стр. 1
(из 16 стр.)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Следующая >>

СТО ВЕЛИКИХ® НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ

МОСКВА «ВЕЧЕ» 2003

Самин Д.К., 2002.

ВВЕДЕНИЕ

Жизнь человека с самого начала складывалась так, что все, чем бы он не занимался, заставляло его наблюдать за окружающим миром и делать из этого выводы. Человеку приходилось совершенствовать орудия охоты и производства, обустраивать свою жизнь и окружающую среду, то есть заниматься в меру своих возможностей всем тем, что позднее стало именоваться наукой и техникой.
«Каждый новый шаг в развитии человечества требовал от наших предков все больших знаний и умения, — пишет академик В.А Кириллин. — Обработка материалов, изготовление орудий труда и охоты диктовали необходимость изучения свойств камня, дерева, кости, а позднее металлов. Использование огня также требовало определенных знаний. Для того чтобы охота была успешной, необходимо было знать жизнь и повадки животных. Занятия охотой и рыбной ловлей, а в дальнейшем земледелием заставляло людей наблюдать за сменой времен года, изменениями погоды Таким образом, постепенно накапливались начала научных знаний».
В самых примитивных формах уже первобытный охотник ориентировался на местности по светилам. Не случайно, поэтому, что именно астрономия, а скажем не химия, стала одной из самых древних наук.
Вместе с развитием хозяйственной деятельности человека, в период расцвета первых цивилизаций значительное развитие получили начала науки. Так были введены в практику жизни весы, а вместе с ними и единицы измерения. Тогда же оказались заложены основы арифметики и десятичной системы счета. Бурное развитие строительства привело к возникновению землемерной съемки и картографии. Можно продолжить этот ряд и другими примерами.
В пору становления науки ею занимались лишь преданные одиночки, а полученные ими результаты долгое время не считались обязательными для всех. Нужен был новый шаг вперед. Возникновение науки в современном виде было бы невозможно без появления научного метода.
В 1440 году Николай Кузанский в своем сочинении «Об ученом невежестве» настаивал, что все опознания о природе необходимо записывать в цифрах, а все опыты над нею производить с весами в руках.
А еще в XIII веке Роджер Бэкон в своем трактате писал:
«Существует естественный и несовершенный опыт, который не сознает своего могущества и не отдает себе отчета в своих приемах: им
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
пользуются ремесленники, а не ученые... Выше всех умозрительных знаний и искусств стоит умение производить опыты, и эта наука есть царица наук...
Философы должны знать, что их наука бессильна, если они не применяют к ней могущественную математику... Невозможно отличить софизм от доказательства, не проверив заключение путем опыта и применения».
Именно научный метод преобразовал мир, в котором мы живем, и именно на основе успехов этого метода наука дала человеку власть над природой.
Причина могущества науки — в ее всеобщности: ее законы свободны от произвола отдельных людей, она отражает лишь коллективный их опыт, независимый от возраста, национальности и настроения.
Страны Запада, быстрее приняв новую веру в науку, далеко обогнали прежде цветущие страны Востока. Такой успех стал возможен благодаря простому открытию: суть многих явлений природы можно записать в виде чисел и уравнений, устанавливающих связи между числами. Индуктивные науки пришли на смену чистому умозрению, позволив «проверять алгеброй гармонию».
Наибольшее внимание из всех наук в книге уделяется физике. Это объясняется тем, что именно в физике рассматривается широчайший круг структур и явлений, существующих и происходящих в природе. Не случайно открытия физиков часто имеют определяющее значение для других наук, например, химии, биологии, геологии. Вместе с физикой в главу «Основы мироздания» входит ее ближайшая «родственница» — химия.
В отдельный раздел выделена «Могущественная математика», без которой невозможно даже существование подавляющего большинства наук.
Еще одну главу, «Третья планета от Солнца», составили науки о Земле как о планете: астрономия, геология, биосфера, ноосфера.
Четвертая глава, «Тайны живого», посвящена биологии, медицине и психологии. И, наконец, завершает книгу глава «Законы общества», куда вошли такие науки, как экономика, языкознание и история.
В заключение хочется сказать вот о чем. В гипотезах о будущем науки недостатка нет, их множество — от безудержного энтузиазма до самого мрачного пессимизма. Но как бы ни развивалось человечество, оно всегда будет пользоваться научными открытиями и ее плодами так же, как мы вспоминаем века прошедшие.
ОСНОВЫ МИРОЗДАНИЯ
ЗАКОН АРХИМЕДА
Архимед (287 до н.э. — 212 до н.э.) родился в греческом городе Сиракузы, где и прожил почти всю свою жизнь. Отцом его был Фидий, придворный астроном правителя города Гиерона. Учился Архимед, как и многие другие древнегреческие ученые, в Александрии, где правители Египта Птолемеи собрали лучших греческих ученых и мыслителей, а также основали знаменитую, самую большую в мире библиотеку.
После учебы в Александрии Архимед вновь вернулся в Сиракузы и унаследовал должность своего отца.
В теоретическом отношении труд этого великого ученого был блистателен. Основные работы Архимеда касались различных практических приложений математики (геометрии), физики, гидростатики и механики. В сочинении «Параболы квадратуры» Архимед обосновал метод расчета площади параболического сегмента, причем сделал это за две тысячи лет до открытия интегрального исчисления В труде «Об измерении круга» Архимед впервые вычислил число «пи» — отношение длины окружности к диаметру — и доказал, что оно одинаково для любого круга. Мы до сих пор пользуемся придуманной Архимедом системой наименования целых чисел.
Любопытен отзыв Цицерона, великого оратора древности, увидевшего «архимедову сферу» — модель, показывающую движение небесных светил вокруг Земли: «Этот сицилиец обладал гением, которого, казалось бы, человеческая природа не может достигнуть».
Архимед проверяет и создает теорию пяти механизмов, известных в его время и именуемых «простые механизмы». Это — рычаг («Дайте
8
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
мне точку опоры, — говорил Архимед, — и я сдвину Землю»), клин, блок, бесконечный винт и лебедка.
Но Архимед знал также, что предметы имеют не только форму и измерение: они движутся, или могут двигаться, или остаются неподвижными под действием определенных сил, которые двигают предметы вперед или приводят в равновесие. Великий сиракузец изучал эти силы и изобретал новую отрасль математики, в которой материальные тела, приведенные к их геометрической форме, сохраняют в то же время свою тяжесть. Эта геометрия веса и есть рациональная механика, статика, а также гидростатика.
Учение о гидростатике Архимед развивает в труде «О плавающих телах». «Предположим, — говорит ученый, — что жидкость имеет такую природу, что из ее частиц, расположенных на одинаковом уровне и прилежащих друг к другу, менее сдавленные выталкиваются более сдавленными и что каждая из ее частиц сдавливается жидкостью, находящейся над ней по отвесу, если только жидкость не заключена в каком-нибудь сосуде и не сдавливается еще чем-нибудь другим». Полагаясь на это положение, Архимед математически доказывает, что следующие ниже «следствия» полностью объясняются с помощью приведенной гипотезы:
«1) Тела, равнотяжелые с жидкостью, будучи опущены в эту жидкость, погружаются так, что никакая их часть не выступает над поверхностью жидкости, и не будут двигаться вниз.
2) Тело, более легкое, чем жидкость, будучи опущено в эту жидкость, не погружается целиком, но некоторая часть его остается над поверхностью жидкости.
3) Тело, более легкое, чем жидкость, будучи опущено в эту жидкость, погружается настолько, чтобы объем жидкости, соответствующий погруженной [части тела], имел вес, равный весу всего тела.
4) Тела, более легкие, чем жидкость, опущенные в эту жидкость насильственно, будут выталкиваться вверх с силой, равной тому весу, на который жидкость, имеющая равный объем с телом, будет тяжелее этого тела.
5) Тела, более тяжелые, чем жидкость, опущенные в эту жидкость, будут погружаться, пока не дойдут до самого низа, и в жидкости станут легче на величину веса жидкости в объеме, равном объему погруженного тела».
Пункт 5 содержит фактически общеизвестный закон Архимеда, открытие которого позволило ему, согласно преданию, осуществить проверку состава короны сиракузского царя Гиерона. Знаменитый рассказ о первом практическом применении Закона Архимеда приведен у древнеримского автора Витрувия в его труде «Об архитектуре»:
«...Исходя из своего открытия, он, говорят, сделал два слитка, каждый такого же веса, какого была корона, — один из золота, другой из серебра. Сделав это, он наполнил водой сосуд до самых краев и опустил в него серебряный слиток, и вот, какой объем слитка был погружен в сосуд, соответственное ему количество вытекло воды. Вынув слиток, он долил в сосуд такое количество воды, на какое количество стало там ее меньше, отмеряя вливаемую воду секстарием, чтобы, как и прежде,
ОСНОВЫ МИРОЗДАНИЯ
сосуд был наполнен водой до самых краев. Так отсюда он нашел, какой вес серебра соответствует какому определенному количеству воды.
