Джордж Джонсон - Десять самых красивых экспериментов в истории науки

• Название: Десять самых красивых экспериментов в истории науки
• Автор: Джордж Джонсон
• Издательство: М.: КоЛибри, 2009. — 224 с.
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2009
• ISBN: 978-5-389-00586-0

В наше время научные открытия совершатся большими коллективами ученых, но не так давно все было иначе. В истории навсегда остались звездные часы, когда ученые, задавая вопросы природе, получали ответы, ставя эксперимент в одиночку.

Джордж Джонсон, замечательный популяризатор науки, рассказывает, как во время опытов по гравитации Галилео Галилей пел песни, отмеряя промежутки времени, Уильям Гарвей перевязывал руку, наблюдая ход крови по артериям и венам, а Иван Павлов заставлял подопытных собак истекать слюной при ударе тока.

_{Перевод опубликован с согласия Alfred A, Knopf, филиала издательской группы Random House, Inc.}

---

Весьма далеко от современной науки. В алхимии, даже в записях самого Ньютона, многое напоминает магию. В одном из своих дневников он добросовестно переписал несколько абзацев из книги алхимика Джорджа Огарки, который сам себя называл Филалетом.

Отрывок начинается так: «В [Сатурне] скрыта бессмертная душа». Под Сатурном обычно понимался свинец, поскольку каждый элемент ассоциировался с какой-нибудь планетой. Но в данном случае имелся в виду серебристый металл, известный как сурьма. «Бессмертный дух» — это газ, который испускает руда при сильном нагреве. «К Сатурну узами любви привязан Марс (это означало, что к сурьме добавлялось железо), который сам в себе пожирает великую силу, чей дух делит тело Сатурна, и из обоих вместе истекает чудесная яркая вода, в которую садится Солнце, высвобождая свой свет». Солнце — это золото, которое в данном случае погружено в ртуть, часто называемую амальгамой. «Венера, самая яркая звезда, находится в объятиях [Марса]». Венерой называли медь, которую на этом этапе добавляют в смесь. Сей металлургический рецепт, вероятнее всего, является описанием ранних этапов получения «философского камня», к которому стремились все алхимики, поскольку считалось, что с его помощью можно неблагородные элементы превратить в золото.

Лавуазье и его современники сумели пойти дальше этих мистических заклинаний, однако химики даже в то время еще верили в алхимические представления о том, что поведение веществ определяется тремя началами: ртутью (которая разжижает), солью (которая сгущает) и серой (которая делает вещество горючим). «Сернистый дух», также называемый terra pingua («жирная» или «маслянистая» земля), занимал умы очень многих. В начале XVIII века немецкий химик Георг Эрнст Шталь стал называть его флогистоном (от греч. phlog — относящийся к огню).

Считалось, что предметы горят потому, что в них много флогистона. По мере того как предметы поглощаются огнем, они выделяют эту горючую субстанцию в воздух. Если поджечь кусочек дерева, то он перестанет гореть, оставив после себя всего лишь кучку пепла, только когда израсходует весь свой флогистон. Поэтому считалось, что дерево состоит из пепла и флогистона. Аналогичным образом после прокаливания, т. е. сильного нагрева, металла остается белая хрупкая субстанция, известная как окалина. Стало быть, металл состоит из флогистона и окалины. Процесс ржавления — это медленное горение, наподобие дыхания, т. е. реакции, возникающие тогда, когда флогистон выделяется в воздух.

Рассматривался и обратный процесс. Считалось, что окалина напоминала добытую из земли руду, которая затем облагораживалась, подвергаясь восстановлению, или «возрождению», путем нагрева рядом с древесным углем. Древесный уголь испускал флогистон, который сочетался с окалиной, чтобы восстановить блестящий металл.

Само по себе использование гипотетической субстанции, которую нельзя измерить, но можно предполагать, не содержит в себе ничего плохого. В наше время космологи тоже оперируют понятием «темная материя», которая должна существовать, чтобы галактики при вращении не разлетались на куски под действием центробежной силы, и что за расширением Вселенной стоит антигравитационная «темная энергия».

С помощью флогистона ученые могли логично объяснить горение, прокаливание, восстановление и даже дыхание. Химия неожиданно становилась осмысленной.

