ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ М. В. ЛОМОНОСОВА ПО ХИМИИ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ М. В. ЛОМОНОСОВА ПО ХИМИИ

Основой научной деятельности Ломоносова в области химии и физики были весьма передовые для того времени материалистические идеи и представления. Ломоносов не только был непримиримым противником алхимии, схоластики и мистики вообще, он стремился пересмотреть все главнейшие положения и принципы науки своего времени, которые были унаследованы от прошлых времен и не получали рационального объяснения. В особенности он выступал против учения о «невесомых флюидах» и роли, которую им приписывали при объяснении химических явлений.

В своих теоретических представлениях Ломоносов исходил из следующих главных концепций, которые принимал в качестве бесспорных: 1) атомно-молекулярной теории строения вещества, 2) кинетической теории материи и 3) принципа сохранения вещества и движения. Атомно-молекулярная, или, как ее называли в XVIII в., «корпускулярная» теория, была одним из главных объектов научных занятий Ломоносова в первый период его деятельности. Будучи еще в Марбурге и обучаясь под руководством Хр. Вольфа, он тщательно проштудировал атомистические и корпускулярные системы Декарта, Гассенди, Бойля и других и, естественно, также «монадологию» Лейбница, последователем и горячим пропагандистом которой был Хр. Вольф. Несмотря на глубокое уважение к Вольфу Ломоносов решительно отверг его идеалистическое учение о «духовных монадах». Впоследствии (1754 г.) он писал Л. Эйлеру о причинах, по которым прямо не выступил против монадологии: «Та же причина (занятость посторонними делами. — Н. Ф.) давно уже препятствует мне предложить на обсуждение ученому свету мои мысли о монадах. Хоть я твердо уверен, что это мистическое учение должно быть до основания уничтожено моими доказательствами, однако я боюсь омрачить старость мужу (т. е. Хр. Вольфу. — Н. Ф.), благодеяния которого по отношению ко мне я не могу забыть; иначе я не побоялся бы раздразнить по всей Германии шершней — монадистов» (9).

Формулируя основные положения своей «корпускулярной теории», Ломоносов не следует слепо за своими предшественниками и не исходит из каких-либо предвзятых идей. В простых и отчетливо сформулированных положениях он излагает атомно-молекулярное учение, получившее развитие спустя лишь 100 лет. В этом отношении «корпускулярная теория» Ломоносова, как и вся его «корпускулярная философия», выгодно отличается от соответствующих построений авторов XVII в.

Согласно Ломоносову, все вещества состоят из корпускул, или молекул, представляющих собой сочетания («собрания») элементов, или атомов. В своей незаконченной диссертации «Элементы математической химии» (1741 г.) Ломоносов дает следующие определения: «Элемент есть часть тела, не состоящая из каких-либо других меньших и отличающихся от него тел… Корпускула есть собрание элементов, образующее одну малую массу» (10).

В одной из более поздних работ (1748 г.) Ломоносов вместо названия «элемент» употребляет слово «атом», а вместо «корпускула» — particula, т. е. «частица», или molecula, т. е. «молекула» (11). Слово «элемент» он, как и его современники, употребляет в смысле предела делимости тел, или последней составной части тел. Напомним, что в древности говорили: «Как слова состоят из букв, так и тела — из элементов». Атомы и молекулы (корпускулы и элементы) Ломоносов часто называет также «физическими нечувствительными частицами», подчеркивая тем самым, что эти частицы неощутимы при помощи органов чувств.

Далее Ломоносов различает «однородные» корпускулы, состоящие из «одинакового числа одних и тех же элементов, соединенных одинаковым образом» (12), и «разнородные», состоящие из различных элементов. Тела, состоящие из однородных корпускул, т. е. простые тела, он называет началами (principium) (13).

Отсюда видно коренное различие в понимании термина «начало» (принцип) Ломоносовым и его учителями, принимавшими за начала элементы алхимиков, либо различные «земли».

Излагая свою корпускулярную теорию, Ломоносов пользуется также понятиями «смешанное тело» и «составное тело» (ср. у Шталя). «Смешанное тело — это такое, которое состоит из двух или нескольких разнородных тел, соединенных друг с другом так, что любая чувствительная часть этого тела совершенно подобна любой другой его части в отношении частных качеств» (14). «Составное тело есть такое, которое состоит из смешанных тел, слившихся друг с другом» (15).

Корпускулярная теория была необходима Ломоносову с первых шагов его научной деятельности для объяснения с новых точек зрения ряда химических и физических явлений, в частности перехода из твердого состояния в жидкое, явлений сцепления жидкостей, а также для объяснения «частных качеств» тел. В дальнейшем Ломоносов широко использовал корпускулярную теорию для обоснования механической теории теплоты, для объяснения явлений растворения и для других целей.