Произведя такое исследование, он после этого таким же образом опустил золотой слиток в полный сосуд. Потом, вынув его и добавив той же мерой вылившееся количество воды, нашел на основании меньшего количества секстариев воды, насколько меньший объем занимает слиток золота по сравнению с одинаково с ним весящим слитком серебра. После этого, наполнив сосуд и опустив в ту же воду корону, нашел, что при погружении короны вытекло больше воды, чем при погружении золотой массы одинакового с ней веса; и таким образом на основании того заключения, что короной вытеснялось большее количество воды, чем золотым слитком, он вскрыл примесь в золоте серебра и обнаружил явное воровство поставщика».
«В этом рассказе, — отмечает Я.Г. Дорфман, — убедительно лишь заключение Архимеда о том, что корона состоит из сплава, а не из чистого золота. Но ниоткуда не следует, что второй компонентой было обязательно серебро. Во всяком случае, следует отметить, что это выдающееся открытие Архимеда знаменует собой первое в истории применение физического измерительного метода к контролю и анализу химического состава без нарушения целостности изделия. Огромное практическое значение этого открытия в эпоху, когда еще никаких других методов подобного рода не было, естественно, привлекло к себе всеобщее внимание и стало предметом дальнейших исследований и практических использований на протяжении многих последующих веков.
По-видимому, и сам Архимед не ограничился описанным полукачественным экспериментом, а перешел к более точному количественному измерению. Автор арабского сочинения XII века «Книга о весах мудрости» ал-Хазини, цитируя «слово в слово» не дошедший до нас трактат грека Менелая, жившего во времена римского императора Домициана (81—96 гг. до н.э.), сообщает, что Архимед «изобрел механическое приспособление, которое благодаря своему тонкому устройству позволило ему определить, сколько золота и сколько серебра содержится в короне, не нарушая ее формы». Ал-Хазини приводит также схему устройства «весов Архимеда» с подвижным грузом.
Сравнивая на этом приборе веса упомянутых слитков в воде, Архимед мог с помощью подвижного груза определять численное отношение удельных весов золота и серебра, а, сопоставляя таким же способом веса короны и одного из этих слитков, мог установить относительное количество золота и серебра в короне (если в состав короны входили только эти два металла)».
Синезий из Кирэны в IV веке, ученик знаменитой александрийской ученой Ипатии, основываясь на принципах Архимеда, изобрел «гидроскоп» — ареометр для определения удельного веса жидкостей. Прибор, изготовленный из бронзы, имел насечки. По-видимому, этот прибор использовался для составления таблиц удельных весов различных жидкостей. К сожалению, подобные таблицы до нас не дошли.
основы мироздания
11
АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ
Существование воздуха известно человеку с древнейших времен. Греческий мыслитель Анаксимен, живший в VI веке до н.э., считал воздух основой всех вещей. Вместе с тем воздух представляет собой нечто неуловимое, как бы невещественное — «дух».
Древние атомисты Демокрит, Эпикур и Лукреций не сомневались в материальной природе воздуха, атомы которого, по их мнению, обладают подвижностью и круглой формой. Более того, они считали, что сама душа имеет атомистическую природу, атомы души особенно легки, малы и подвижны. Аристотель, причисляя воздух к одним из четырех материальных элементов, полагал, что воздух имеет
3
вес, и даже думал, что ему удалось это подтвердить опытом, взвешивая «пустой» и надутый воздухом пузырь. Аристотель уже хорошо знал всасывающее действие разреженного пространства и вывел из этого факта принцип «природа не терпит пустоты».
Большое количество пневматических приборов было изобретено Рероном, считавшим, что воздух состоит из частиц, разделенных малыми пустотами. Однако существование больших пустот он считал противным природе и этим объяснял всасывание, действие насосов, сифонов, а также другие явления, ныне объясняемые атмосферным давлением.
В эпоху раннего средневековья представление об атмосфере высказал египетский ученый Ал Хайсама (Альгазена), живший в XI веке. Он не только знал, что воздух имеет вес, но что плотность воздуха уменьшается с высотой, и этим уменьшением объяснял атмосферную рефракцию. Наблюдая за продолжительностью сумерек, Альгазен оценивал высоту атмосферы примерно в 40 километров. Однако средневековая Европа вернулась к аристотелевской концепции четырех элементов и принципу «боязни пустоты», оставив надолго изучение физических свойств воздушного океана.
Первыми, кто практически измерил давление воздушного океана, были итальянские колодезники. Вот как об этом факте рассказывается в «Беседах» Галилея:
«Я видел, — говорит один из собеседников Сагредо, — однажды колодец, в который был помещен насос для накачивания воды кем-то, кто думал таким образом доставать воду с меньшим трудом или в большем количестве, нежели просто ведрами. Этот насос имел поршень с верхним клапаном, так что вода поднималась всасыванием, а не давлением, как то делается в насосах с нижним клапаном. Пока колодец был
наполнен водою до определенной высоты, насос всасывал и подавал ее прекрасно, но как только вода опускалась ниже этого уровня — насос переставал работать. Заметив первый раз такой случай, я подумал, что насос испорчен, и позвал мастера для починки; последний заявил, однако, что все было исправно, но что вода опустилась до той глубины, с которой она не может быть поднята насосом вверх, при этом он прибавил, что ни насосами, ни другими машинами, поднимающими воду всасыванием, невозможно поднять воду и на волос выше восемнадцати локтей; будут ли насосы широкими или узкими — предельная высота остается той же самой».
Галилей считал, что предельная высота водяного столба 18 локтей является мерой «боязни пустоты». «Так как медь в девять раз тяжелее воды, то сопротивление разрыву медного стержня, обусловленное боязнью пустоты, равняется весу двух локтей стержня той же толщины», — писал Галилей в «Беседах».
Другими словами, «боязнь пустоты» (т. е. сила атмосферного давления) уравновешивается либо весом водяного столба в 10 метров, либо весом медного столба высотой в 1,12 метра, составляя, по оценке Галилея, около 1 килограмма на квадратный сантиметр. Таким образом, практики с достаточной точностью оценили силу атмосферного давления, и подсчеты Галилея правильны, хотя интерпретация его наблюдения, сделанного итальянскими мастерами, носит еще схоластический характер. Необходимо было сделать дальнейший шаг. Его сделал Торричелли.
Эванджелиста Торричелли (1608—1647) родился в Фаэнце в Италии, в знатной семье. Рано лишившись отца, Торричелли воспитывался своим дядей — ученым монахом, отдавшим его в иезуитскую школу.
В восемнадцать лет Торричелли отправили в Рим для продолжения математического образования. В Риме Эванджелиста сблизился с учеником и последователем Галилея — Бендетто Кастелли (1577—1644). Кастелли был доминиканским священником и профессором математики. Он рано примкнул к учению Галилея и сделался верным помощником и другом великого ученого.
В 1632 году вышел знаменитый «Диалог о двух системах мира» Галилея, а в 1638 году было напечатано его последнее и наиболее важное сочинение «Беседа о двух науках». Это сочинение оказало сильное влияние на Торричелли, и под его впечатлением он написал сочинение «О естественном ускорительном движении», в котором развивал идеи Галилея.
Рукопись Торричелли его учитель Кастелли, уезжая из Рима в Венецию, захватил с собой и по дороге, побывав у Галилея, познакомил его с ней. Работа Торричелли настолько понравилась Галилею, что он пригласил к себе молодого ученого.
В октябре 1641 года Торричелли прибыл в Арчетри и начал работать над завершением «Бесед», однако его совместная работа с Галилеем продолжалась недолго В январе 1642 года Галилей скончался.
f
12
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
Герцог Тосканский предложил Торричелли занять должность Галилея. Торричелли согласился и в этой должности провел остаток своей короткой жизни.
После смерти Галилея его два ученика — Торричелли и Вивиани — работали в тесном содружестве. Теперь их главной задачей было утверждение экспериментального метода. К Торричелли и Вивиани примкнуло еще несколько человек. Из этого кружка и родилась знаменитая Флорентийская академия опыта, получившая свое организационное оформление 19 июня 1657 года, спустя десять лет после смерти Торричелли.
Уже в римский период жизни Торричелли стоял на пороге фундаментального открытия — открытия давления воздушного океана. Однако пока его внимание привлекает новая динамика. В сочинении «О естественном ускорительном движении», которое было представлено Кастелли Галилею и издано в расширенном виде во Флоренции в 1641 году на итальянском языке под заглавием «Трактат о движении тяжелых тел» (латинский перевод трактата в двух книгах вышел в 1644 году), Торричелли развивает механику Галилея.
Торричелли стал первым ученым, решившим баллистическую задачу о траектории брошенного тела в однородном поле тяжести в отсутствии сопротивления воздуха.
Наиболее замечательным результатом работ Торричелли по механике является открытие им законов истечения жидкости из отверстия в сосуде. Это открытие, примыкающее к исследованиям его учителя Кастелли, создало ему славу основателя гидравлики.
И, наконец, Торричелли совершает величайшее открытие. Ему приходит в голову мысль измерить вес атмосферы весом ртутного столба. В 1643 году по его указанию эксперимент был произведен другом Торричелли Винченцо Вивиани. Опыт оправдал все ожидания, ртуть остановилась на заданной высоте, над нею образовалась «торричеллиева пустота».
Позже Торричелли повторил опыт с двумя трубками, о чем сообщает в письме к итальянскому математику Риччи от 11 июня 1644 года, которое является единственной публикацией о знаменитых опытах. Вот выдержки из этого письма.
