Страница 22 из 65
Суть сделанного им открытия заключается в том, что воздух — это не отдельная субстанция, а смесь нескольких газов. Пристли выделил в их числе кислород и назвал дефлогистированным воздухом, который имеет важное значение в жизни животных. Пристли был великолепный экспериментатор, наделенный прозорливостью и чувством меры, поэтому провел исследование в несколько этапов. Сначала он 1 августа 1774 года получил чистый кислород и зажег свечу в заполненной им камере. Он был поражен тем, как ярко горел огонь, поэтому, не откладывая в долгий ящик, в октябре отправился в Париж к Лавуазье, чтобы рассказать о своем открытии. По возвращении домой он 8 марта 1775 года положил мышь в кислород. Затем, увидев, как хорошо это отразилось на животном, вдохнул газ сам. День-два спустя Пристли написал Франклину восхищенное письмо, в котором описал свое открытие, и добавил: «До сих пор только три живых существа — две мыши и я — имели честь дышать кислородом».
Пристли также обнаружил, что растения днем выделяют кислород, которым дышат живые существа. Следующие сто лет показали, насколько это важно, животные не возникли бы, если бы растения не производили кислород. В 1770-х годах об этом никто не догадывался.
Открытие кислорода по достоинству оценил Антуан Лавуазье (погибший во время Великой французской революции), с его ясным, революционным умом. Ученый повторил эксперименты Пристли, которые были почти карикатурой одного из классических тестов алхимиков, описанного в начале этой главы: Лавуазье положил в стеклянный сосуд красный оксид ртути, нагрел его при помощи зажигательного стекла и плотно укупорил сосуд (очень популярный тогда способ проведения реакции). Во время горения проявилась чистая ртуть, потому что кислород вернулся в газообразное состояние. Это был качественный анализ, то есть ученым удалось установить химический состав вещества. Лавуазье почти мгновенно догадался, как учесть количество элементов, участвовавших в реакции разложения.
Идея Лавуазье была красива и проста: провести алхимический эксперимент в прямом и обратном направлениях. Сначала провести реакцию окисления: поджечь ртуть (в это время металл активно поглощает кислород) и измерить объем кислорода до опыта и после него. Затем провести реакцию разложения: нагреть полученный на первом этапе оксид ртути, чтобы выгнать из него газ. После этого замерить количество выделенного оксидом кислорода. Невероятно, но объем газа, поглощенный ртутью в процессе окисления, оказался равен объему выделенного газа в ходе реакции разложения. Блестящий опыт Лавуазье показал, что оксид металла состоит на самом деле из двух элементов. Ученый доказал, что не существует никаких огненных эссенций, принципов и флогистонов. Оксид ртути, полученный под воздействием огня, — это соединение ртути и кислорода — двух самостоятельных химических элементов.
Мы смогли отойти от примитивных технологий первых медников и магических спекуляций алхимиков и продвинуться к самой продуктивной идее естественных наук — атомной теории строения материи. Почти невероятно. Но дорога — по раскаленным углям — была открыта. На этот путь смело ступил сын ткача из Камберленда Джон Дальтон, ставший одним из самых ярких естествоиспытателей первой половины XIX века.
После огня, серы и горящей ртути история восхождения человечества неизбежно устремилась к своей кульминации в холодный и влажный Манчестер. Здесь между 1803 и 1808 годами квакер и учитель Дальтон превратил смутное представление о химических соединениях, созданное гениальным Лавуазье, в точную теорию атомного строения материи. Первое десятилетие XIX века было очень продуктивным для химии — были открыты десять новых элементов. Правда, Дальтон этим не интересовался. Он был, откровенно говоря, несколько бесцветным человеком. (Он страдал цветовой слепотой и не отличал зеленый цвет от красного. Описанный им эффект называют дальтонизмом.)
Дальтон жил размеренной жизнью. Каждый четверг после обеда он отправлялся играть в кегли. По пути он жадно вдыхал воздух Манчестера, наполненный туманом, озоном и метаном. Будучи человеком, лишенным поэтического чувства, он не наслаждался им, а задавал себе конкретные вопросы: какие элементы входят в воздушную смесь? Вода состоит из кислорода и водорода, почему их определенные количества всегда производят определенное количество воды? Почему когда образуется углекислый газ, когда образуется метан, соотношения масс константны?
В течение всего лета 1803 года Дальтон искал ответы на эти вопросы. Ближе к осени он написал: «Изыскания в области массы элементарных частиц, насколько я знаю, — вещь совершенно новая. Я все последнее время с замечательным успехом занят поиском ответа на этот вопрос». Он догадался, что ответ следует искать в древнегреческой атомистической теории, потому что по сути она верна. Однако для Дальтона атом перестал быть простой абстракцией. Он вполне осязаем, он имеет массу. Атомы одного элемента (Дальтон называет их элементарными частицами) одинаковы, но при этом отличаются от атомов другого вещества. Разница также вполне материальна — она заключается в массе. «Я должен предположить, что существует значительное количество того, что правильнее всего назвать элементарными частицами, которые никогда не преобразуются друг в друга».
В 1805 году Дальтон публикует первую работу, в которой излагает концепцию атомистической теории и объясняет, почему он пришел к таким выводам. Например, если взять один атом углерода, то для получения его двуокиси, которую чаще называют углекислым газом, нам потребуются два атома кислорода.
Если образовать воду из двух атомов кислорода, соединив каждый с необходимым количеством водорода, мы получим одну молекулу воды из одного атома кислорода и одну молекулу воды из другого.
Посмотрим так: масса кислорода, который производит одну молекулу углекислого газа, при соединении с водородом произведет две молекулы воды. Теперь представим, что в смеси нет кислорода. Что мы получим? Тогда мы получаем болотный газ,или метан, в котором углерод соединяется с водородом. Таким образом, при удалении двух атомов кислорода из одной молекулы диоксида углерода и по одному атому из двух молекул воды образуется нужное количество водорода и углерода, чтобы получить метан.
В основе комбинации атомов различных химических элементов лежит постоянство массы каждого из них.
В основе современной атомной теории лежит точная арифметика атомов. Это первый серьезный и глубокий вывод, который вырос из многочисленных размышлений алхимиков о золоте и меди и достиг кульминации в размышлениях Дальтона.
Другой урок, преподнесенный Дальтоном, — эффективность научного подхода. Дальтон был последовательным и убежденным педантом. За пятьдесят семь лет работы в Манчестере в качестве учителя и метеоролога он не пропустил ни одной страницы в метеорологическом дневнике, монотонно записывая все показатели, даже если погода не менялась. С такой же настойчивостью он искал ответы на свои почти детские вопросы, которые задавал, наблюдая за воздухом Манчестера. В этом суть научного подхода — поставьте себе дерзкий вопрос, и он приведет вас к дельному ответу.
Глава 5. Музыка сфер
Математика во многих отношениях является самой сложной и утонченной наукой, по крайней мере мне как математику так кажется. Поэтому я нахожу особое удовольствие в том, что рассказываю о прогрессе в математике как части человеческого знания. Есть некоторые идеи, которые должен включать каждый рассказ о математике: логическая идея доказательства, эмпирическая идея о точности законов природы (и в частности пространства), возникновение понятия операций и переход от статического описания мира к динамическому. Этому и посвящена настоящая глава.