Развивая свои представления о корпускулах и элементах, Ломоносов приписывал им следующие свойства: протяженность, тяжесть, определенную форму (шарообразную). Он принимал также, что корпускулы находятся в непрерывном движении. Исследованию этого «корпускулярного движения», его причинам и обусловленным этим движением явлениям он посвятил несколько теоретических диссертаций.

В диссертации «Опыт теории упругости воздуха» (1748 г.) Ломоносов рассматривает вопрос о связи упругой силы воздуха (т. е. давления) с его плотностью (величиной, обратной давлению) с точки зрения молекулярно-кинетических представлений. Используя для доказательства взгляды И. Ньютона и Д. Бернулли о движении и взаимном притяжении и отталкивании частиц «упругих жидкостей» (воздуха) (16), Ломоносов прежде всего опровергает распространенное в его время мнение, что упругая сила воздуха связана с наличием между частицами воздуха какой-то жидкости (12), и утверждает, что упругая сила «происходит от какого-то непосредственного взаимодействия… атомов» (17). Это взаимодействие атомов воздуха, заключает он, «обусловлено только теплотою» (§ 14) (18).

В «Прибавлении к размышлениям об упругости воздуха» Ломоносов показывает, что давление воздуха «при наибольшем его сжатии» не пропорционально его плотности (19). Заметим, что к этому выводу наука пришла на основании более строгих измерений сто с лишним лет спустя после Ломоносова (уравнение Вандер-Ваальса).

Одной из главных проблем, которая интересовала Ломоносова с первых лет его деятельности и которой он посвятил много труда и времени, была механическая (молекулярно-кинетическая) теория теплоты. Выше уже говорилось, что во времена Ломоносова, в период расцвета теории флогистона и «невесомых флюидов», в науке господствовало мнение о теплоте как некой невесомой жидкости, которая может «переливаться» из более нагретого тела в менее нагретое (некоторые полагали, что такое переливание теплорода могло происходить и наоборот — из менее нагретого тела в более нагретое). Чем больше такой теплотворной жидкости содержалось в теле, тем больше оно было нагрето. По мнению ученых того времени, теплотворная жидкость могла образовываться в теле в результате химических процессов и, прежде всего, в результате процессов, при которых выделяется флогистон.

Трактовка природы теплоты как результата молекулярного движения частиц вещества во времена Ломоносова была полностью забыта (20). Разрабатывая атомно-молекулярную теорию, а также молекулярно-кинетические представления, Ломоносов и имел в виду прежде всего объяснение природы теплоты. Еще в ранних своих диссертациях и заметках он пытался найти объективные доказательства теоремы, согласно которой «теплота состоит в движении корпускул собственной материи». В частности, уже тогда Ломоносов высказывал мысль, что доказательством этой теории может быть то, «что корпускулы от большой степени теплоты отделяются друг от друга и даже рассеиваются» (21), или что «животное тело непрерывно испускает теплоту, но никогда не принимает ее в себя; следовательно, теплота не зависит от сосредоточения постоянной материи, а есть некое состояние тела» (22).

В окончательном виде свои выводы и доказательства о природе теплоты Ломоносов изложил в диссертации «Размышления о природе теплоты и холода», написанной в 1744 и опубликованной в 1750 г. (23) В этом замечательном исследовании приведена полная цепь доказательств в пользу механической теории теплоты.

В § 3 этой диссертации Ломоносов высказывает основное положение: «Теплота состоит во внутреннем движении материи» (24). После общих доказательств этого положения он обсуждает вопрос о возможных формах внутреннего движения частиц и приходит к выводу (§ 11), что «теплота состоит во внутреннем вращательном движении связанной материи» (25). Далее следуют подробные доказательства этого положения.

Основываясь на принципе сохранения движения (см. ниже) и на высказанном ранее им самим правиле («Я при объяснении явлений буду поступать так, чтобы не только они легко объяснялись из основного положения, но и доказывали само это положение» (26)), Ломоносов приводит следующие важные выводы из своей теории: «Тело А, действуя на тело В, не может придать последнему большую скорость движения, чем какую имеет само. Поэтому, если тело В холодно и погружено в теплое жидкое тело А, то тепловое движение частиц тела А приведет в тепловое движение частицы тела В; но в частицах тела В не может быть возбуждено более быстрое движение, чем какое имеется в частицах тела А, и поэтому холодное тело В, погруженное в тело А, очевидно, не может воспринять большую степень теплоты, чем какую имеет тело А» (27).

Этот вывод, как нетрудно видеть, представляет собой основную идею второго начала термодинамики, получившего, как известно, исключительное значение в науке со второй половины XIX в.

