Представьте себе учёного, который в середине XVIII века, не имея современного оборудования, не зная о существовании электронов и атомных ядер, выдвигает идеи, которые подтвердятся только через сто-двести лет. Он спорит с великими европейскими авторитетами, ставит эксперименты в одиночку и формулирует законы, которые позже будут открыты заново другими. Это не фантастика. Это — Михаил Васильевич Ломоносов. Его работы по химии и физике — это не просто страницы истории науки. Это детектив, в котором главный герой на столетия опередил своё время.
Главное дело, о котором никто не узнал при жизни
Сам Ломоносов считал своей основной областью химию. Но для него химия не существовала отдельно от физики. Он мечтал построить "Натуральную философию" — единую науку о природе, основанную на немногих фундаментальных законах. И главным из этих законов он считал идею о "коловратном" — вращательном — движении частиц.
Это была дерзкая мысль. В XVIII веке в науке господствовала теория "невесомых флюидов": теплород, флогистон, электрическая жидкость — всё объяснялось особыми материями, которые проникают в тела и выходят из них. Ломоносов решил, что можно обойтись без этих сущностей. И оказался прав.
Битва за природу тепла
Главный вопрос: что такое тепло? В XVIII веке большинство учёных считали, что это особая материя — теплород, — которая проникает в поры тел и делает их тёплыми. Чем больше теплорода, тем выше температура.
Ломоносов задал простой вопрос: почему при охлаждении тела теплород остаётся, а теплота исчезает? Если бы теплород был материей, он должен был бы куда-то деваться — но эксперименты показывали, что вес тела при нагревании не меняется (если не допускать доступа воздуха).
В 1744-1747 годах он формулирует свою молекулярно-кинетическую теорию тепла. Вот его логика:
- Теплота связана с движением — когда движение прекращается, исчезает и тепло.
- Это движение внутреннее, недоступное глазу.
- Это движение собственной материи тела, а не посторонней.
- Это вращательное движение частиц, потому что раскалённый камень может покоиться (нет поступательного движения) и не плавиться (нет колебательного), но оставаться горячим.
Вывод: "Причиною теплоты является внутреннее вращательное движение связанной материи".
Это был революционный прорыв. До создания статистической механики оставалось больше ста лет. До формулировки второго начала термодинамики — более века. До понимания, что теплота — это форма движения молекул — полтора столетия. Ломоносов понял это в 1740-х годах.
Закон сохранения
В декабре 1756 года Ломоносов записывает в лабораторном журнале: "Деланы опыты в заплавленных накрепко стеклянных сосудах, чтобы исследовать: прибывает ли вес металлов от чистого жару. Оными опытами нашлось, что славного Роберта Бойля мнение ложно, ибо без пропущения внешнего воздуха вес сожжённого металла остаётся в одной мере".
Роберт Бойль, великий английский учёный, считал, что при обжиге металлы увеличиваются в весе за счёт "огненной материи", проникающей в них. Ломоносов запечатал сосуды наглухо — и никакого увеличения веса не обнаружил. Металл окислялся за счёт воздуха, запертого в сосуде, и вес системы оставался неизменным.
В 1774 году Антуан Лавуазье повторит эти опыты и сформулирует закон сохранения массы. Его назовут отцом современной химии. Ломоносов опередил его на 18 лет. Но его работы не были опубликованы — о них узнали только через сто лет.
В письме к Эйлеру в 1748 году он формулирует "всеобщий естественный закон": "Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому". Это не только сохранение массы, но и сохранение энергии — за полвека до того, как это понятие войдёт в науку.
Флогистон и водород
Ломоносов был противником теории флогистона — невидимой субстанции, которая якобы выделяется при горении. Но он не мог просто отбросить её — научное сообщество не поняло бы. Он пошёл другим путём.
В диссертации "О металлическом блеске" (1745) он описывает опыт: при растворении железа в кислоте "из отверстия склянки вырывается горючий пар". И делает вывод: этот пар — не что иное, как флогистон, выделившийся из металла. Но главное — он замечает, что флогистон легче воды. То есть он практически описывает водород.
Через 20 с лишним лет Генри Кавендиш "откроет" водород и назовёт его "горючим воздухом". Ломоносов сделал это раньше, но его работа осталась незамеченной в Европе.