«...Многие утверждают, что пустоты вообще не существует; другие же говорят, что получение ее достижимо лишь преодолением сопротивления природы и при том с большим трудом. Я полагаю, что во всех случаях, когда при получении пустоты явно обнаруживается противодействие, нет надобности приписывать пустоте то, что, очевидно, обусловлено совсем иной причиной. Говорю так потому, что некоторые ученые, видя невозможность отрицать факт противодействия, проявляющегося, вследствие тяжести воздуха, при образовании пустоты, не приписывают этого сопротивления давлению воздуха, а упорно утверждают, что сама природа препятствует образованию пустоты. Мы живем на дне воздушного океана, и опыты с несомненностью доказывают, что воздух имеет вес...
основы мироздания
13
Нами было изготовлено много стеклянных пузырьков с трубкой длиною в два локтя; мы наполняли их ртутью, придерживая отверстие пальцем; когда затем трубки опрокидывали в чашку с ртутью, они опоражнивались, но лишь отчасти: каждая трубка оставалась наполненной ртутью до высоты локтя и одного пальца. Желая доказать, что пузырек (в верхней части трубки) совершенно пуст, подставленную чашку доливали водой, и тогда, при постепенном поднимании трубки, можно было видеть, что, как только ее отверстие оказывалось в воде, из трубки выливалась ртуть и весь пузырек, до самого верху, стремительно наполнялся водой. Итак, пузырек пуст, ртуть же держится в трубке. До сих пор принимали, что сила, удерживающая ртуть от естественного стремления опускаться, находится внутри верхней части трубки — в виде пустоты или весьма разреженной материи. Я не утверждаю, что причина лежит вне сосуда: на поверхность жидкости в чашке давит воздушный столб высотою 50x3000 шагов — не удивительно, что жидкость входит внутрь стеклянной трубки (к которой она не имеет ни влечения, ни отталкивания) и поднимается до тех пор, пока не уравновесится внешним воздухом. Вода же поднимается в подобной, но гораздо более длинной трубке во столько раз выше, во сколько раз ртуть тяжелее воды...»
Для полной убедительности Торричелли поставил опыт с двумя трубками. Он хочет показать, что ртуть не удерживается никакими симпатиями или антипатиями, а форма пространства над ртутью не играет никакой роли и дело только во внешнем давлении воздуха.
«Это соображение, — продолжает он в том же письме, — подтвердилось опытом, поставленным одновременно с двумя трубками А и В, в которых ртуть всегда устанавливалась на одинаковом горизонте АВ, это вполне надежное указание на то, что сила не находится внутри (вакуума), так как большая сила должна быть внутри сосуда АВ, в котором находится более разреженное притягивающее нечто, и она должна быть много сильнее по причине более полного разрежения, чем в очень малом пространстве В».
Торричелли удалось найти еще более важное доказательство внешней причины образования ртутного столба. Ученый заметил, что высота столба испытывала колебания, то есть давление атмосферы менялось. Таким образом, трубка Торричелли стала первым барометром. Именно с этого опыта началось научное наблюдение за погодой, важнейшими характеристиками которой являются давление и температура.
Стоит заметить, что эксперимент Торричелли был не безупречен. Данная им высота ртутного столба, если принять во внимание высоту Флоренции над уровнем моря, соответствует 74,2 сантиметрам ртутного столба. Малое значение этой величины, по-видимому, можно объяснить тем, что в «торричеллиевой пустоте» оставалось еще некоторое количество воздуха.
Борьба против учения о боязни пустоты не закончилась опытом Торричелли. Гипотеза о силах, удерживающих ртутный столб, жила еще
14
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
долго после смерти Торричелли. Знаменитые опыты Паскаля (1623—1662), доказавшего, что изменение высоты барометра связано с высотой и построившего водяной барометр, подтвердили выводы Торричелли. Но только изобретение воздушного насоса Бойлем и Герике, а также эффективные опыты по демонстрации силы атмосферного давления, произведенные последним, окончательно разбили концепцию боязни пустоты. Было окончательно похоронено представление о воздухе как о каком-то духовном начале. Герике доказал прямым опытом весомость воздуха, взвешивая откачанный сосуд и сосуд с воздухом. Этот опыт привел его к основному выводу: «Воздух несомненно является телесным нечто». Таким образом, в науке утвердилось представление о том, что воздух является одним из видов материи, которую можно удалить из занимаемого ею места и образовать «пустоту», «вакуум».
I
Роберт Бойль
ЗАКОН БОЙЛЯ-МАРИОТТА
Исследования великого английского ученого Бойля положили начало рождению новой химической науки. Он выделил химию в самостоятельную науку и показал, что у нее свои проблемы, свои задачи, которые надо решать своими методами, отличными от медицины. Систематизируя многочисленные цветные реакции и реакции осаждения, Бойль положил начало аналитической химии. Он же стал автором одного из первых законов рождающейся физико-химической науки.
Роберт Бойль (1627—1691) был тринадцатым ребенком из четырнадцати детей Ричарда Бойля — первого герцога Коркского, свирепого и удачливого стяжателя, жившего во времена королевы Елизаветы и умножившего свои угодья захватом чужих земель. Он родился в Лисмор Касле, одном из ирландских
поместий отца. Там Роберт провел свое детство. Он получил превосходное домашнее образование и в возрасте восьми лет стал студентом Итонского университета. Там он проучился четыре года, после чего уехал в новое поместье отца — Столбридж.
Как было принято в то время, в возрасте двенадцати лет Роберта вместе с братом отправили в путешествие по Европе. Он решил продолжить образование в Швейцарии и Италии и пробыл там долгие шесть лет. В Англию Бойль вернулся только в 1644 году, уже после смерти отца, который оставил ему значительное состояние.
В Столбридже он устроил лабораторию, где к концу 1645 года начал исследования по физике, химии и агрохимии. Бойль любил работать одновременно по нескольким проблемам. Обычно он подробно разъяснял помощникам, что предстоит им сделать за день, а затем удалялся в кабинет, где его ждал секретарь. Там он диктовал свои философские трактаты.
Ученый-энциклопедист, Бойль, занимаясь проблемами биологии, медицины, физики и химии, проявлял не меньший интерес к философии, теологии и языкознанию. Бойль придавал первостепенное значение лабораторным исследованиям. Наиболее интересными и разнообразными были его опыты по химии. Он считал, что химия, отпочковавшись от алхимии и медицины, вполне может стать самостоятельной наукой.
Поначалу Бойль занялся получением настоев из цветов, целебных трав, лишайников, древесной коры и корней растений. Самым интерес-
16
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
ным оказался фиолетовый настой, полученный из лакмусового лишайника. Кислоты изменяли его цвет на красный, а щелочи — на синий. Бойль распорядился пропитать этим настоем бумагу и затем высушить ее. Клочок такой бумаги, погруженный в испытуемый раствор, изменял свой цвет и показывал, кислый ли раствор или щелочной. Это было одно из первых веществ, которые уже тогда Бойль назвал индикаторами.
Наблюдательный ученый не мог пройти мимо еще одного свойства растворов: когда к раствору серебра в азотной кислоте добавляли немного соляной кислоты, образовывался белый осадок, который Бойль назвал «луна корнеа» (хлорид серебра). Если этот осадок оставляли в открытом сосуде, он чернел. Это была аналитическая реакция, достоверно показывающая, что в исследуемом веществе содержится «луна» (серебро).
Молодой ученый продолжал сомневаться в универсальной аналитической способности огня и искал иные средства для анализа. Его многолетние исследования показали, что, когда на вещества действуют теми или иными реактивами, они могут разлагаться на более простые соединения. Используя специфические реакции, можно было определять эти соединения. Одни вещества образовывали окрашенные осадки, другие выделяли газ с характерным запахом, третьи давали окрашенные растворы и т. д. Процессы разложения веществ и идентификацию полученных продуктов с помощью характерных реакций Бойль назвал анализом. Это был новый метод работы, давший толчок развитию аналитической химии.
В 1654 году ученый переселился в Оксфорд, где продолжил свои эксперименты вместе с ассистентом Вильгельмом Гомбергом. Исследования сводились к одной цели: систематизировать вещества и разделить их на группы в соответствии с их свойствами.
После Гомберга его ассистентом стал молодой физик Роберт Гук. Они посвятили свои исследования в основном газам и развитию корпускулярной теории.
Узнав из научных публикаций о работах немецкого физика Отто Герике, Бойль решил повторить его эксперименты и для этой цели изобрел оригинальную конструкцию воздушного насоса. Первый образец этой машины был построен с помощью Гука. Исследователям удалось почти полностью удалить воздух насосом. Однако все попытки доказать присутствие эфира в пустом сосуде оставались тщетными.
— Никакого эфира не существует, — сделал вывод Бойль. Пустое пространство он решил назвать вакуумом, что по-латыни означает «пустой».
В 1660 году в своем поместье Бойль завершил свою первую большую научную работу — «Новые физико-механические эксперименты относительно веса воздуха и его проявления». Следующей стала книга «Химик — скептик». В этих книгах Бойль камня на камне не оставил от учения Аристотеля о четырех элементах, существовавшего без малого
ОСНОВЫ МИРОЗДАНИЯ
17
две тысячи лет, Декартова «эфира» и трех алхимических начал. Естественно, этот труд вызвал резкие нападки со стороны последователей Аристотеля и картезианцев. Однако Бойль опирался в нем на опыт, и потому доказательства его были неоспоримы. Большая часть ученых — последователи корпускулярной теории — с восторгом восприняли идеи Бойля. Многие из его идейных противников тоже вынуждены были признать открытия ученого.
