От элементов Аристотеля и атомов Демокрита до Периодического закона

ОТ ЭЛЕМЕНТОВ АРИСТОТЕЛЯ И АТОМОВ ДЕМОКРИТА

ДО ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЗАКОНА МЕНДЕЛЕЕВА

Жизнь замечательных идей

Оглавление

Имя России

Античность

Алхимики

Новое время

Атомистика в действии

Периодический закон

Кое-что о Менделееве

ИМЯ РОССИИ

В 2008 году телевизионный канал "Россия" запустил проект "Имя России". В числе приглашённых был и бессменный ведущий программы "Очевидное — невероятно" Сергей Петрович Капица. Кто-то продвигал Петра I, кто-то — Екатерину II, и дальше по списку: Суворов, Александр Невский, Александр II, Ленин (его, конечно же, Зюганов, положение обязывает), Сталин, Столыпин (его, кажется, Никита Михалков). А Сергею Петровичу предложили Ломоносова, но он выбрал Менделеева — и довёл его в рейтинге телезрителей до третьего места.

Дмитрий Иванович был разносторонним человеком. Он занимался наукой, промышленностью, сельским хозяйством, экономикой, подготовил Россию к переходу на метрическую систему мер и весов, изобрёл бездымный порох, искал мировой эфир, думал о будущем России и летал на воздушном шаре во время солнечного затмения 1887 года, а на досуге клеил чемоданы и очень гордился, когда однажды услышал о себе: "Да это же известный чемоданных дел мастер господин Менделеев!"

Он второй в ряду великих русских натурфилософов. В науке он брался за глобальные проблемы и при всём разнообразии научных пристрастий и направлений, в которых он работал, он всю жизнь по существу занимался одним и тем же: познанием природы вещей. На чём всё держится и из чего всё состоит? Подобными вопросами задавались ещё греки.

АНТИЧНОСТЬ

При словах "Периодический закон" в памяти всплывают слова "атом" и "элемент", две стороны одного и того же: то, что для физиков атом, для химиков — элемент. Однако эти два понятия долгое время существовали и развивались независимо, а сошлись в одном понятии только в XVII веке.

Слово "элемент" — римского происхождения, довольно позднего, I век до н. э.; греки говорили "стохейа". Означало оно "стихия", что звучит почти так же, или "начало". Слово "атом" — греческого происхождения, оно появилось в V веке до н. э., в учении первых атомистов.

С лёгкой руки популяризаторов науки и авторов учебников считается, что атомистика родилась из наблюдений за песчинками, которые уносит ветер, или за пылинками, мельтешащими в луче света. На самом деле она появилась как решение проблем, с которыми столкнулась греческая философия на заре своего развития.

Греки довольно рано пришли к двум фундаментальным идеям; одну они унаследовали от своих предшественников — это представление о том, что за возникающими и исчезающими вещами стоит вечная первоматерия, которая предстаёт перед нами в различных обличьях, а вторая укрепила их скептическое отношение к чувственному познанию — таковое было признано недостоверным, и путь к истине, считали греки, лежит только через рациональное мышление; вот почему они не ставили эксперименты, ограничиваясь размышлениями и умозрением, а вовсе не из презрения к физическому труду, хотя они его, видимо, презирали.

Радикальную позицию в этом вопросе занимал Парменид. Мы видим, что мир множественен, что всё меняется, говорил он, а на самом деле мир един и неподвижен, а то, что мы видим, не более чем иллюзия. Тому же он учил и своих учеников.

Читаем у Пушкина:

Движенья нет, сказал мудрец брадатый.

Другой смолчал и стал пред ним ходить —

Сильнее он не мог бы возразить.

Хвалили все ответ замысловатый...

Этот случай описан в исторической литературе, Пушкин взял его оттуда, но он ничего не говорит о том, что произошло после. А после брадатый мудрец отходил ученика палкой, ибо недостойно философа аргументировать, обращаясь к свидетельству чувств.

По одной из версий, одним из учеников Парменида был некто Левкипп. Может быть, как раз тем самым, что "стал пред ним ходить". А по другой версии Левкипп был учеником Зенона, но и в том, и в другом случае учение Парменида ему не нравилось. Как, впрочем, и многим.

Спасая Парменида от критики, его ученик Зенон придумал несколько парадоксов (что-то около сорока, из них до нас дошло девять), в которых доказывал, что представление о бесконечной делимости пространства и времени внутренне противоречиво. В историю его парадоксы вошли как апории Зенона. Самая известная из них приводит к парадоксальному выводу, что Ахилл никогда не догонит черепаху.

Левкипп решил эту проблему: он поступил с доводами Зенона так же, как Гордий поступил с гордиевым узлом — разрубил их одним ударом: раз деление до бесконечности приводит к противоречию, то значит, должен быть предел деления — иными словами, он объявил, что пространство и время дискретны, а потом распространил принцип дискретности и на вещество.

