Иона Ризнич – Ломоносов (страница 23)
«О причинах теплоты и холода»
Свои размышления Ломоносов облекал не только в стихотворную форму. Все это время он напряженно работал над диссертацией «О причинах теплоты и холода», с которой началось обоснование корпускулярно-кинетической теории, объяснявшей физические явления с материалистической, научной, близкой к современности точки зрения.
Работа эта заняла много времени – около двух лет. Сравните: ранее свои «специмены» Ломоносов мог закончить за пару месяцев, а диссертация «Физические размышления о причинах теплоты и холода» была представлена на суд академиков лишь в декабре 1744 года.
Осьмнадцатое столетие примечательно тем, что в это время старая схоластическая картина мира разрушалась и возникала новая – материалистическая. Это было время поиска, время ошибок и удивительных прозрений.
Еще Рене Декарт в середине XVII века писал, что «под теплотою не следует здесь понимать ничего иного, кроме ускорения движения молекул, а под холодом – их замедление». В 1733 году в «Примечаниях к Ведомостям» была опубликована статья «О теплоте и стуже», в которой излагались основы молекулярно-кинетической теории теплоты.
Но в те времена эта теория еще не считалась единственно верной! Подавляющее большинство ученых полагали, что во всех предметах и в воздухе присутствует незримый флюид – теплород. А возможно, и два флюида: теплород и хладотвор. И что от их движения, от их баланса зависит температура тел. Эти флюиды рассматривали как разновидность всемирного «эфира», спорили о том, тождественен ли теплород флогистону, который считали причиной горения.
Метафизическую теорию о «теплороде» разделяли Ньютон, Леонард Эйлер, Вольтер и учитель Ломоносова Христиан Вольф. Ну а Ломоносов с ней энергично спорил, объясняя изменения температуры движением корпускул!
«Положим, что при самом сильном морозе, под арктическим кругом, ударится сталь о кремень. Мигом выскочит искра, т. е. материя теплоты. Положим, что зажигается большая куча пороху, откуда же тогда берется пресловутая “теплотворная материя”?» – писал он.
И заключал: «Не следует выдумывать много разных причин там, где достаточно одной; таким образом, раз центрального движения корпускул достаточно для объяснения теплоты, так как оно может увеличиваться до бесконечности, то не следует придумывать других причин».
Он убедительно рассуждал: «Очень хорошо известно, что теплота и огонь возбуждаются посредством движения. От взаимного трения руки согреваются, дерево загорается пламенем, при ударе кремня об огниво выскакивают искры, железо накаляется от проковывания частыми и сильными ударами. При прекращении движения уменьшается и теплота, и нагретые тела в конце концов охлаждаются. Далее, восприняв огонь, тела, распавшись на нечувствительные частицы, рассеиваются в воздухе, или рассыпаются в известь или пепел, или в них настолько уменьшается сила сцепления, что они плавятся. Наконец, образование тел, жизненные процессы, произрастание, брожение, гниение теплотою ускоряются, а холодом замедляются или вовсе прекращаются. Из всего этого совершенно очевидно, что достаточное основание теплоты заключается в движении. А так как никакое движение в природе не может произойти без материи, то необходимо, чтобы достаточное основание теплоты заключалось в движении какой-то материи».
Но какой именно материи? Здесь Ломоносов, как сын своего века, повторяет главенствовавшую в то время теорию, будто «материя в телах бывает двоякого рода, а именно собственная и посторонняя: первая образует самые тела, а вторая заполняет мельчайшие промежутки, свободные от собственной материи». Эту вторая материя и была, по его мнению, тем самым «мировым эфиром», «тонкой материей», в существование которой верили даже самые мощные умы. Поэтому Ломоносов справедливо задал вопрос: движение какой именно из материй – «тонкой», «теплотворной» или «собственной» – определяет степень нагрева тел?
Опытным путем он установил, что «тела, удельно более тяжелые [61], воспринимают больше теплоты и долее ее удерживают, чем удельно более легкие. Так, ртуть нагревается больше и остается горячей дольше, чем вода от того же самого огня. Каменный уголь дает более сильное горение, чем древесный уголь, особенно из более легкой древесины. То же наблюдается в одном и том же теле, а именно в воздухе, который, будучи более легким в верхних слоях атмосферы, меньше нагревается теми же самыми лучами солнца, чем тот, который, находясь в более низких местах, сдавлен остальной массой атмосферы: об этом свидетельствует вечный снег, покрывающий хребты более высоких гор». Отсюда Ломоносов делает вывод, что удельно более тяжелые тела при одном и том же объеме «содержат большее количество собственной материи и меньшее количество посторонней», а значит, «количество теплоты» прямо пропорционально «собственной материи тел» и обратно пропорционально – посторонней, тонкой материи. «Отсюда очевидно, что достаточное основание теплоты заключается во внутреннем движении собственной материи».