Новым ассистентом у него в лаборатории Оксфорда становится молодой физик Ричард Таунли. Вместе с ним Бойль открыл один из фундаментальных физических законов, установив, что изменение объема газа обратно пропорционально изменению давления. Это означало, что, зная изменение объема сосуда, можно было точно вычислить изменение давления газа. Это открытие стало величайшим открытием XVII века. Бойль впервые описал его в 1662 году («В защиту учения относительно эластичности и веса воздуха») и скромно назвал гипотезой.
Понятие упругости воздуха, что соответствует нынешнему понятию давлению, было определяющим в замыслах и в осуществлении опытов Бойля.
«Упругость воздуха, — пишет Льоцци, — была продемонстрирована Паскалем в опыте, повторенном Академией опытов и Герике. Пузырь с воздухом раздувается, если его поместить в барометрическую камеру или в резервуар, из которого откачан воздух. Опыт Герике с двумя сообщающимися сосудами также свидетельствовал об упругости воздуха». Заметим кстати, что из описанных опытов с воздухом родилась теория упругости. Этот термин, введенный Пекке в 1651 году, широко применялся Бойлем, который произвел также первые исследования упругости твердых тел.
Против такого понимания ополчился Франческо Лино (1595—1675) который по существу отстаивал идеи, выдвинутые Фабри, а также Мерсенном, пытавшимися приписать эффект Торричелли и всасывание воды насосом сцеплению «крючковатых» частиц воды и воздуха, сталкивающихся друг с другом. В своей работе «Об эксперименте с ртутью в стеклянных трубках...», опубликованной в 1660 году, Лино замечает, что если опустить в ртуть трубку, открытую с обоих концов, а затем прикрыть верхний конец пальцем и частично вытащить трубку из ртути, то чувствуется, что подушечка пальца втягивается внутрь трубки. Это притяжение, рассуждает далее Лино, свидетельствует не о внешнем атмосферном давлении, а о внутренней силе, обусловленной невидимыми нитями («фуникулами») материальной субстанции, прикрепленными одним концом к пальцу, а другим к столбу ртути.
Сейчас такие идеи вызывают лишь улыбку, но тогда они нуждались в серьезном рассмотрении, что и сделал Бойль в своей работе «Защита против Лино», где ставит себе целью доказать, что упругость воздуха способна на большее, нежели простое удержание торричеллиева столба».
Бойль подробнейшим образом описывает свое исследование: «Мы взяли длинную стеклянную трубку, которая искусной рукой с помощью
18
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
лампы была изогнута таким образом, что согнутая вверх часть была почти параллельна остальной части. Отверстие в этом более коротком колене... было герметически запаяно. Короткое колено по всей своей длине разделено на дюймы (каждый из которых еще поделен на восемь частей) с помощью полоски бумаги с нанесенными на ней делениями, которая была аккуратно приклеена к трубке». Такая же полоска бумаги была приклеена к длинному колену. Затем в трубку была налита «ртуть в таком количестве, чтобы она заполнила полукруглую или изогнутую часть сифона» и стояла на одном и том же уровне в обоих коленах. «Когда это было сделано, мы начали доливать ртуть в длинное колено... покуда воздух в коротком колене не оказался уменьшенным благодаря сжатию так, что он занял лишь половину первичного объема... Мы не спускали глаз с более длинного колена трубки... и мы заметили, что ртуть в этом более длинном колене трубки стояла на 29 дюймов выше, чем в другом».
Подводя итоги этим экспериментам, Бойль отметил: «Когда воздух был сжат настолько, что он был сгущен в объеме, составлявшем одну четверть первоначального, мы попробовали, насколько холод от льняной ткани, смоченной водой, сгустит воздух. И порой казалось, что воздух несколько сжимается, однако не настолько, чтобы на этом можно было строить какие-то заключения. Затем мы также попробовали, будет ли жар... расширять воздух; при приближении пламени свечи к той части, где был заключен воздух, обнаружилось, что теплота оказывает более заметное действие, нежели ранее действовавший холод».
Интересно, что выводы из исследований сделал не Бойль, а Таунли. Бойль указывает, что Ричард Таунли, читая первое издание его сочинения «Новые физико-механические эксперименты касательно упругости воздуха» высказал гипотезу, что «давления и протяжения обратно пропорциональны друг другу».
Я.Г. Дорфман пишет: «Пятнадцать лет спустя после опубликования этих исследований Бойлем, т. е. в 1679 году, во Франции появилась «Речь о природе воздуха» аббата Эдма Мариотта, в которой наряду с другими вопросами описывались аналогичные экспериментам Бойля опыты по изучению зависимости между давлением воздуха и занимаемым объемом. Мариотт ни словом не упоминает о своем предшественнике, словно ему совершенно неизвестны работы Бойля по пневматике. Между тем работы Бойля были широко известны: они публиковались на латинском и английском языке. Впрочем, Мариотт не впервые забыл упомянуть своего предшественника, ведь точно так же в 1673 году в труде о соударениях он ни словом не сказал о работе Гюйгенса, позаимствовав у последнего не только методику эксперимента, но и основы теории.
Работа Мариотта значительно уступает работе Бойля в отношении тщательности эксперимента. Бойль, как мы видели, измеряет высоты ртутного столба с точностью до шестнадцатых долей дюйма, сопоставляет реально наблюдаемые значения с вычислениями и указывает на
ОСНОВЫ МИРОЗДАНИЯ
19
неизбежную погрешность в измерениях. Мариотт измеряет высоты ртутного столба в целых дюймах и ограничивается сообщением, что опытные данные строго согласуются с расчетными. Осторожный и критически настроенный, Бойль называет открытый им закон только «гипотезой», требующей экспериментального подтверждения. Мариотт провозглашает его законом или правилом природы. Так что по справедливости «закон Бойля—-Мариотта» должен именоваться «законом Бойля—Таунли» или «Бойля—Таунли—Гука». К сожалению, иногда в курсах физики ошибочно утверждается, будто Мариотт «уточнил» исследования Бойля, что совершенно не соответствует действительности».
Тем не менее именно Мариотт (1620—1684) предсказал различные применения закона. Из них наиболее важным был расчет высоты места по данным барометра. Расчет, производившийся путем оперирования с бесконечно малыми величинами, привел к неудаче вследствие слабой математической подготовки ученого.
Позднее в 1686 году к проблеме определения высоты по атмосферному давлению обратился английский астроном Эдмонд Галлей (1656— 1742). Он известен большинству читателей по открытой им комете, носящей его имя. Так вот, Галлей нашел формулу, по существу правильную, если не учитывать изменения температуры. Суть формулы Галлея сводилась к утверждению, что по мере возрастания высоты в арифметической прогрессии атмосферное давление уменьшается в геометрической прогрессии.
Исаак Ньютон
ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ
Мысль, что тела падают на землю вследствие притяжения их земным шаром, была далеко не нова: это знали еще древние, например Платон. Но как измерить силу этого притяжения? Везде ли на земном шаре оно одинаково и как далеко оно простирается? Вот вопросы, которые до Ньютона — автора закона всемирного тяготения, смущали ученых и философов.
Открыв свой третий закон, Кеплер пришел в такое восторженное состояние, что ему показалось, будто он бредит. В 1619 году Кеплер издал знаменитую «Гармонию мироздания», в которой был на расстоянии одного taara от открытия Ньютона и все-таки не сделал его. Мало того, что Кеплер приписывал движения планет некоторому взаимному притяжению, он даже готов был принять закон «квадратной пропорции» (то есть действия, обратно пропорционального квадратам расстояний). Увы, вскоре он отказался от него и вместо этого предположил, что притяжение обратно пропорционально не квадратам расстояний, а самим расстояниям. Кеплеру не удалось установить механических начал им же открытых законов планетного движения.
Непосредственными предшественниками Ньютона в этой области были его соотечественники Джильберт и в особенности Гук. В 1660 году Джильберт издал книгу «О магните», в которой сравнивал действие Земли на Луну с действием магнита на железо. В другом сочинении Джильберта, напечатанном уже после его смерти, сказано, что Земля и Луна влияют друг на друга как два магнита, и притом пропорционально своим массам. Но ближе всего к истине подошел Роберт Гук, современник и соперник Ньютона. 21 марта 1666 года, то есть незадолго до того времени, когда Ньютон впервые глубоко вник в тайны небесной механики, Гук прочел на заседании Лондонского королевского общества отчет о своих опытах над изменением силы тяжести в зависимости от расстояния падающего тела относительно центра Земли. Сознавая неудовлетворительность своих первых опытов, Гук придумал измерять силу тяжести посредством качания маятника — мысль в высшей степени остроумная и плодотворная. Два месяца спустя Гук сообщил в том же обществе, что сила, удерживающая планеты в их орбитах, должна быть подобна той, которая производит круговое движение маятника. Значи-
основы мироздания
21
тельно позднее, когда Ньютон уже готовил к печати свой великий труд, Гук независимо от Ньютона пришел к мысли, что «сила, управляющая движением планет», должна изменяться в «некоторой зависимости от расстояний», и заявил, что «построит целую систему мироздания», основанную на этом начале. Но здесь-то и обнаружилось различие между талантом и гением. Счастливые мысли Гука так и остались в зачаточном состоянии. Ему не хватило сил справиться со своими гипотезами, и приоритет открытия принадлежит Ньютону.
