое понимание теплоты Ломоносов стремился связать с экспериментальными наблюдениями. В заметках к исследованию "О твердом и жидком", составленных в начале 1760 года, он упоминает свои "опыты к произведению искусственного холода", сделанные им еще в 1747 году. Он пользуется всяким новым поводом для дальнейшей разработки волновавших его вопросов. Поэтому его живо заинтересовали наблюдения академика И. А. Брауна, которому в декабре 1759 года удалось заморозить ртуть. Ломоносов сразу оценил значение этого открытия, так как в науке еще держались старые представления об "особых свойствах" ртути, к числу которых относилась и абсолютная не замерзаемость. Ломоносов же был давно убежден, что все состояния тел зависят лишь от "изменения теплоты и стужи".

Страница из лабораторного журнала Ломоносова.

Проспект Летнего дворца с северной стороны (Петербург). Гравюра А. Грекова по рисунку М. Махаева (около 1758 года)

Браун охотно принял предложение Ломоносова производить опыты сообща. 26 декабря, когда мороз достиг очень большой силы (-41,3° по шкале нашего времени), Ломоносов погрузил ртутный термометр в "холодильную смесь" из снега, "крепкой водки" (азотной кислоты) и "купоросного масла" (серной кислоты). "Не сомневаясь, что она уже замерзла, - описывает этот опыт Ломоносов, - вскоре ударил я по шарику медным при том бывшим циркулом, отчего тотчас стеклянная скорлупа расшиблась, и от ртутной пули отскочила, которая осталась с хвостиком бывшия в трубке термометра достальныя ртути, наподобие чистой серебряной проволоки... Ударив по ртутной пуле после того обухом, почувствовал я, что она имеет твердость, как свинец или олово. От первого удара, даже до четвертого, стискивалась она без седин, а от пятого, шестого и седьмого удара появились щели... Итак перестав больше ртуть ковать, резать стал ножом, и по времени около 20 минут стала она походить на амальгаму или на тесто, и вскоре получила потерянную свою жидкость, то-есть растопилась на таком великом морозе".

Результаты своих наблюдений Ломоносов и Браун доложили 6 сентября 1760 года на годичном собрании в Академии наук. Браун выступил с описанием внешних условий опыта, Ломоносов взял на себя изложение теоретических вопросов. "Коллега Браун, муж в философских и физических делах весьма прилежный, весьма ученый, весьма искусный в опытах, счастливый своими удачами, говорит о замороженной им ртути; и я предлагаю свои размышления, касающиеся различного сцепления тел, обуславливающего различную твердость и жидкость их", - указывает Ломоносов в латинском наброске своей речи (которая была потом произнесена по-русски).

Ломоносов особенно подчеркивает заслуги Брауна в этом выдающемся открытии, так как желает защитить его от недобросовестных нападок и происков тех академиков-иностранцев, которым была поперек горла их давнишняя дружба. В 1764 году в составленной им "Истории Академической канцелярии" Ломоносов писал, вспоминая об этом: "А что на Брауна уже не первой раз они нападают за его не склонность к их коварствам, то свидетельствует их поступок, когда он ртуть заморозил: ибо Миллер писал в Лейпциг именем Академии без ее ведома, якобы начало его нового опыта произошло от профессора Цейгера и Епинуса; и Брауну, якобы по случаю удалось как петуху сыскать жемчужное зерно".

Создавая целостную физическую картину мира, Ломоносов не мог обойти вопроса о природе света, тем более, что оптика была его подлинной страстью, В своем "Слове о происхождении Света", произнесенном 1 июля 1756 года, Ломоносов поднимал острые и спорные вопросы физики. Он не сомневался в том, что свет представляет собою движение материи. Но на этот счет существовало два мнения: "Первое Картезиево, от Гугения подтвержденное и изъясненное; второе от Гассенда, начавшееся и Невтоновым согласием и истолкованием важность получившее. Разность обоих мнений состоит в разных движениях. В обоих поставляется тончайшая, жидкая, отнюдь неосязаемая материя. Но движение от Невтона полагается текущее и от светящихся тел, наподобие реки во все стороны разливающееся; от Картезия поставляется беспрестанно зыблющееся без течения".

Христиан Гюйгенс (или Гугений, как его называл Ломоносов) в своем трактате "О свете", написанном в 1678 году, представлял себе передачу света на расстоянии как ряд ударов в покоящиеся упругие частицы эфира, по которым и распространяется движение. По этим частицам может передаваться множество пересекающихся волн, не сливаясь и не уничтожая друг друга. Гюйгенс пояснил это наглядным примером: "Если одновременно ударить по ряду с двух противоположных концов равными шарами... то каждый из них отскочит с тою же скоростью (с какой он шел), а ряд весь останется на месте, хотя движение и прошло по всей длине его в том и другом направлении".