Так родилось учение об атомах. Оно ассоциируется у нас в основном с именем не Левкиппа, а его ученика Демокрита. Этим мы обязаны позднейшему атомисту Эпикуру — последователю, оказавшемуся неблагодарным к своим предшественникам: над Демокритом он насмехался, называя его Пустокритом (по-гречески это звучало несколько иначе), а Левкиппа и вовсе объявил несуществующим философом, так что на какое-то время Левкиппа даже вычеркнули из истории философии.

Демокрит говорил: всё есть атомы и пустота, а прочее — мнение; атомы обладают формой и величиной (Эпикур добавил: и весом), они не имеют ни вкуса, ни цвета, ни запаха — всё это рожается в наших ощущениях (совершенно в духе философов XVII века Локка и Гоббса, с их учением о первичных и вторичных качествах).

По сути дела, атом был всё тем же бытием Парменида: вечным, неизменным и неделимым, но теперь это бытие было множественно, и при этом возникала пустота, чего не могло быть у Парменида, который говорил, что бытие есть, а небытия нет.

Учение об атомах воспринял и использовал в своей философии также Платон, а Лукреций написал поэму "О природе вещей", первое научно-популярное сочинение, по которому философы и учёные Нового времени знакомились с атомистикой древних.

Однако атомистика, столь близкая нам по духу, не стала брэндом античной философии, а с окончанием античности и вовсе была забыта; в умах возобладало представление о том, что мир многообразен, но един, и в основе всего сущего лежит некая праматерия, или первоматерия (она же первоначало, первоэлемент, архэ).

Фалес Милетский — его называют первым греческим философом (и его же неизменно включают число семи мудрецов древности) — сравнивал первоматерию с водой. Как вода может превратиться в лёд, а может испариться и смешаться с воздухом, так и праматерия может являться нам и в самых разнообразных формах и видах.

Его ученик Анаксимандр не сравнивал первоматерию ни с чем, потому что считал, что она ни на что не похожа из того, что мы знаем по опыту, но она принимает всевозможные обличья, и из неё состоит всё, что мы видим вокруг. Но дал ей название — апейрон.

Анаксимен, ученик Анаксимандра, философский внук Фалеса, первоэлементом назвал воздух: при расширении он превращается в огонь, а при сжатии — во всё остальное.

Гераклит Эфесский, учение которого разобрали на пословицы: всё течёт, всё изменяется, и в одну реку нельзя войти дважды — в основу всего сущего, однако, положил не воду, а огонь, — самое подвижное и изменчивое из того, что мы знаем.

Ксенофан, живший раньше него, философ и поэт, говорил, что начало всему сущему — земля и вода, и он был, похоже, первый плюралист в вопросе о природе вещей.

Эмпедокл свёл всё перечисленное в единую картину: земля, вода, воздух и огонь (при желании в этих началах можно увидеть четыре состояния вещества, наблюдаемые в земных условиях: твёрдые тела, жидкости, газы и плазма).

Аристотель добавил к земным началам небесный эфир, который не участвует в земных превращениях, управляет движением небесных светил и подчиняется своим законам, отличным от земных.

После Аристотеля, который сказал, кажется, всё о природе вещей, философы потеряли интерес к натурфилософии и сосредоточились на этике, а натурфилософия постепенно ветшала и приходила в упадок. В V веке византийский император Юстиниан разогнал последнюю философскую школу, и на этом закончилась и античная философия, и сама античность.

АЛХИМИКИ

Идею непрерывного превращения веществ подхватили алхимики Средневековья. Они не были философами, скорее это были люди с магическим складом ума и склонностью к мистицизму, однако с деловой жилкой — они искали способ получения золота из неблагородных металлов, и желательно в особо крупных размерах.

На эти поиски ушло несколько столетий, и хотя они не увенчались успехом, усилия алхимиков не пропали даром. В теоретическую схему Аристотеля они внесли ртуть, серу и соль, из осторожности назвав их не элементами, а принципами; это были не конкретные вещества, а "философские" ртуть, сера и соль, символизировавшие летучесть, горючесть и огепостоянство. Поскольку и с принципами ничего не получалось, алхимики пришли к выводу, что для окончательного превращения необходима ещё одна сущность, которую они назвали философским камнем. Замечательная особенность этой сущности заключалась в том, что она лишь способствовала окончательному превращению в золото, но сама в эту трансмутацию не вступаа — по сути, алхимики пришли к идее химического катализатора.

В ходе поисков философского камня алхимики много чего открыли, но вместо того, чтобы обмениваться добытыми знаниями, они прятали их друг от друга. Главная же заслуга алхимиков в том, что своими бесплодными поисками рано или поздно должны были они убедили в конце концов, что сама исходная идея неверна.

Врач Гогенгейм, живший в первой половине XVI века и более известный как Парацельс, призвал коллег-алхимиков оставить поиски философского камня и направить свои усилия на изготовление лекарств. Это направление получило название иатрохимии и просуществовало вплоть до Роберта Бойля; методы её оставались прежними, и даже исходная идея долгое время сомнению не подвергалась — достаточно сказать, что алхимией занимался Ньютон; однажды он даже записал в журнале журнале: "Вонь страшная. По-видимому, я близок к цели".