Исаак Ньютон (1642—1726) родился в деревушке Вульсторп в Линкольншире. Отец его умер еще до рождения сына. Мать Ньютона, урожденная Айскоф, вскоре после смерти мужа преждевременно родила, и новорожденный Исаак был поразительно мал и хил. Думали, что младенец не выживет. Ньютон, однако, дожил до глубокой старости и всегда, за исключением кратковременных расстройств и одной серьезной болезни, отличался хорошим здоровьем.
По имущественному положению семья Ньютонов принадлежала к числу фермеров средней руки. Когда Исаак подрос, его устроили в начальную школу. По достижении двенадцатилетнего возраста мальчик начал посещать общественную школу в Грантэме. Его поместили на квартиру к аптекарю Кларку, где он прожил с перерывами около шести лет. Жизнь у аптекаря впервые возбудила в нем охоту к занятиям химией.
5 июня 1660 года, когда Ньютону еще не исполнилось восемнадцати лет, он был принят в Тринити-колледж. Кембриджский университет был в то время одним из лучших в Европе: здесь одинаково процветали науки филологические и математические. Ньютон обратил главное внимание на математику. Но одновременно в 1665 году он получил степень бакалавра изящных искусств (словесных наук).
Его первые научные опыты связаны с исследованиями света. Ученый доказал, что при помощи призмы белый цвет можно разложить на составляющие его цвета. Изучая преломление света в тонких пленках, Ньютон наблюдал дифракционную картину, получившую название «колец Ньютона».
В 1666 году в Кембридже проявилась какая-то эпидемия, которую по тогдашнему обычаю сочли чумой, и Ньютон удалился в свой Вульсторп. Здесь в деревенской тиши, не имея под рукой ни книг, ни приборов, живя почти отшельнической жизнью, двадцатичетырехлетний Ньютон предался глубоким философским размышлениям. Плодом их было гениальнейшее из его открытий — учение о всемирном тяготении.
Был летний день. Ньютон любил размышлять, сидя в саду, на открытом воздухе. Предание сообщает, что размышления Ньютона были прерваны падением налившегося яблока. Знаменитая яблоня долго хранилась в назидание потомству. А после того как засохла, была срублена и превращена в исторический памятник в виде скамьи.
Ньютон давно размышлял о законах падения тел, и весьма возможно, что, в частности, падение яблока опять навело его на эти мысли,
22
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
от которых он перешел к вопросу: везде ли на земном шаре падение тел происходит одинаково? Так, например, можно ли утверждать, что в высоких горах тела падают с такою же скоростью, как и в глубоких шахтах?
Но каким образом открыл Ньютон этот закон, для которого аналогия с падением яблока уже не могла иметь никакого значения? Сам Ньютон писал много лет спустя, что математическую формулу, выражающую закон всемирного тяготения, он вывел из изучения знаменитых законов Кеплера. Возможно, однако, что его работу в этом направлении значительно ускорили исследования, производившиеся им в области оптики Закон, которым определяется «сила света» или «степень освещения» данной поверхности, весьма схож с математической формулой тяготения. Простые геометрические соображения и прямой опыт показывают, что при удалении, например, листа бумаги от свечи на двойное расстояние степень освещения поверхности бумаги уменьшается, и притом не вдвое, а в четыре раза, при тройном расстоянии — в девять раз и так далее. Это и есть закон, который во времена Ньютона называли кратко законом «квадратной пропорции». Если, говорить точнее, «сила света обратно пропорциональна квадратам расстояний». Весьма естественно для такого ума, как Ньютон, было попытаться приложить этот закон к теории тяготения.
Раз придя к мысли, что притяжение Луны Землей определяет движение земного спутника, Ньютон неминуемо пришел к подобной же гипотезе относительно движения планет вокруг Солнца. Но ум его не довольствовался непроверенными гипотезами. Он стал вычислять, и понадобились десятки лет для того, чтобы его предположения превратились в грандиознейшую систему мироздания.
При этом Ньютон никогда не мог бы развить и доказать своей гениальной идеи, если бы не владел могущественным математическим методом, известным сегодня под именем дифференциального и интегрального исчислений.
Справедливость требует отметить и вклад Роберта Гука. Так, проницательный Гук исправил вывод Ньютона и написал последнему, что падающие тела должны уклоняться не совсем точно на восток, но на юго-восток. Тот согласился с доводами Гука, и опыты, произведенные последним, вполне подтвердили теорию.
Гук исправил и другую ошибку Ньютона. Исаак полагал, что падающее тело, вследствие соединения его движения с движением Земли, опишет винтообразную линию. Гук показал, что винтообразная линия получается лишь в том случае, если принять во внимание сопротивление воздуха и что в пустоте движение должно быть эллиптическим — речь идет об истинном движении, то есть таком, которое мы могли бы наблюдать, если бы сами не участвовали в движении земного шара.
Проверив выводы Гука, Ньютон убедился, что тело, брошенное с достаточной скоростью, находясь в то же время под влиянием силы
ОСНОВЫ МИРОЗДАНИЯ
23
земного тяготения, действительно может описать эллиптический путь. Размышляя над этим предметом, Ньютон открыл знаменитую теорему, по которой тело, находящееся под влиянием притягивающей силы, подобной силе земного тяготения, всегда описывает какое-либо коническое сечение, то есть одну из кривых, получаемых при пересечении конуса плоскостью (эллипс, гипербола, парабола и в частных случаях круг и прямая линия). Кроме того, Ньютон определил, что центр притяжения, то есть точка, в которой сосредоточено действие всех притягивающих сил, действующих на движущуюся точку, находится в фокусе описываемой кривой. Так, центр Солнца находится (приблизительно) в общем фокусе эллипсов, описываемых планетами.
Достигнув таких результатов. Ньютон сразу увидел, что он вывел теоретически, то есть исходя из начал рациональной механики, один из законов Кеплера, гласящий, что центры планет описывают эллипсы и что в фокусе их орбит находится центр Солнца. Но Ньютон не удовольствовался этим основным совпадением теории с наблюдением. Он хотел убедиться, возможно ли при помощи теории действительно вычислить элементы планетных орбит, то есть предсказать все подробности планетных движений? На первых порах ему не повезло.
Джон Кондуитт пишет об этом так: «В 1666 году он вновь оставил Кембридж... чтобы поехать к своей матери в Линкольншир, и в то время как он размышлял в саду, ему в голову пришло, что сила тяжести (которая заставляет яблоко падать на землю) не ограничена определенным расстоянием от Земли, а что сила должна распространяться гораздо дальше, чем обычно думают. Почему бы не до Луны? — сказал он себе, и если так, это должно влиять на ее движение и, возможно, удерживать ее на орбите, вследствие чего он решил вычислить, каков мог бы быть эффект такого предположения; но поскольку у него не было тогда книг, он использовал общеупотребительное суждение, распространенное среди географов и наших моряков до того, как Норвуд измерил Землю, и заключающееся в том, что в одном градусе широты на поверхности Земли содержится 60 английских миль. Расчет не совпал с его теорией и заставил его довольствоваться предположением, что наряду с силой тяжести должна быть еще примесь той силы, которой была бы подвержена Луна, если бы она переносилась в своем движении вихрем...»
Изучение законов эллиптического движения значительно подвинуло вперед исследования Ньютона. Но до тех пор, пока вычисления не согласовались с наблюдением, Ньютон должен был подозревать существование некоторого все еще от него ускользавшего источника ошибки или неполноты теории.
Лишь в 1682 году Ньютон смог использовать более точные данные при измерении меридиана, полученные французским ученым Пикаром. Зная длину меридиана, Ньютон вычислил диаметр земного шара и немедленно ввел новые данные в свои прежние вычисления К величайшей радости своей ученый убедился, что его давнишние взгляды
24
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
совершенно подтвердились. Сила, заставляющая тела падать на Землю, оказалась совершенно равной той, которая управляет движением Луны
Этот вывод был для Ньютона высочайшим торжеством его научного гения. Теперь вполне оправдались его слова: «Гений есть терпение мысли, сосредоточенной в известном направлении». Все его глубокие гипотезы, многолетние вычисления оказались верными. Теперь он вполне и окончательно убедился в возможности создать целую систему мироздания, основанную на одном простом и великом начале. Все сложнейшие движения Луны, планет и даже скитающихся по небу комет стали для него вполне ясными. Явилась возможность научного предсказания движений всех тел Солнечной системы, а быть может, и самого Солнца, и даже звезд и звездных систем.
В конце 1683 года Ньютон, наконец, сообщил Королевскому обществу основные начала своей системы в виде ряда теорем о движении планет.