То есть Ломоносов сумел объяснить изменения температуры тел без привлечения метафизических, фантастических понятий, таких как флюиды, теплород и хладотвор. Он доказал, что «достаточное основание для теплоты заключается во внутреннем движении материи», объяснив, что «под внутренним движением мы понимаем такое, при котором ощутимое тело в целом остается на месте, а его нечувствительные частицы находятся в движении». Эта концепция принята и в наш дни.
Опередив свое время, он даже описал это «внутренне движение» точно так же, как оно описывается в современных учебниках физики: «Внутреннее движение мы представляем себе происходящим в трех формах: 1) если частицы тела переходят из одного места в другое; или 2) оставаясь в одном месте, вращаются; или, наконец, 3) непрерывно колеблются взад и вперед на ничтожном пространстве, в нечувствительные промежутки времени. Первому виду внутреннего движения уместно дать название поступательного, второму вращательного, третьему колебательного движения».
В ответ на возражения академиков, что, мол, в нагретых телах никакого движения не видно, Ломоносов продолжил рассуждение: «…Хотя в горячих телах на вид обычно не заметно никакого движения, оно вполне обнаруживается по производимым действиям. Так, железо, нагретое почти до накаливания, по внешности кажется находящимся в покое, однако одни тела, придвинутые к нему, оно плавит, другие превращает в пар и таким образом, приводя их нечувствительные частицы в движение, показывает, что и в нем имеется движение какой-то материи. Ведь нельзя отрицать существование движения там, где оно не воспринимается зрением: кто, в самом деле, будет отрицать, что когда через лес проносится сильный ветер, то листья и ветки деревьев колышутся, хотя при рассматривании издали и не видно движения. И точно так же, как здесь вследствие расстояния, так и в теплых телах вследствие малости частиц движение ускользает от взора…».
Рассуждения и выводы Ломоносова в целом были восприняты аудиторией благоприятно. Но смелые мысли ученого смутили некоторых академиков, многие из которых были приверженцами теории флюидов. Смутило их и то, что Ломоносов осмелился спорить с самим Робертом Бойлем – выдающемся ученым, но сторонником метафизических взглядов. «Похвально прилежание и желание господина адъюнкта заняться теорией теплоты и холода, но им кажется, что он слишком рано взялся за дело, которое, по-видимому, пока еще превышает его силы», – ворчали академики.
Но Ломоносова это не смутило, и он продолжил спор с Бойлем, которого уважал безмерно. Благодаря этому спору был четко сформулирован закон сохранения массы, который в Советском Союзе назывался законом Ломоносова. [62]Фомулировка закона проста и очевидна: масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе продуктов реакции. Впрочем, мысль Ломоносова была не нова, просто несколько позабыта. Нечто подобное говорил и древнегреческий ученый и философ Эмпедокл, живший в V веке до нашей эры: «Ничто не может произойти из ничего, и никак не может то, что есть, уничтожиться». Однако в 1673 году опыты Роберта Бойля поставили закон сохранения массы под сомнение – у него при химической реакции с нагреванием вес вещества увеличился. Бойль считал свой опыт подтверждением существования «тонких материй», проникающих сквозь стенки стеклянного сосуда, и главное – флюида флогистона, имеющего «отрицательную массу» и улетучивающегося из тел при горении.
Бойль провел следующий опыт: он запаял кусок свинца в стеклянную колбу, подверг его действию высокой температуры, затем колбу разбил – заметив при этом, что воздух ворвался внутрь со свистом – и взвесил ее, зарегистрировав увеличение массы. Ломоносов повторил его опыт с небольшим изменением: он провел взвешивания, не разбивая колбы. И масса осталась неизменной.
И тогда русский ученый сделал правильный вывод: никакого флогистона не существует, а при горении частицы воздуха соединяются с металлом, увеличивая его массу. При этом внутри колбы образовывается пустота!