В следующем параграфе Ломоносов говорит о предельных степенях нагревания и охлаждения и приходит к выводу о существовании абсолютного нуля температуры. Он пишет, что «нельзя назвать такую большую скорость движения, чтобы мысленно нельзя было представить себе другую, еще большую. Это по справедливости относится, конечно, и к теплотворному движению; поэтому

невозможна высшая и последняя степень теплоты как движения. Наоборот, то же самое движение может настолько уменьшиться, что тело достигает, наконец, состояния совершенного покоя, и никакое дальнейшее уменьшение движения невозможно. Следовательно, по необходимости должна существовать наибольшая и последняя степень холода, которая должна состоять в полном прекращении вращательного движения частиц» (28).

Высказав замечательную мысль о существовании абсолютного нуля температуры, никем ранее с такой ясностью и доказательностью не высказывавшуюся, Ломоносов обсуждает вопрос о возможности достижения температуры абсолютного нуля. Он приходит к заключению, что «высшая степень холода… на земноводном шаре нигде не существует» (29).

Дальнейшие параграфы диссертации Ломоносов посвятил критике и опровержению теории теплотворной жидкости. «В наше время, — писал он, — причина теплоты приписывается особой материи, которую большинство называет теплотворной, другие — эфиром, а некоторые — элементарным огнем… Это мнение в умах многих пустило такие глубокие корни и настолько укрепилось, что повсюду приходится читать в физических сочинениях о внедрении в поры тел названной выше теплотворной материи, как бы привлекаемой каким-то приворотным зельем; или, наоборот, — о бурном выходе ее из пор, как бы объятой ужасом» (30).

Рядом основательных и остроумных доводов Ломоносов опровергает эту фантастическую концепцию. В § 31 диссертации он обсуждает, в частности, известные опыты Бойля над прокаливанием металлов и его заключение о том, что увеличение веса металла при его обжиге обусловлено присоединением к нему «материи огня». По этому поводу Ломоносов пишет, что «почти что все опыты его (Бойля) над увеличением веса при действии огня сводится к тому, что весом обладают либо части пламени, сжигающего тело (31), либо части воздуха, во время обжигания проходящего над прокаливаемым телом» (32).

Появление в печати диссертации Ломоносова «Размышления о причине теплоты и холода» вызвало критические замечания и даже нападки на ее автора (33) со стороны некоторых последователей теории «невесомых флюидов» в Германии. Очевидно, что высказанные Ломоносовым положения и доводы в пользу механической теории теплоты были совершенно чужды и непонятны многим ученым того времени. Однако многие, более дальновидные ученые, по достоинству оценили доказательность доводов Ломоносова и новизну его идей. Об этом свидетельствует, в частности, избрание Ломоносова в Болонскую и Стокгольмскую академии наук. Л. Эйлер в Берлине высоко оценил эту работу Ломоносова и использовал его идеи в своих естественнонаучных трудах.

Выводы, сделанные Ломоносовым из механической теории теплоты, не только подтвердили самое теорию, но и оказались вескими аргументами в пользу гипотезы об атомно-молекулярном строении материи. Впервые в истории науки атомистика получила объективные естественнонаучные доказательства. Сам Ломоносов прекрасно сознавал научное значение механической теории теплоты и при опубликовании русского перевода «Вольфианской экспериментальной физики» дал специальное добавление (34) с изложением основ этой теории.

В тесной связи с корпускулярной теорией и молекулярно-кинетическими представлениями Ломоносова стоят и его взгляды по вопросу о законе сохранения вещества и силы (или движения). Принцип сохранения силы (или движения) для Ломоносова был исходной аксиомой при рассмотрении им доказательств в пользу существования молекулярного теплового движения. Этот принцип многократно высказывался им уже в ранних работах и заметках (35). Так, в диссертации «О действии химических растворителей вообще» Ломоносов писал: «Когда какое-либо тело ускоряет движение другого, то сообщает ему часть своего движения; но сообщить часть движения оно не может иначе, как теряя точно такую же часть» (36).

Подобные же мысли высказывались им и по отношению к принципу сохранения вещества. Так, имея в виду этот принцип, он доказывал нелепость теории теплорода и резко выступал, в частности, против утверждения Бойля о возможности «сделать части огня и пламени стойкими и весомыми» (37).

Таким образом, принцип сохранения вещества и силы в аргументации Ломоносова самым тесным образом сочетался с его «корпускулярной философией» и, более того, составлял неотъемлемую часть этой «философии». Вполне понятно, что Ломоносов придавал этому принципу как части «корпускулярной философии» первостепенное значение и, высказывая в письме к Л. Эйлеру свою точку зрения по различным важным физическим и химическим вопросам, нашел необходимым привести формулировку этого принципа (1748 г.) (38), который он назвал «всеобщим естественным законом». В дальнейшем Ломоносов многократно пользовался этим законом при доказательствах развиваемых им положений.