Однако теория была слишком гениальна, чтобы не нашлись завистники и люди, старавшиеся приписать себе хотя бы часть славы этого открытия. Без сомнения, некоторые из тогдашних английских ученых довольно близко подошли к открытиям Ньютона, но понять трудность вопроса еще не значит решить его. Знаменитый архитектор и математик Кристофер Рен пытался объяснить движение планет «падением тел на Солнце, соединенным с первоначальным движением». Астроном Гал-лей предполагал, что законы Кеплера объяснимы при помощи действия силы, обратно пропорциональной квадратам расстояний, но не умел доказать этого.
Гук уверял членов Королевского общества, что все идеи, содержавшиеся в «Началах», уже сто раз предлагались им; те же, что не излагались им ранее, — ошибочны. Гюйгенс полностью и категорически отверг идею взаимного тяготения частиц, допуская наличие тяготения лишь внутри тел. Лейбниц продолжал настаивать на том, что движение планет может быть объяснено только посредством некоторой эфирной вихрящейся жидкости, сбивающей планеты с прямолинейного пути Бернулли и Кассини тоже упорно твердили о вихрях.
Однако потихоньку шум утих, а слава открытия всемирного тяготения досталась по праву Исааку Ньютону.
СПЕКТР СВЕТА
Декарт еще в 1629 году выяснил ход лучей в призме и в стеклах различной формы Он даже придумал механизмы для полировки стекол Шотландский профессор Грегори построил модель замечательного для своего времени телескопа, основанного на теории вогнутых зеркал. Таким образом, уже тогда практическая оптика достигла значительной степени совершенства и была одною из наук, наиболее занимавших тогдашний ученый мир.
К 1666 году, когда Ньютон начал оптические исследования, теория преломления весьма мало подвинулась со времен Декарта О цветах радуги и цветах тел существовали весьма сбивчивые теории и понятия- почти все тогдашние ученые ограничивались утверждением, что тот или иной цвет представляет либо «смешение света с тьмою», либо соединение других цветов. Само собою разумеется, что такой очевидный факт, как радужное окрашивание, наблюдаемое при рассматривании предметов сквозь призму или сквозь плохое оптическое стекло, был слишком известен всем, занимавшимся оптикой Но все были твердо убеждены в том, что всякого рода лучи при прохождении сквозь призму или сквозь увеличительное стекло преломляются совершенно одинаково Окрашивание и радужные каймы приписывали исключительно шероховатостям поверхности призмы или стекла
Поначалу Ньютон много работал над шлифовкою увеличительных стекол и зеркал Эти работы познакомили его опытным путем с основными законами отражения и преломления, с которыми он был уже теоретически знаком по трактатам Декарта и Джемса Грегори. Ньютон начинает серии экспериментов, о которых впоследствии сам великий ученый подробнейшим образом рассказал в своих трудах.
«В начале 1666 года, то есть тогда, когда я был занят шлифовкой оптических стекол несферической формы, я достал треугольную стеклянную призму и решил испытать с ее помощью прославленное явление Цветов. С этой целью я затемнил свою комнату и проделал в ставнях небольшое отверстие с тем, чтобы через него мог проходить тонкий луч солнечного света Я поместил призму у места входа света так, чтобы он мог преломляться к противоположной стене. Сначала вид ярких и живых красок, получавшихся при этом, приятно развлек меня Но через некоторое время, заставив себя присмотреться к ним более внимательно, я был удивлен их продолговатой формой, в соответствии с известными законами преломления я ожидал бы увидеть их круглыми По
26
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
основы мироздания
27
Г
бокам цвета ограничивались прямыми линиями, а на концах затухание света было настолько постепенным, что было трудно точно определить, какова же их форма; она казалась даже полукруглой.
Сравнивая длину этого цветного спектра с его шириной, я выявил, что она примерно в пять раз больше. Диспропорция была столь необычна, что возбудила во мне более чем обычное любопытство, стремление выяснить, что же может быть ее причиной. Вряд ли различная толщина стекла или граница света с темнотою могли вызывать подобный световой эффект. И я решил вначале все же изучить именно эти обстоятельства и попробовал, что произойдет, если пропускать свет через стекла различной толщины, или через отверстия различных размеров, или при установлении призмы вне помещения, так, чтобы свет мог преломляться перед тем, как он сужается отверстием. Но я выяснил, что ни одно из этих обстоятельств не является существенным. Картина цветов во всех случаях была той же самой.
Тогда я подумал: не могут ли быть причиной расширения цветов какие-либо несовершенства стекла или другие непредвиденные случайности? Чтобы проверить это, я взял другую призму, подобную первой, и разместил ее так, что свет, следуя через обе призмы, мог преломляться противоположными путями, причем вторая призма возвращала свет к тому направлению, от которого первая отклоняла его. И таким образом, думал я, обычные эффекты первой призмы будут разрушены другой, а необычные усилятся за счет многократности преломлений. Оказалось, однако, что луч, рассеиваемый первой призмой в продолговатую форму, второй призмой приводился в круглую настолько четко, как если бы он вообще ни через что не проходил. Таким образом, какова бы ни была причина удлинения, оно не является следствием случайных неправильностей.
Далее я перешел к более практическому рассмотрению того, что может произвести различие угла падения лучей, идущих от различных частей Солнца. И из опыта и расчетов стало мне очевидно, что различие углов падения лучей, идущих от различных частей Солнца, не может вызвать после их пересечения расхождения на угол заметно больший, чем тот, под которым они ранее сходились, величина же этого угла не больше 31—32 минут; поэтому нужно найти иную причину, которая могла бы объяснить появление угла в два градуса сорок девять минут.
Тогда я стал подозревать, не идут ли лучи после прохождения их через призму криволинейно, и не стремятся ли они в соответствии с их большей или меньшей криволинейностью к различным частям стены. Мое подозрение усилилось, когда я припомнил, что часто видел теннисный мяч, который при косом ударе ракеткой описывает подобную кривую линию. Ибо мячу сообщается при этом как круговое, так и поступательное движения. Та сторона мяча, где оба движения согласуются, должна с большей силой давить и толкать прилежащий воздух, чем другая сторона, и, следовательно, будет возбуждать пропорциональ-
но большее сопротивление и реакцию воздуха. И по этой самой причине, если бы лучи света были шарообразными телами (гипотеза Декарта) и при их наклонном продвижении из одной среды в другую они приобрели бы круговое движение, они должны были бы испытывать большее сопротивление от омывающего их со всех сторон эфира с той стороны, где движения согласуются, и постепенно отгибались бы в другую сторону. Однако, несмотря на всю правдоподобность этого предположения, я при проверке его не наблюдал никакой кривизны лучей. И кроме того (что было достаточно для моей цели), я наблюдал, что различие между длиной изображения и диаметром отверстия, через которое проходил свет, было пропорционально расстоянию между ними.
Постепенно устраняя эти подозрения, я пришел наконец к experimentum crucis, который был таков: я взял две доски и поместил одну из них непосредственно за призмой окна, так что свет мог следовать через небольшое отверстие, проделанное в ней для этой цели, и падать на другую доску, которую я разместил на расстоянии примерно 12 футов, причем в ней также было проделано отверстие с тем, чтобы часть света могла пройти через нее. Затем я разместил за этой второй доской другую призму таким образом, что свет, пройдя через обе эти доски, мог следовать сквозь призму, снова преломляясь в ней, прежде чем он упадет на стену. Сделав так, я взял первую призму в руку и медленно повертывал ее туда и сюда, примерно вокруг оси, так что разные части изображения, падавшего на вторую доску, могли последовательно проходить через отверстие в ней, и я мог наблюдать, на какое место стены отбрасывает лучи вторая призма. И я увидел посредством изменения этих мест, что свет, стремящийся к тому концу изображения, к которому происходило наибольшее преломление первой призмой, испытывал во второй призме значительно большее преломление, чем свет, направленный к другому концу. И таким образом была открыта истинная причина длины этого изображения, которая не может быть иной, чем то, что свет состоит из лучей различной преломляемости, которые независимо от различия их возникновения падают на различные части стены в соответствии с их степенями преломления...»
Разные неосновательные «подозрения» — так называл Ньютон свои гипотезы — навели его, наконец, на мысль сделать следующий опыт. Подобно тому, как в начале своего анализа он уединил тонкий пучок белых солнечных лучей, так теперь ему пришла на ум мысль уединить часть преломленных лучей. Это был второй и важнейший шаг в деле анализа спектра. Заметив, что в его опыте фиолетовая часть спектра всегда была наверху, ниже синяя и так далее до нижней красной, Ньютон попытался уединить лучи одного какого-нибудь цвета и исследовать их отдельно. Взяв дощечку с весьма малым отверстием, Ньютон приложил ее к той поверхности призмы, которая обращена к экрану, и, прижимая к призме, передвигал то вверх, то вниз, причем без труда достиг уединения одноцветных, например одних красных, лучей, прошедших сквозь
28
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
малое отверстие в дощечке. Новый, еще более тонкий пучок чисто красных лучей подлежал дальнейшему исследованию. Пропустив красные лучи сквозь вторую призму. Ньютон увидел, что они снова преломляются, но на этот раз все почти одинаково. Ньютон думал даже, что совсем одинаково, то есть считал одноцветные лучи вполне однородными. Повторив опыт над желтыми, фиолетовыми и всеми остальными лучами, он, наконец, понял главную особенность, отличающую те или иные лучи от лучей другого цвета. Пропуская сквозь одну и ту же призму то одни красные лучи, то одни фиолетовые и так далее, он окончательно убедился, что белый свет состоит из лучей разной преломляемости и что степень преломляемости находится в тесной связи с качеством лучей, именно с их цветом. Оказалось, что красные лучи наименее преломляемы и так далее до наиболее преломляемых — фиолетовых.
