В которой мы узнаем о флогистоне и теплороде, странных веществах, введенных для объяснения природы тепла, и о том, как впоследствии эти объяснения были опровергнуты

Начало науки скрыто в ртутном тумане, который клубится над тиглем алхимика, вдохновленного видениями небесного совершенства. Но, совершив резкий поворот к новой эре, наука начала стыдиться своего мистического прошлого. В научных трактатах больше не упоминали Бога, а при описании природных явлений не использовали религиозную терминологию – она уступила место точному механическому стилю, облеченному в строгие одежды математики. Ньютоновская теория природы, описывающая, как большие и малые материальные объекты реагируют на силы притяжения и отталкивания, возникающие между ними, стала путеводной звездой Просвещения. Несмотря на всю свою сложность, мир мог быть методически изучен путем разбиения на мельчайшие частицы, поведение которых определяется суммой воздействующих на них сил. Ньютоновская физика запустила стремительный процесс научного редукционизма.

Изменения продолжали набирать скорость. Если частицы материи удерживались вместе силами, то для преодоления их хватки требовались бо́льшие силы. Как и в алхимии, ключевым элементом в данном случае считалось тепло. При нагревании лед превращался в воду, а вода – в пар. Большинство веществ так или иначе реагировали на тепло: газы расширялись и увеличивались в объеме, твердые вещества (даже самые прочные металлы) таяли и становились жидкими. Уже в 1662 году Роберт Бойль доказал, что давление определенного количества газа при постоянной температуре обратно пропорционально его объему. Иными словами, если поместить газ в сосуд и сжать поршнем, давление газа увеличится настолько же, насколько уменьшится его объем. Три главные макроскопические переменные – давление, объем и температура, – будучи напрямую измеримыми, позволяли проводить количественное изучение газов и их свойств. При сохранении объема газа и повышении температуры давление увеличивалось пропорционально. И наоборот, если давление оставалось постоянным, а температура повышалась, рос объем газа.[106]

Важно отметить, что такая пропорция верна для любого газа. Именно так появляются физические законы: на основании нескольких примеров определяется тенденция, а затем она переносится на целый класс веществ или объектов. Такая генерализация проверяется экспериментально в максимально широком ряде опытов до тех пор, пока не перестанет быть применимой. Например, в случае газов это может случиться при достижении экстремальных условий, ведущем к изменению обстоятельств и самого закона. При очень высоком давлении газы могут принимать жидкую или даже твердую форму. Но очевидно, что такое общее поведение и исключения из него должны определяться составом газа.

Ответ на этот вопрос был обнаружен в начале XVIII века, забыт, повторно найден век спустя, отклонен и наконец через несколько десятков лет снова принят, хотя и не без сомнений. Нужно сказать, что такие отклонения и сомнения не были полностью безосновательными, ведь предлагаемый ответ создавал опасный прецедент. Физическое объяснение свойств газа строилось на предположении о существовании невидимой реальности, недоступной ни нашим органам чувств, ни даже измерительным приборам. Можно ли использовать нечто, что мы не можем увидеть и в существовании чего мы даже не уверены, для объяснения результатов измерений? Если да, то как провести границу между невидимой и недоступной реальностью и фантазиями? Грубо говоря, если мы не можем увидеть ни атомы, ни фей, почему мы считаем, что атомы существуют, а феи – нет?

В 1738 году блестящий голландский математик Даниил Бернулли, действуя в истинном духе атомизма, предположил, что газы состоят из множества крошечных молекул, движущихся случайным образом и периодически сталкивающихся друг с другом без значительной потери энергии в процессе. Основываясь на своей атомистической гипотезе, Бернулли доказал, что давление газа возникает в результате ударов молекул о стенки сосуда. Согласно закону Бойля, если уменьшить объем сосуда с газом вдвое, сохранив при этом неизменную температуру, давление увеличится в два раза. Бернулли объяснял это тем, что при уменьшении объема молекулы имеют меньше простора для движения и потому чаще сталкиваются со стенками. Макроскопическим эффектом таких постоянных столкновений становится увеличение давления газа. Иными словами, Бернулли попытался объяснить макроскопическое свойство газа (давление) с помощью невидимых глазу микроскопических объектов. Значило ли это, что атомизм наконец‑то превратился в точную науку?

До 1845 года в этой области не происходило ничего серьезного, но затем британский физик Джон Джеймс Уотерстоун подал в Королевское научное общество заявление о том, что он сумел связать температуру и давление газа с его крошечными молекулярными составляющими. Он доказал, что температура газа пропорциональна квадрату средней скорости его молекул, а давление – плотности молекул, умноженной на квадрат их средней скорости.[107] Это была беспрецедентная попытка связать температуру с движением. Еще более удивительной ее делал тот факт, что речь шла о движении невидимых объектов.

В течение многих столетий ученые пытались познать природу тепла, изобретая хитроумные объяснения и часто путая тепло и горение. Первым таким объяснением был флогистон – магическое вещество, из‑за которого предметы могли гореть. Предположение о его существовании высказал немецкий врач и алхимик Иоганн Иоахим Бехер в 1667 году. Он заявлял, что языки пламени появляются, когда горючее вещество испускает флогистон. «Дефлогистированное» вещество, наоборот, будет несгораемым. Сомнения в гипотезе о флогистоне возникли, когда было доказано, что масса металлов увеличивается при сгорании. Это привело к возникновению совершенно диких теорий, например, о том, что флогистон имеет отрицательный вес или что он легче воздуха. Такое часто случается в науке: когда убедительная идея ставится под сомнение, на ее спасение бросаются все силы, пусть такие меры и кажутся отчаянными. Идея флогистона была окончательно отброшена только в 1783 году, когда Антуан Лоран Лавуазье с помощью ряда революционных экспериментов доказал, что для горения требуется газ, имеющий массу (кислород), и что в каждой химической реакции, включая горение, общая масса реактивов остается одинаковой.