В диссертации «Рассуждение о твердости и жидкости тел» (1760 г.)[26] «всеобщий естественный закон» сформулирован Ломоносовым в следующих словах: «…Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте… Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оные у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает» (39).

Заметим, что Ломоносов пришел к этой окончательной формулировке «всеобщего естественного закона», будучи зрелым исследователем, вполне оценивающим научное значение и самого закона и его приложений для объяснения различных явлений.

Скажем, наконец, об отношении Ломоносова к теории флогистона. Мы видели, что Ломоносов был противником теории «невесомых флюидов» теплорода и огненной материи как агентов различных химических явлений. Было бы естественно ожидать, что Ломоносов был противником и флогистона как одной и притом главной «невесомой жидкости», роль которой в химических процессах особенно подчеркивалась в его время. Между тем в ряде диссертаций Ломоносов пользовался теорией флогистона при объяснении различных явлений, свойств металлов, «состава» серы (40) и т. д. Однако это противоречие в его отношении к теории «невесомых флюидов» вполне объяснимо. Деятельность Ломоносова, как мы видели, относилась к периоду расцвета теории флогистона, когда среди ученых фактически не было противников этой теории. Естественно, что и Ломоносов, относившийся отрицательно к теории «невесомых флюидов», не мог игнорировать установившихся в науке того времени представлений о механизме окисления и восстановления металлов при помощи теории флогистона, тем более, что рационального объяснения этих явлений не могло существовать, так как кислород еще не был открыт.

Но, не отрицая теории флогистона, Ломоносов не сделался слепым последователем этого учения Шталя. В некоторых отношениях он подверг сомнению взгляды Шталя, что можно, например, видеть из следующего замечания: «Так как восстановление производится тем же, что и прокаливание, даже более сильным огнем, то нельзя привести никакого основания, почему один и тот же огонь то внедряется в тела, то из них уходит» (41).

В основном же сомнения Ломоносова относятся к существованию невесомого флогистона, удаление которого из металла при его кальцинации приводит к возрастанию веса продукта прокаливания, что противоречит «всеобщему естественному закону». Стремясь устранить это явное противоречие между «корпускулярной философией» и теорией флогистона, Ломоносов принимает флогистон как вещество материальное, т. е. весомое, состоящее из корпускул (42). В другом месте он замечает, что флогистон — вещество более легкое, чем вода (43).

Исключительно важен с историко-химической точки зрения вывод Ломоносова о том, что флогистон представляет собой конкретное материальное вещество, а именно: водород. В диссертации «О металлическом блеске» (1745 г.) Ломоносов пишет: «…При растворении какого-либо неблагородного металла, особенно железа, в кислотных спиртах из отверстия склянки вырывается горючий пар, который представляет собой не что иное, как флогистон, выделившийся от трения растворителя с молекулами металла (следует ссылка на «Диссертацию о действии химических растворителей вообще», § 14 и 31) (44) и увлеченный вырывающимся воздухом с более тонкими частями спирта. Ибо: 1) чистые пары кислых спиртов невоспламенимы; 2) извести металлов, разрушившихся при потере горючих паров, совсем не могут быть восстановлены без добавления какого-либо тела, изобилующего горючей материей» (45).

Как мы увидим ниже, к выводу о том, что «горючий воздух» (впоследствии названный водородом) представляет собой флогистон, более 20 лет спустя после Ломоносова пришел английский ученый Г. Кавендиш (46), которому казалось, что этим открытием он разрешил все противоречия теории флогистона.

Вывод Кавендиша произвел на современников большое впечатление, в то время как вывод Ломоносова остался незамеченным, хотя его работа «О металлическом блеске» была опубликована в 1751 г.

Таким образом, Ломоносов, работавший в эпоху господства теории флогистона, когда эту теорию невозможно было заменить рациональной научной теорией горения, и в своем подходе к объяснению флогистона оказался новатором-материалистом, противником мистических представлений о «невесомых флюидах».

«Корпускулярная философия» Ломоносова, основанная на атомно-молекулярной теории, кинетической теории материи и законе сохранения вещества и силы (движения), явилась базой его научного материалистического мировоззрения и оказалась исходным пунктом всей его теоретической и экспериментальной деятельности в области химии и физики. Среди своих современников Ломоносов оказался наиболее ярким последователем новой рациональной науки и вместе с тем борцом против реакционных схоластических концепций и отсталых традиций, унаследованных от алхимического и иатрохимического периодов развития химии. Характерно, что Ломоносов не просто критиковал старые идеи и представления, а высказывал в противовес им новые идеи, разрабатывал новые теории, которые в дальнейшем стали фундаментом новой науки и исходным пунктом ее дальнейшего развития.