Ньютон так сформулировал выводы крупнейшего открытия:
«7. Точно так же, как лучи света различаются по степени их преломления, точно так же они различаются и по их склонности проявлять тот или иной частный цвет. Цвета не являются качествами света, происходящими из-за преломлений или отражений в естественных телах (как обычно считают), но суть естественные и прирожденные качества, различные в различных лучах...
2. Одной и той же степени преломляемости всегда соответствует один и тот же цвет, а одному и тому же цвету всегда соответствует одна и та же степень преломляемости. А связь между цветами и преломляемостью очень точна и четка: лучи либо точно согласуются в обоих отношениях, либо пропорционально в них же не согласуются.
3. Образцы цвета и степень отклонения, свойственные каждому отдельному сорту лучей, не изменяются ни преломлением, ни отражением от естественных тел, ни любой ивой причиной, которую я смог наблюдать».
«Теории Ньютона делали возможным развитие физики как точной науки, — пишет в своей книге Владимир Карцев. — Она стала все больше приближаться к математике и все больше отдаляться от философии. Письмо с описанием экспериментов и выводов, посланное Ньютоном издателю «Философских трудов», должно было перед опубликованием пройти апробацию в Королевском обществе, быть там заслушано и обсуждено. Это и произошло 8 февраля 1672 года...
...Это была первая научная статья Ньютона. Тот необычный резонанс, который получила столь небольшая по объему работа, ее громадное влияние на судьбу Ньютона и судьбу науки в целом вынуждают наших современников более внимательно отнестись к тому новому, что привнесла она в мир научного исследования.
Эта статья знаменует наступление новой науки — науки нового времени, науки, свободной от беспочвенных гипотез, опирающейся лишь
основы мироздания
29
на твердо установленные экспериментальные факты и на тесно связанные с ними логические рассуждения. ...Сейчас, в конце XX века, трудно оценить сенсационность и необычность этой маленькой статьи Ньютона. Но самые глубокие умы семнадцатого столетия быстро разглядели в небольшом письме «сумасшедшие идеи», приводящие в конце концов к взрыву устоявшихся и привычных представлений, которые, в свою очередь, лишь недавно одержали верх над аристотелевской метафизикой».
Открытие различной преломляемости лучей послужило исходным пунктом целого ряда научных открытий. Дальнейшее развитие идеи Ньютона привело в новейшее время к открытию так называемого спектрального анализа.
основы мироздания
31
15,999
ОТКРЫТИЕ КИСЛОРОДА
8 Удивительно, но кислород был от-
крыт несколько раз. Первые сведения о нем встречаются уже в VIII веке в трактате китайского алхимика Мао Хоа. Китайцы представляли себе, что этот газ («йын») — составная часть воздуха, и называли его «деятельным началом»! Жителям самой большой азиатской страны было известно и то, что кислород соединяется с древесным углем, горящей серой, некоторыми металлами. Китайцы могли и получать кислород, используя соединения типа селитры.
Все эти древние сведения постепенно забылись. Лишь в XV веке о кислороде мимоходом упоминает великий Леонардо да Винчи.
Вновь его открывает в XVII веке голландец Дреббель. О нем известно очень мало. Вероятно, то был великий изобретатель и крупный ученый. Он сумел создать подводную лодку. Однако объем лодки ограничен, поэтому брать с собой воздух, состоящий в основном из азота, было невыгодно. Логичнее использовать кислород. И Дреббель получает его из селитры! Это произошло в 1620 году, более чем за сто пятьдесят лет до «официального» открытия кислорода Пристли и Шееле.
Джозеф Пристли (1733—1804) родился в Филдхеде (Йоркшир) в семье бедного суконщика. Пристли изучал теологию и даже читал проповеди в независимой от англиканской церкви протестантской общине. Это позволило ему в дальнейшем получить высшее теологическое образование в Академии в Девентри. Там Пристли кроме теологии занимался философией, естествознанием, изучил девять языков.
Поэтому, когда в 1761 году Пристли был обвинен в свободомыслии и ему запретили читать проповеди, он стал преподавателем языков в Уоррингтонском университете. Там Пристли впервые прослушал курс химии. Эта наука произвела на Пристли такое большое впечатление, что он, в тридцатилетнем возрасте будучи человеком с определенным положением, решил приступить к изучению естествознания и проведению химических экспериментов. По предложению Бенджамена Франклина, Пристли в 1767 году написал монографию «История учения об электричестве». За этот труд он был избран почетным доктором Эдинбургского университета, а позже членом Лондонского Королевского общества (1767) и иностранным почетным членом Петербургской Академии наук (1780).
С 1774 по 1799 год Пристли открыл или впервые получил в чистом виде семь газообразных соединений: закись азота, хлористый водород,
аммиак, фтористый кремний, диоксид серы, оксид углерода и кислород.
Пристли удалось выделить и исследовать эти газы в чистом состоянии, поскольку он существенно улучшил прежнее лабораторное оборудование для собирания газов. Вместо воды в пневматической ванне, предложенной ранее английским ученым Стивеном Гейлсом (1727), Пристли стал использовать ртуть. Пристли независимо от Шееле открыл кислород, наблюдая выделение газа при нагревании без доступа воздуха твердого вещества, находящегося под стеклянным колпаком, с помощью сильной двояковыпуклой линзы.
В 1774 году Пристли провел опыты с оксидом ртути и суриком. Маленькую пробирку с небольшим количеством красного порошка он опустил открытым концом в ртуть и нагревал вещество сверху при помощи двояковыпуклой линзы.
Свои опыты по получению кислорода при нагревании оксида ртути Пристли впоследствии изложил в шеститомном труде «Опыты и наблюдения над различными видами воздуха». В этой работе Пристли писал: «Достав линзу с диаметром 2 дюйма, с фокусным расстоянием 20 дюймов, я начал исследовать с ее помощью, какой род воздуха выделяется из разнообразнейших веществ, естественных и искусственно приготовленных.
После того как с помощью этого прибора я проделал ряд опытов, я попытался 1 августа 1774 года выделить воздух из кальцинированной ртути и увидел тотчас, что воздух может очень быстро выделиться из нее. Меня несказанно удивило то, что свеча в этом воздухе горит необычайно ярко, и я совершенно не знал, как объяснить это явление. Тлеющая лучинка, внесенная в этот воздух, испускала яркие искры. Я обнаружил такое же выделение воздуха при нагревании свинцовой извести и сурика.
Тщетно пытался я найти объяснение этому явлению... Но ничто, что я делал до сих пор, меня так не удивило и не дало такого удовлетворения».
«Почему это открытие вызвало у Дж. Пристли такое удивление? — спрашивает Ю.И. Соловьев. — Убежденный сторонник учения о флогистоне, он рассматривал оксид ртути как простое вещество, образованное при нагревании ртути в воздухе и, следовательно, лишенное флогистона. Поэтому выделение «дефлогистированного воздуха» из оксида ртути при нагревании казалось ему просто невозможным. Вот почему он был «так далек от понимания того, что в действительности получил»... В 1775 году он описал те свойства, которые отличают «новый воздух» от «другого газа» — оксида азота».
Открыв новый газ в августе 1774 года, Дж. Пристли, вместе с тем, Не имел ясного представления о его истинной природе: «Я откровенно Признаюсь, что в начале опытов, о которых говорится в этой части, я был так далек от того, чтобы образовать какую-нибудь гипотезу, кото-
32
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
рая привела бы к открытиям, которые я сделал, что они показались бы мне невероятными, если бы мне о них сказали».
Исследования Пристли по химии газов, и особенно открытие им кислорода, подготовили поражение теории флогистона и наметили новые пути развития химии.
Через два месяца после получения кислорода Пристли, приехав в Париж, сообщил о своем открытии Лавуазье. Последний тотчас понял громадное значение открытия Пристли и использовал его при создании наиболее общей кислородной теории горения и опровержении теории флогистона.
Одновременно с Пристли работал Шееле. Он писал о своих приоритетах: «Исследования воздуха являются в настоящее время важнейшим предметом химии. Этот упругий флюид обладает многими особыми свойствами, изучение которых способствует новым открытиям. Удивительный огонь, этот продукт химии, показывает нам, что без воздуха он не может производиться...»
Карл Вильгельм Шееле (1742—1786) родился в семье пивовара и торговца зерном в шведском городе Штральзунде. Карл учился в Штральзунде в частной школе, "но уже в 1757 году переехал в Гетеборг.
Родители Шееле не имели средств, чтобы дать высшее образование Карлу, который был уже седьмым сыном в этой большой семье. Поэтому он вынужден был стать сначала учеником аптекаря, затем уже проложить себе путь в науку многолетним самообразованием. Работая в аптеке, он достиг большого искусства в химическом эксперименте.
В одной из аптек Гетеборга Шееле освоил основы фармации и лабораторной практики. Кроме того, он усердно изучал труды химиков И. Кункеля, Н. Лемери, Г. Шталя, К. Неймана.