Объяснив процесс горения, но все еще не поняв до конца природу тепла, Лавуазье предположил существование нового вещества – теплорода. Согласно его теории, передача тепла от горячего объекта к холодному осуществлялась в форме потока теплорода. Учитывая, что общая масса на входе и на выходе любой реакции остается неизменной, Лавуазье заключил, что теплород не имеет массы, а его общее количество в Природе является константой. За этой теорией последовало множество объяснений разнообразных явлений с участием тепла. Несмотря на кажущуюся логичность, все они были ложными. К примеру, горячий чай якобы остывает, потому что теплород, имеющий более высокую концентрацию в теплом воздухе, медленно оттекает из более теплых областей пространства в более холодные (то есть из горячей жидкости в более прохладный воздух вокруг чашки). Теплород был своего рода эфиром, способным двигаться, не имеющим веса, но удобным для объяснения многих природных явлений.

Первым человеком, поставившим под сомнение гипотезу о теплороде, был граф Румфорд, лоялист из Нью‑Гемпшира, по биографии которого можно было бы снять неплохой эпический фильм. После отъезда из Соединенных Штатов он занимал множество должностей, и в том числе был специалистом по артиллерийским боеприпасам в Баварии. В его обязанности входило надзирать за тем, как создаются пушки. Когда в цилиндрической металлической заготовке огромным сверлом проделывалось дуло, для уменьшения жара от трения использовалась вода. Румфорд заметил, что в процессе сверления тепло никогда не оттекало от металла, а вода постоянно кипела. В 1798 году он записал: «Если изолированное тело или система тел может создавать нечто без ограничений, это нечто не является материальной субстанцией».[108] Далее он предположил, что тепло возникает не из‑за потока теплорода, но из‑за трения между сверлом и металлом. Итак, заключил он, тепло – это производная движения, а не вещество. Несмотря на то что научное сообщество не сразу приняло его идеи, эксперимент Румфорда посеял зерно сомнений. Возможно, тепло действительно было не веществом, а свойством вещества.

Второму и куда более опасному испытанию гипотеза о теплороде подверглась со стороны Джеймса Прескотта Джоуля, который в 1840‑х годах провел серию детально проработанных экспериментов, чтобы определить, как механическая работа может приводить к повышению температуры. Джоуль опустил в бочку с водой вращающиеся лопасти, чтобы точно определить количество механической работы, необходимой для того, чтобы поднять температуру воды на 1 градус по Фаренгейту. С помощью полученных результатов он смог объяснить процесс сохранения и передачи энергии, ответственный за нагревание и охлаждение веществ. По мере того как лопасти заставляют воду двигаться, ее молекулы разгоняются и набирают скорость. Увеличение скорости ведет к повышению температуры, как и предполагал Уотерстоун. Джоуль был знаком с работами Джона Херэпэта и Джеймса Уотерстоуна о микроскопической теории газов, а его учителем был сам Джон Дальтон, главный приверженец атомистической теории, который еще в начале XIX века предположил, что химические реакции происходят в результате обмена атомами между веществами. Например, олово могло соединиться с одним или двумя атомами кислорода и массы полученных смесей отражали бы количество кислорода в каждой из них. Дальтон считал, что каждый элемент имеет собственные атомы, которые не распадаются в ходе химических реакций. Кроме того, атомы различных элементов могли связываться друг с другом, образуя комплексы, которые мы сегодня называем молекулами.

В период между зарождением микроскопической теории газов и атомистическим объяснением химических реакций, разработанным Дальтоном, представление о том, что материя имеет корпускулярную структуру, постепенно набирало вес. Взлет и падение флогистона и теплорода в качестве объяснений процесса горения и тепла ярко иллюстрируют процессы, происходящие в науке. По мере того как ученые пытаются объяснить природные явления, они создают все новые и новые гипотезы и готовы яростно их защищать. Так и должно быть, учитывая, что чем более убедительной является идея, тем больше чувств она вызывает у своих создателей и последователей. Однако научные гипотезы должны постоянно подвергаться эмпирической проверке, поэтому они остаются в силе ровно до тех пор, пока не будут опровергнуты или ограничены. Объяснение может казаться достаточным для описания данных («сохранения фактов», как говорил Платон), даже если по сути оно неверно. Эпициклы были совершенно искусственным понятием, но описывали движение небесных светил с достаточной точностью. Флогистон и теплород были далеки от реальной физики, но хорошо объясняли горение и существование тепла. Способность науки добиваться все более и более точных описаний физической реальности основывается на нашем умении проверять верность предположений со все возрастающей точностью. Если движение к большей точности блокируется или прерывается, научный прогресс останавливается. Исследования расширяют границы Острова знаний (а иногда и, наоборот, отодвигают их назад). То, что в океане неведомого вокруг него нет ни одного маяка, чтобы указать нам путь, делает научный поиск одновременно и сложнее, и интереснее. И нет лучшего примера этого поиска, чем изучение света и его туманной природы.

Глава 20. Таинственный свет