НОВОЕ ВРЕМЯ

XVII век начался с опровержений Аристотеля. Первые робкие попытки были предприняты веком раньше: Коперник поменял Землю и Солнце местами, оговорив при этом, правда, что это всего лишь математическая схема удобная для расчётов движения светил, и она не противоречит Священному Писанию, а Николай Кузанский прямо уже прямо говорил, что законы природы одинаковы для земли и неба, и Земля — это благородная звезда, обладающая особым светом, теплом и влиянием (под которым он, по-видимому, понимал земное притяжение).

Итак, XVII век: Галилей открывает истинный закон падения тел, Торричелли открывает пустоту, которую отрицал Аристотель, Пьер Гассенди возрождает учение об атомах, а Роберт Бойль, один из реформаторов естествознания, сближает понятия "атом" и "элемент". Рождение академий, переход к коллективному познанию, отрицание авторитетов (девиз Горация "Ничего со с лов") и торжество эксперимента над спекулятивными рассуждениями.

Впрочем, не всё было так однозначно. Как пишет Марио Льоцци в своей "Истории физики", научное сообщество в XVII веки делилось на перипатетиков, картезианцев и экспериментаторов; Декарт, например, стоявший ещё одной ногой в Аристотеле, экспериментам предпочитал мысленные опыты (и то же самое можно сказать о Галилее); оттолкнувшись от соображения, показавшегося ему очевидным, Декарт дедуктивно пришёл к выводу, что свеча в замкнутом объёме будет гореть сколь угодно долго — а экспериментатор Отто фон Герике без труда опроверг это на опыте.

Экспериментатором был и Роберт Бойль. Он был аристократ по рождению, седьмой сын и четырнадцатый ребёнок в семье государственного секретаря Ирландии, поэтому отцовский титул унаследовал не он, а один из его старших братьев, а потом его племянник. Вот почему, говоря, что Бойль — отец химии, иногда многозначительно добавляют: "И дядя графа Коркского". Но и без титула Бойль был достаточно обеспеченным человеком, что позволяло ему заниматься наукой на собственные деньги, иметь хорошую лабораторию и множество ассистентов (одним из которых был начинающий естествоиспытатель Роберт Гук).

О Бойле говорят: он сделал для химии то, что Бэкон сделал для естествознания в целом. Он указал новые цели, а новые цели породили новые задачи. Надо было научиться избавляться от примесей и работать с чистыми веществами, отличать соединения от смесей, приучить себя пользоваться весами и термометром, а после того как (уже в начале XVIII века) была изобретена пневматическая ванна, у химиков наконец появилась возможность учитывать возникающие в ходе реакций "вещества-невидимки", которым ван Гельмонт дал название "газ", произведя это слово от греческого "хаос".

Бойль разработал методы химического анализа; до него главными и, кажется, единственными анализаторами были огонь и гипотетический универсальный растворитель, о котором толком никто не знал, что это такое. Бойль обратил внимание на то, что важно не только разлагать вещества, но изучать и обратный процесс синтеза.

Что касается элементов, которые он призвал изучать, то, в отличие от Иоахима Юнгиуса, своего предшественника, который признал золото, серебро, ртуть и серу настоящими элементами, Бойль от подобных признаний воздержался. Он даже позволил себе усомниться в том, что элементы в природе вообще существуют, это должен подтвердить опыт — в общем, как говорил Жюль Ренар, учёный — это человек, который в чём-то почти уверен...

В числе заслуг Бойля перед наукой были и чисто моральные. Он показал, в том числе, собственным примером, что химия достойна занятий ею не только ради получения золота и изготовления лекарств, но и ради неё самой. Намеченной им программы исследований химикам хватило лет на полтораста — считается, что её завершил Антуан Лавуазье.

АТОМИСТИКА В ДЕЙСТВИИ

Хотя античная атомистика, возрождённая в XVII веке, была принята без возражений и даже пользовалась популярностью, она долгое время оставалась философским украшением, красивой безделушкой, пока её, уже в XIX веке, не привёл в действие Джон Дальтон. К Дальтону мы перейдём чуть позже, а пока посмотрим, что учёные и философы Нового времени думали об атомах.

Представления об атомах, о том, как они выглядят, были различны и носили умозрительный характер — это были гипотезы, которые нельзя было ни подтвердить, ни опровергнуть опытным путём; впрочем, и в этих умозрениях был свой резон. До закона всемирного тяготения считалось, что силы сцепления атомов подобны силам, возникающим при смачивании и слипании, а так как эти силы носят контактный характер и зависят от площади соприкосновения, то особый интерес вызывали формы атомов; Бойль, например, допускал, что атомы одной и той же формы могут укладываться разными способами, сохраняя при этом прочность целого, и образовывать разные вещества; таким образом, он оставлял надежду алхимикам. И в самом деле, если бы золото имело своего бедного аллотропического родственника, широко представленного в природе, подобно тому как его имеет алмаз, можно было бы штамповать золотые слитки в промышленных масштабах, подобно тому как из графита делают алмазы.