Страница 17 из 20
Фалес, Гераклит и Анаксимен считали, что в основе всего лежала всего одна основная «субстанция», или элемент — но расходились во мнении насчет того, что же это такое. Фалес считал, что это вода, Гераклит предпочитал огонь, а Анаксимен был абсолютно уверен в том, что это воздух. Эмпедокл же попытался угодить всем и считал, что каждый по-своему прав. Если бы он жил в наше время, то наверняка бы носил какой-нибудь ужасный галстук.
Одна плодотворная идея, появившаяся благодаря этим теориям, состояла в том, что «элементарные» составляющие материи должны обладать простыми и неизменными свойствами. Земля, например, грязная, воздух невидимый, огонь обжигает, а вода мокрая.
Помимо усовершенствования хомута, Средневековье также создало благоприятную почву для развития знаний, которые позднее легли в основу химии. В течение нескольких столетий процветала ее прародительница алхимия: люди обнаружили, что если смешать и нагреть какие-нибудь вещества, или облить их кислотой, или растворить в воде и подождать, то происходят странные явления. Можно получить забавные запахи, взрывы, пузыри и жидкости, меняющие цвет. Из чего бы ни состояла Вселенная, было ясно: это можно было превратить во что-нибудь другое, если только знать подходящий рецепт. Или, лучше сказать, «заклинание», потому что алхимия во многом была похожа на волшебство со своими особыми рецептами и ритуалами. Многие из них действительно работали, но никакой единой теории, объясняющей эти превращения, не существовало. Главной целью алхимии были заклинания, или рецепты, например, Эликсира Жизни, который давал бы вечную жизнь, или Превращения Свинца в Золото — чтобы обладатель вечной жизни не ощущал недостатка в деньгах. К концу Средних Веков алхимики накопили такой опыт, что стали замечать расхождение древнегреческой теории четырех элементов с действительностью. Тогда они придумали новые элементы, например, соль и серу — эти вещества тоже обладали простыми и неизменными свойствами, которые отличались от свойств типа «быть грязным», «невидимым», «обжигающим» или «мокрым». Сера, к примеру, — горючее вещество (хотя и не горячее само по себе, как вы понимаете), а соль — нет.
В 1661 году Роберт Бойль в своем труде «The Sceptical Chymist»[25] описал два важных различия. Во-первых, различие между химическим соединением и смесью: смесь — это, ну, просто смесь разных веществ. Соединение — это в общем-то тоже смесь, и его можно так или иначе разделить на другие вещества — например, нагреть, облить кислотой или обработать другим способом. Однако обнаружить в соединении кусочки исходных веществ у вас не получится, хотя для смеси это сделать можно — правда вам понадобилось бы невероятно острое зрение и крошечные пальчики. Другое различие касалось соединений и элементов: элемент нельзя разделить на составляющие, потому что в нем есть только один вид материи.
Сера — это элемент. Соль, как нам теперь известно, — это соединение (не смесь), которое образуется из двух элементов: натрия (мягкий горючий металл) и хлора (ядовитый газ). Вода — это тоже соединение — она состоит из водорода и кислорода (оба являются газами). Воздух — это смесь различных газов, в том числе кислорода (элемент), азота (тоже элемент) и углекислого газа (соединение углерода и кислорода). Земля — это очень сложная смесь, состав которой к тому же зависит от конкретного места. А вот огонь — это вообще не вещество, а процесс с участием горячих газов.
Чтобы систематизировать эти знания, потребовалось время, но в 1789 году Антуан Лавуазье составил список из 33 элементов, многие из которых повторяют современные. Он совершил несколько вполне понятных ошибок, например, включил в число элементов теплоту и свет, но в целом его подход отличался системностью и аккуратностью. Сейчас нам известно 113 различных элементов. Некоторые из них были получены искусственно, причем часть существовала на Земле в течение ничто малой доли секунды. Однако большую часть элементов можно выкопать из земли, выпарить из морской воды или выделить из окружающего нас воздуха. Современный список можно считать практически полным — с поправкой на несколько искусственных элементов, которые могут быть созданы в будущем.
