Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки - Ирина Львовна Радунская

признав существование атомов можно понять кратные отношения, в которых химические вещества объединяются между собой при образовании различных соединений.

Почти неизвестный физик, Уотерстон (он даже не упоминается в большинстве книг по истории науки) в 1845 году закончил исследование, содержащее многое из того, что составляет современную кинетическую теорию газов. Его работу не поняли. Королевское общество отказалось опубликовать этот труд. Он увидел свет лишь в 1892 году благодаря замечательному физику лорду Релею.

В 1855 году появился трактат под названием «Теория атомов», в котором его автор — физик, физиолог и философ — Густав Фехнер, изложил причудливую смесь взглядов, претендовавших на то, что свойства природы можно понять путем логических рассуждений и современной ему физики. Атомы нужны, писал он, для понимания свойств вещества и эфира, атомами являются и души — единицы психического мира. Но эпоха беспочвенных умозаключений закончилась. Идеи Фехнера вели не к столбовой дороге, а в тупик.

Нельзя, конечно, думать, что кинетическая теория возникла в результате внезапного озарения одного или двух людей. По существу, она явилась результатом попыток объяснить с атомистической точки зрения те фактические сведения, которые накапливались в течение веков из наблюдений природы и специально поставленных экспериментов и постепенно сложились в феноменологические (описательные) теории. Авторы таких теорий, следуя Ньютону, стремились установить зависимость между различными физическими величинами и свойствами, не ставя перед собой цели выяснения причин и «механизмов», их вызывающих, не пытаясь создать гипотезы.

Наибольших успехов достигли феноменологические теории, объясняющие свойства газов. Первые шаги Торричелли и Паскаля привели к пониманию роли атмосферного давления. Блестящий экспериментатор Бойль в 1672 году установил, что объем сжимаемого воздуха при постоянной температуре обратно пропорционален давлению. Через четыре года Мариотт в результате тонких измерений пришел к тому же результату и придал ему современную форму, известную каждому школьнику. Папен, построив паровой котел и снабдив его предохранительным клапаном, обнаружил, что температура кипения воды повышается с давлением, и правильно связал это с изменением давления насыщенного пара.

Дальтон и Гей-Люссак установили равенство теплового расширения различных газов. Гей-Люссак определил, что объем газов пропорционален их температуре, и измерил коэффициент пропорциональности, получив величину 1/267, достаточно близкую к современному значению 1/273. Комбинируя этот результат с законом Бойля— Мариотта, Клапейрон получил уравнение, связывающее давление, объем и температуру газа. Во всех случаях произведение давления на объем, деленное на температуру, оказывалось постоянной, величиной. Это была удивительная универсальная постоянная, единая для всех известных газов.

Среди хаоса наблюдений начал проявляться порядок — свидетельство единства законов природы…

Но каков этот порядок?

Постепенно, передавая друг другу эстафету все усложняющихся задач, ученые научились описывать свойства и поведение газов, познанные при наблюдении природы и, главным образом, в результате тщательно проведенных опытов. Математические формулы, коэффициенты которых получены из опыта, формулы, позволяющие предсказывать результаты новых опытов, — таков идеал феноменологических теорий.

Вслед за Ньютоном естествоиспытатели в течение долгого времени считали создание таких теорий единственной целью науки. Их девизом был вопрос «как?». Они не ставили перед собой задачи выяснить, почему получаются те или иные формулы, вследствие чего опыт дает те или иные значения коэффициентов. Никто не пытался найти более глубокие принципы, которые позволили бы предвычислить эти коэффициенты. Пример с газовой постоянной характерен для этого времени. Ее численное значение уже было известно из опыта. Но почему комбинация — произведение давления газа на его объем, деленное на температуру газа, — одинакова для всех газов? Это оставалось таинственным фактом.

Периоды накопления информации закономерны. Они подготавливают момент, когда количество знаний переходит в их качество.

Рождение современной кинетической теории относят к 1848 году, когда Джоуль, ничего не зная о работах Ломоносова, выступил с докладом «Некоторые замечания о теплоте и строении упругих жидкостей». Члены Манчестерского философского общества без особого интереса выслушали утверждение бывшего пивовара о том, что «упругая сила или давление должны представлять собой эффект движения частиц, из которых состоит всякий газ».

Джоуль утверждал, что таким путем можно объяснить закон Бойля — Мариотта. Хотя доклад и был напечатан в трудах общества, но эти труды вряд ли прочел кто-нибудь, кроме некоторых из его членов.

Прошло восемь лет. В 1856 году Крениг опубликовал «Очерки теории газов», в которых пишет, что каждая молекула, ударяясь о стенку сосуда, передает ей свой импульс, пропорциональный массе и скорости молекулы. Суммируя эти импульсы, он вычисляет величину давления газа и впервыe получает связь между объемом газа и его давлением, как следствие движения молекул газа. Следствие и причина были увязаны. Обнаружилась ниточка, объединяющая поведение газа с его сущностью как коллектива отдельных частиц. Современников потрясла возможность вычислить величину универсальной газовой постоянной.

Как видно, пришла пора сбора урожая в исследованиях газов. В 1857 году выходит работа Клаузиуса «О роде движения, который мы называем теплотой». Здесь Клаузиус впервые дает не только ясное и последовательное изложение молекулярно-кинетического подхода, но облекает его в математическую форму. Эмпирические законы, установленные опытным путем, и описательные теории получили в молекулярно-кинетическои трактовке прозрачное наглядное истолкование.

Представление об атомарном строении газа и о связи движения его атомов с температурой и давлением перестало быть гипотезой. Оно сравнялось по значению с фундаментальными принципами, лежащими, в соответствии с методологией Ньютона, в основах науки. В отличие от отвергаемых Ньютоном гипотез, предназначенных для объяснения единичного явления, молекулярно-кинетическая гипотеза объясняла огромный круг явлений, дотоле казавшихся независимыми. Давала возможность, подобно принципам Ньютона, вывести законы этих явлений. Она даже превосходила принципы Ньютона — позволила вычислить величину постоянной в законе Клапейрона. А постоянные в законах Ньютона и в других законах, полученных на основе его принципов, нужно было независимо определять путем дополнительных опытов.

Начиналась новая эра в науке. Открылись вдохновляющие возможности продвижения по пути, указанному Ньютоном. При этом сохранилось стремление Отыскивать законы, «причины которых (как писал Ньютон) неизвестны», не дожидаясь выяснения этих причин.

Неизвестным оставался «пустяк» — природа сил, действующих между молекулами. Но никто не думал возвращаться к гипотезам Босковича или Лесажа. Не нужно было придумывать новых гипотез о внутреннем строении молекул. Достаточно представить себе, что молекулы при соударении ведут себя как маленькие бильярдные шары и применять к вычислениям законы соударения упругих шаров. Дальше все шло само собой при помощи геометрических построений и вычислений. Запомним эту аналогию: молекулы подобны упругим шарикам. Эта аналогия повинна во многих открытиях и во многих заблуждениях. Она и успокоила ученых и вселила в них то беспокойство, ту неудовлетворенность, которая привела их в конце концов на порог квантовой эры…

…Публикация статьи Клаузиуса вызвала такой резонанс, что Джоуль поспешил еще раз опубликовать свой Манчестерский доклад 1848