Ломоносов был близок к такому пониманию эфира, предполагающему наличие во всемирном пространстве сплошной упругой среды. В набросках по теории электричества он высказывает мысль, что "частички, составляющие эфир, всегда все находятся в соприкосновении с соседними наиболее близкими". Эти частички "имеют шаровидную фигуру". Свет распространяется через огромное пространство в нечувствительный момент времени. "Колеблющееся движение, коим через эфир распространяется свет, не может иначе происходить, как если одна корпускула ударит в другую корпускулу; а ударить не может, если не прикоснется".

Ломоносов защищал волновую теорию света. Но в его время как раз восторжествовала теория Ньютона. Ньютон считал, что всякое светящееся тело испускает мельчайшие частицы, или корпускулы, особой световой материи. При переходе в более плотную среду частицы должны были испытывать притяжение. При этом скорость их должна была увеличиться, а отсюда следовало, что скорость света в более плотной среде (например, в воде) должна быть больше, чем в менее плотной. Этим можно было объяснить законы преломления света; но чтобы объяснить отражение света, Ньютон должен был приписать материальной среде, принимающей свет, еще и отталкивающую силу. Ньютон считался с взглядами Гюйгенса. Он угадывал относительную справедливость и вместе с тем неполноту каждой из соперничавших теорий. Последователи Ньютона уже не сознавали внутренних противоречий отстаиваемой ими теории истечения. Волновая теория света была отброшена и отрицалась большинством западноевропейских ученых.

Ломоносова не ослепил авторитет Ньютона. В "Слове о происхождении Света" он приводит много доводов против теории истечения света и утверждает, что она не согласуется с законами механики и повседневным опытом. "Между известными вещами, что есть тверже алмаза? Что есть его прозрачнее? Твердость требует довольной материи и тесных скважин; прозрачность едва из материи составленному быть ему позволяет, ежели положим, что лучи простираются текущим движением Ефирной материи. Ибо от каждого пункта его поверхности и всего внутреннего тела к каждому ж пункту всея поверхности и всего ж внутреннего тела проходят лучи прямою линиею. Следовательно, во все оные стороны прямолинейные скважины внутрь всего алмаза простираются. Сие положив, алмаз не токмо должен состоять из редкой и рухлой материи, но и весь должен быть внутри тощий". Ломоносов предлагает поставить алмаз между двумя свечами, даже между множеством свечей. Лучи будут проходить беспрепятственно. Почему же при встрече световых лучей в узких скважинах ничего не происходит? И нет ни малейшего "в лучах замешательства". "Где справедливые логические заключения? Где нерушимые движения законы?" - восклицал Ломоносов. Он был убежден, что все эти затруднения и "невозможности" может устранить только волновая теория света.

Ломоносов отвергал существование самостоятельной "светящейся материи", которая, как он был убежден, не может протекать от Солнца с неимоверной скоростью и в огромных количествах и затем неизвестно куда исчезать. Ведь не сам воздух "от звенящих гуслей" течет во все стороны, а звук передается, приходит к уху через его колебание. Точно так же "зыблющееся" движение эфира, наполняющего вселенную, служит для передачи и возбуждения явлений света. Самостоятельно разрабатывая важнейшие вопросы физики, Ломоносов опирался на отдельные теоретические положения естествоиспытателей прошлого, не считаясь с тем, признаны они или нет его западноевропейскими современниками. Выступая поборником "устаревшей" теории света, Ломоносов проявил необычайную смелость и независимость мысли. Его доводы произвели глубокое впечатление на Леонарда Эйлера, который почти дословно повторил их в своей популярной книге по физике, выпущенной Петербургской Академией на французском и русском языках под заглавием "Письма о разных физических и филозофических материях, писанные к некоторой немецкой принцессе" (1768). Но и его голос остался одиноким. Теория истечения господствовала еще много десятилетий¹.

¹ (Когда в 1800 году Томас Юнг опубликовал статью о звуке и свете, в которой указывал на слабые места теории Ньютона, он был подвергнут в Англии жестокой критике и даже сам стал сомневаться в правильности своих суждений. Открытия Юнга и затем Френеля, доказавших волновые свойства света, сделали невозможным существование корпускулярной теории света в ее прежнем виде. В то же время поиски вещественной среды (эфира), продолжавшиеся до конца XIX века и даже в XX веке, оказались безрезультатными, что привело к крушению также и механической теорий волн. Синтетическое решение этих вопросов было найдено лишь в новейшей теории фотонов (См.: С. Вавилов. Диалектика световых явлений. "Под знаменем марксизма", 1934, № 4, стр. 69-70).)

Основные физические принципы Ломоносова в общих чертах отвечали тому уровню, которого достигла западноевропейская наука только к середине XIX века, когда, наконец, получили развитие и признание закон сохранения материи и присущего ей движения, молекулярно-кинетическая теория теплоты, кинетическая теория газов и волновая теория света, являющиеся главнейшими достижениями ломоносовской физики.