Новая наука на 150 лет вперёд
В 1752 году Ломоносов начинает читать студентам курс, которому даёт название "Физическая химия". Он определяет её так: "Наука, объясняющая на основании положений и опытов физики то, что происходит в смешанных телах при химических операциях".
Это было рождение новой дисциплины. Ломоносов пытался объяснять химические явления языком физики, математики и механики. Он наметил огромную программу изучения растворов — которая, по словам учёных XX века, "не полностью реализована и по сию пору".
Леонард Эйлер, величайший математик эпохи, писал о нём: "Сколь много я удивлялся проницательности и глубине вашего остроумия в изъяснении крайне трудных химических вопросов... Не сумневаюсь, чтобы вы нетвёрдыя ещё и сомнительные основания сия науки не привели к совершенной достоверности".
От атомов до электромагнетизма
Список того, что Ломоносов предвосхитил или предположил, поражает:
- Атомно-молекулярное строение. Он различал "элементы" (атомы) и "корпускулы" (молекулы), говорил об однородных и разнородных корпускулах, о том, что свойства веществ зависят от соединения элементов.
- Кинетическая теория газов. Он объяснял упругость воздуха движением частиц и указывал на дискретность закона Бойля-Мариотта при сильном сжатии — предвосхищая уравнение Ван-дер-Ваальса.
- Абсолютный нуль. Из его теории следовало, что при полной остановке вращения частиц наступит состояние абсолютного холода — недостижимого на практике.
- Волновая теория света и тепла. Он различал "коловратное" (вращательное) распространение тепла и "зыблющееся" (волновое) — света.
- Единство света и электричества. Он говорил об их общем происхождении — за сто лет до Максвелла.
Четыре тысячи опытов
Ломоносов не был кабинетным мыслителем. В своей химической лаборатории, первой в России, он провёл более четырёх тысяч опытов. Он варил цветные стёкла, разрабатывал рецептуру смальт для мозаик, изучал действие красителей, конструировал приборы.
Его методология была безупречна: строгая дозировка, точные навески, систематическое изменение условий, подробный лабораторный журнал. Он закладывал основы науки о стекле, и его рецепты красных и зелёных смальт до сих пор ценятся знатоками.
Тень непризнания
Удивительно, но многие открытия Ломоносова остались неизвестными за границей. Он писал на латыни, его труды публиковались в академических сборниках, но Европа их не заметила. Возможно, причина в том, что он был слишком далеко от основных научных центров. Возможно, в том, что его идеи опережали время настолько, что современники просто не могли их оценить.
В 1901 году великий почвовед Василий Докучаев писал: "На днях проф. Вернадский получил поручение от Московского университета разобрать сочинения Ломоносова, и я с удивлением узнал от проф. Вернадского, что Ломоносов давно уже изложил в своих сочинениях ту теорию, за защиту которой я получил докторскую степень, и изложил, надо признаться, шире и более обобщающим образом".
"Натуральная философия" как завещание
Ломоносов мечтал построить единую науку о природе. Он искал фундаментальные законы, лежащие в основе всех явлений. Вращательное движение частиц, сохранение вещества и силы, корпускулярное строение материи — эти принципы должны были стать основой "Натуральной философии".
Он не успел. Его грандиозный проект остался незавершённым. Но даже то, что он сделал, поражает: в одиночку, в России XVIII века, без современного оборудования, без научной школы, он продумал и экспериментально обосновал идеи, которые войдут в науку только через сто-двести лет.
Гений, обогнавший время
Ломоносов-естествоиспытатель — это фигура трагическая и величественная одновременно. Трагическая, потому что его открытия остались неизвестными миру, и многие из них пришлось делать заново. Величественная, потому что он мыслил категориями, которые станут общепринятыми лишь в XX веке.
Он спорил с Бойлем и оказывался прав. Он предвосхитил Лавуазье и Кавендиша. Он заложил основы физической химии и кинетической теории. Он понимал природу тепла так, как её поймут только через сто лет.
И при всём при этом он оставался поэтом, писавшим оды, и практиком, строившим фабрики, и борцом за русскую науку. Его "Натуральная философия" не была завершена, но сам он был её живым воплощением — человеком, для которого физика, химия, поэзия и жизнь были частями единого целого.