Проработав восемь лет в Гетеборге, Шееле переехал в Мальме, где очень скоро проявил замечательные экспериментальные способности. Там он смог по вечерам заниматься собственными исследованиями в лаборатории аптекаря, где днем готовил лекарства.
В конце апреля 1768 году Шееле переехал в Стокгольм, надеясь в столице установить близкие контакты с учеными и получить новый стимул для проведения работ. Однако в стокгольмской аптеке «Корпен» Шееле не пришлось проводить химические опыты; он занимался только приготовлением лекарств. И лишь иногда, устроившись где-нибудь на тесном подоконнике, ему удавалось проводить собственные опыты Но даже в таких условиях Шееле сделал ряд открытий. Так, например, изучая действие солнечного света на хлорид серебра, Шееле нашел, что потемнение последнего начинается в фиолетовой части спектра и выражено там наиболее сильно.
Два года спустя Шееле переехал в Упсалу, где в университете работали такие знаменитые ученые, как ботаник Карл Линней и химик Торберн Бергман. Шееле и Бергман вскоре стали друзьями, что немало способствовало успехам в научной деятельности обоих химиков.
основы мироздания
33
Шееле был одним из тех ученых, которым сопутствовала удача в их работе. Его экспериментальные исследования существенно способствовали превращению химии в науку. Он открыл кислород, хлор, марганец, барий, молибден, вольфрам, органические кислоты (винную, лимонную, щавелевую, молочную), серный ангидрид, сероводород, кислоты — плавиковую и кремнефторводо-родную, многие другие соединения. Он впервые получил газообразные аммиак и хлористый водород. Шееле также показал, что железо, медь и ртуть имеют различные степени окисления. Он выделил из жиров вещество, впоследствии названное глицерином (пропантриолом). Шееле принадлежит заслуга получения цианистоводородной (синильной) кислоты из берлинской лазури.
Наиболее значительный труд Шееле «Химический трактат о воздухе и огне» содержит его экспериментальные работы, выполненные в 1768— 1773 годах.
Из этой трактата видно, что Шееле несколько раньше Пристли получил и описал свойства «огненного воздуха» (кислорода). Ученый получал кислород различными путями: нагреванием селитры, нитрата магния, перегонкой смеси селитры с серной кислотой.
«Огненный воздух», — писал Шееле, — есть тот самый, посредством которого поддерживается циркуляция крови и соков у животных и растений... Я склонен думать, что «огненный воздух» состоит из кислой тонкой материи, соединенной с флогистоном, и, вероятно, что все кислоты получили свое начало от «огненного воздуха».
Шееле объяснял полученные им результаты предположением, что теплота — соединение «огненного воздуха» (кислорода) и флогистона. Следовательно, он так же, как и М.В. Ломоносов, и Г. Кавендиш, отождествлял флогистон с водородом и думал, что при сжигании водорода в воздухе (при соединении водорода и «огненного воздуха») образуется теплота.
В 1775 году Бергман опубликовал статью об открытии Шееле «огненного воздуха» и о его теории. «Мы уже раньше отмечали, — писал Бергман, — большую силу, с которой «чистый (огненный) воздух» удаляет флогистон из железа и меди. Азотная кислота имеет также большое сродство к этому элементу... Эти явления приписываются переселению флогистона из кислоты в воздух и легко объясняются тем, что так хорошо было доказано опытами г-на Шееле, что теплота — не что иное, как флогистон, тесно соединенный с чистым воздухом, в комбинации которых порождается полученное тело [и происходит] уменьшение прежде занимаемого объема».
Хотя обычно и говорят, что Шееле опоздал с публикацией своей статьи относительно Пристли примерно на два года, однако Бергман сообщил об открытии Шееле кислорода, по крайней мере, на три месяца раньше открытия Пристли.
Вот выдержка из предисловия Бергмана к книге Шееле:
34
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
«Химия учит, что упругая среда, которая окружает Землю, во все времена и во всех местах имеет единый состав, включающий три различных вещества, а именно хороший воздух (кислород — Прим авт.), испорченный «мефитический воздух» (азот — Прим. авт.) и эфирную кислоту (углекислый газ — Прим. авт.). Первый Пристли назвал, не то что не правильно, но с натяжкой, «дефлогистированным воздухом», Шееле — «огненным воздухом», поскольку он один поддерживает огонь, в то время как два других гасят его... Я повторил, с различными изменениями, основные опыты, на которых он (Шееле) основывал свои заключения, и нашел их совершенно правильными. Тепло, огонь и свет имеют в основном одни и те же составные элементы: хороший воздух и флогистон... Из видов известных теперь веществ хороший воздух является наиболее эффективным для удаления флогистона, который, как видно, представляет собой настоящее элементарное вещество, входящее в состав многих материй. Поэтому я и поместил хороший воздух наверху, над флогистоном, в моей новой таблице сродства... В заключение я должен сказать, что этот замечательный труд бьш закончен два года тому назад, несмотря на то, что по различным причинам, о которых излишне упоминать здесь, опубликован только теперь. Следовательно, случилось так, что Пристли, не зная труда Шееле, ранее описал различные новые свойства, относящиеся к воздуху. Однако мы видим, что они отличного рода и представлены в иной связи».
Жак-Луи Давид.
Портрет Антуана Лавуазье
и его жены. 1788
ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ
Во второй половине XVIII века химия была на подъеме — открытия сыпались за открытиями. В это время выдвигается ряд блестящих экспериментаторов — Пристли, Блэк, Шееле, Кавендиш и другие. В работах Блэка, Кавендиша и в особенности Пристли ученым открывается новый мир — область газов, дотоле совершенно неведомая. Приемы исследования постоянно совершенствуются. Блэк, Кронш-тедт, Бергман и другие разрабатывают качественный анализ. В результате этого удалось открыть массы новых элементов и соединений.
На рубеже XVII и XVIII веков немецкий химик Георг Эрнст Сталь (1659—1734) предложил так называемую теорию флогистона — по существу, первую химическую теорию. Хотя она и оказалась ошибочной, но позволила систематизировать процессы горения и обжига (кальцинации) металлов,
объяснив эти процессы с единой точки зрения. Сталь считал, что различные вещества и металлы содержат в своем составе особое «начало горючести» — флогистон. При прокаливании металлы теряли флогистон, превращаясь в оксиды, т. е. процессы окисления заключались в потере окислявшимися веществами флогистона. Напротив, в ходе процессов восстановления оксиды приобретали флогистон, вновь становясь металлами. Критика учения о флогистоне во многом способствовала развитию химического мышления.
Однако основные явления химии — процессы горения и окисления вообще, состав воздуха, роль кислорода, строение главных групп химических соединений (окислов, кислот, солей и прочего) — не были еще объяснены. Напротив, факты накапливались, а идеи запутывались. Довольно благовидное в изложении Сталя учение о флогистоне превращается у его последователей в какую-то фантасмагорию: это уже не одна теория, это — десятки теорий, запутанных, противоречивых, изменяющихся у каждого автора.
В середине XVIII века на авансцену вышла так называемая пневматическая химия, изучавшая газы с химической точки зрения. Одним из выдающихся ее достижений стало открытие кислорода. Понимание его природы как самостоятельного газообразного химического элемента позволило французу Антуану Лавуазье развенчать концепцию флогистона и сформулировать кислородную теорию горения. Вместе с
36
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
крупными достижениями химического анализа это событие положило начало первой химической революции.
Антуан Лоран Лавуазье (1743—1794) родился в семье адвоката 28 августа 1743 года. Первоначальное образование он получил в коллеже Мазарини. Антуан учился отлично. По выходе из коллежа он поступил на факультет права. В 1763-м Антуан получил степень бакалавра, в следующем году — лиценциата прав.
Но юридические науки не могли удовлетворить его безграничной и ненасытной любознательности. Не оставляя своих занятий правом, он изучал математику и астрономию у Лакайля, очень известного в то время астронома, имевшего небольшую обсерваторию в коллеже Мазарини; ботанику — у великого Бернара Жюсье, с которым вместе составлял гербарии; минералогию — у Гэтара, составившего первую минералогическую карту Франции; химию — у Руэля.
Первые работы Лавуазье были сделаны под влиянием его учителя и друга Гэтара. Гэтар предпринял ряд экскурсий; Лавуазье был его сотрудником в течение трех лет, начиная с 1763 года. Плодом этой экскурсии явилась его первая работа — «Исследование различных родов гипса».
После пяти лет сотрудничества с Гэтаром, в 1768 году, когда Лавуазье исполнилось 25 лет, он был избран членом Академии наук.
В жизни Лавуазье придерживался строгого порядка. Он положил себе за правило заниматься наукой шесть часов в день: от шести до девяти утра и от семи до десяти вечера. Остальная часть дня распределялась между занятиями по откупу, академическими делами, работой в различных комиссиях и так далее.
Один день в неделю посвящался исключительно науке. С утра Лавуазье запирался в лаборатории со своими сотрудниками; тут они повторяли опыты, обсуждали химические вопросы, спорили о новой системе. Здесь можно было видеть славнейших ученых того времени — Лапласа, Монжа, Лагранжа, Гитона Морво, Маккера.

стр. 1
(из 16 стр.)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Следующая >>