На то, чтобы понять это, тоже потребовалось время. Алхимическое искусство медленно уступало дорогу науке химии. Список элементов мало-помалу увеличивался. Иногда, правда, он сокращался, если оказывалось, что ранее известный элемент на самом деле был соединением — например, известь из списка Лавуазье, которая, как теперь известно, состоит из двух элементов: кальция и кислорода. Единственное правило, оставшееся неизменным (а также единственное, которое правильно поняли древние греки): каждый элемент был уникальным и обладал характерными свойствами: плотность; находился ли он при комнатной температуре и нормальном давлении в твердом, жидком или газообразном состоянии; точка плавления — если он был твердым телом. Для каждого элемента все эти свойства имели вполне определенные и неизменные значения. В Плоском Мире все то же самое, пусть даже его элементы и выглядят для нас странными — хелоний (из него состоят черепахи, которые несут на себе миры), слонород (то же самое для слонов) и рассказий — крайне важный «элемент» не только для Плоского Мира, но для понимания и нашего мира тоже. Характерное свойство рассказия состоит в том, что он создает связные истории. Человеческий мозг никогда не откажется от хорошей порции рассказия.
В нашей Вселенной люди пришли к пониманию того, что же делает элементы уникальными и отличает их от химических соединений. И снова проблески правильной идеи впервые возникают у древних греков. Демокрит предполагал, что материя состоит из неделимых частиц, которые он называл атомами («неделимый» в переводе с греческого). Неизвестно, верил ли кто-нибудь (даже сам Демокрит) во времена Древней Греции — возможно, это просто была интересная тема для дискуссии. Позднее Бойль возродил эту идею, предположив, что каждый элемент соответствует одному виду атомов, а соединения образованы комбинацией нескольких атомов. То есть элемент кислород состоит только из атомов кислорода, а элемент водород — только из атомов водорода. Вода же — это соединение и состоит не из атомов воды, а из атомов водорода и кислорода.
В 1807 году произошло событие, которое стало одним из самых значимых в истории как физики, так и химии. Англичанин Джон Дальтон нашел способ упорядочить различные атомы, из которых состоят элементы, и тем самым систематизировать химические соединения. Его предшественники обратили внимание на то, что когда элементы образуют соединение, они всегда следуют простой и неизменной пропорции. Такое-то количество кислорода + такое-то количество водорода дает такое-то количество воды, причем соотношение масс кислорода и водорода всегда одно и то же. Более того, эти пропорции соответствуют составу других соединений водорода или кислорода.
Дальтон пришел к выводу, что эти явления объясняются наличием у атомов постоянной массы, причем атом кислорода должен быть в 16 раз тяжелее атома водорода. Доказать эту напрямую было невозможно, так как атом слишком мал, чтобы его можно было взвесить. Однако даже косвенные доказательства были исчерпывающими и вполне убедительными. Так появилась теория «атомных весов», позволившая химикам расположить элементы в порядке возрастания атомного веса.
Начинается этот список так (в скобках указаны современные значения атомных весов): водород (1,00794), гелий (4,00260), литий (6,941), бериллий (9,01218), бор (10,82), углерод (12,011), азот (14,0067), кислород (15,9994), фтор (18,998403), неон (20,179), натрий (22,98977). Любопытно, что атомный вес почти всегда находится близко к целому числу (первое исключение — хлор с весом 35,453). Все это казалось непонятным, но начало все же было положено: теперь ученые могли искать новые закономерности и соотносить их с атомными весами. Однако проще было сказать, чем сделать. Никакой структуры в списке не было, свойства менялись практически случайным образом. Ртуть, единственный элемент, который при комнатной температуре находился в жидком состоянии — это металл (позже был обнаружен еще один жидкий элемент — бром). Многие элементы были твердыми металлами с самыми разными свойствами: железо, медь, серебро, золото, цинк, олово; сера и углерод твердые, но к металлам не относятся; многие элементы газообразны. Список был настолько беспорядочным, что когда несколько ученых, Иоганн Дёберейнер, Александр-Эмиль Бегуйе и Джон Ньюлендс, высказали оригинальную идею, что за видимым хаосом и неразберихой скрывается настоящий порядок, над ними просто посмеялись.
25
«Химик-скептик» — прим. пер.