Тем не менее это не решало всех проблем: окалина, остававшаяся после прокаливания, весила больше, чем исходный металл. Как могло получиться, что после выхода флогистона из вещества оно становилось тяжелее? Как и «темная энергия» четверть тысячелетия спустя, флогистон, по словам французского философа Кондорсе, «приводился в движение силами, противоположными по направлению силе тяжести». Чтобы эта мысль выглядела поэтичней, один химик заявил, что флогистон «окрыляет земные молекулы».

Лавуазье, как и ученые того времени, был уверен в том, что флогистон — одна из основных составляющих вещества. Но к началу экспериментов с алмазами он стал задумываться: а может ли нечто весить меньше нуля?

Сосуд «пеликан» Рисунок Джона Френча из книги «Искусство возгонки» Лондон, 1651 год


Мария-Анна Пьеретт Пользе Автор портрета неизвестен

Его мать умерла, когда он был еще мальчишкой, оставив ему наследство, которого хватило, чтобы вступить в прибыльное предприятие под названием «Главный откуп». Французское правительство заключало с этим консорциумом частных лиц договор на сбор налогов, от которых такие откупщики, как Лавуазье, имели определенную долю. Эта деятельность постоянно отвлекала его от исследований, зато давала доход, позволивший ему через некоторое время стать владельцем одной из лучших лабораторий в Европе. Среди первых экспериментов 1769 года был эксперимент, с помощью которого Лавуазье решил проверить бытовавшее тогда представление о том, что воду можно превратить в землю.

Доказательства были достаточно убедительными: вода, испаряясь на сковороде, оставляет твердый остаток. Но Лавуазье решил докопаться до самой сути, используя сосуд для возгонки, известный как «пеликан». Имея большую круглую емкость в основании и небольшую верхнюю камеру, сосуд был оснащен двумя загнутыми трубками (немного напоминавшими клюв пеликана), по которым пар снова возвращался вниз. Для алхимиков пеликан символизировал жертвенную кровь Христа, поэтому считалось, что сосуд «пеликан» обладает силой преображения. Более того, вода, которая кипела в «пеликане», непрерывно бы испарялась и конденсировалась, так что никакое вещество — твердое, жидкое или газообразное — не смогло бы покинуть систему.

Перегоняя чистую воду в течение ста дней, Лавуазье обнаружил, что осадок действительно существует. Но он догадался, откуда тот берется. Взвесив пустой «пеликан», он обратил внимание на то, что сосуд стал легче. Высушив и взвесив осадок, Лавуазье увидел, что вес осадка достаточно точно соответствует уменьшению веса сосуда, и этот факт натолкнул его на мысль о том, что источником осадка стало стекло сосуда.

Два года спустя, в 1771 году, Лавуазье исполнилось двадцать восемь лет. В том же году он женился. Его избранницей стала Мария-Анна Пьеретт Пользе, тринадцатилетняя дочь еще одного откупщика. (Эта достаточно миловидная девушка к тому времени была помолвлена, и ее второму потенциальному жениху было пятьдесят.) Марии-Анне так понравились научные занятия мужа, что она быстро освоила химию и помогала чем могла: делала записи, переводила английскую научную литературу на французский и выполняла сложнейшие чертежи эксперимента, который оказался настолько элегантен, что ему, как философскому камню, суждено было преобразовать алхимию в химию.

Химики того поколения, к которому принадлежал Лавуазье, уже знали, что, как это удалось сформулировать англичанину Джозефу Пристли, «воздух бывает нескольких видов». Мефитический («зловонный» или «затхлый») воздух заставляет пламя гаснуть, а мышь в нем погибает от удушья. Такой воздух делает мутной известковую воду (гидроокись кальция), образуя белый осадок (углекислая соль кальция). Однако растения хорошо чувствовали себя в этом воздухе и через некоторое время снова делали его пригодным для дыхания.

Еще один удушающий газ образовывался, когда свеча горела какое-то время в закрытом сосуде. Этот газ не осаждал известковую воду, и, поскольку совершенно очевидно был связан с процессом горения, его стали называть флогистонным воздухом, или азотом (от греческого «безжизненный»). Самым таинственным был летучий газ, выделявшийся, когда железные опилки растворялись в разведенной серной кислоте. Он был настолько горючим, что получил название «горючего воздуха». Если этим воздухом надуть шар, то он поднимется высоко над землей.

Сжигание оксида свинца в стеклянном сосуде с помощью увеличительного стекла Рисунок Марии-Анны Лавуазье

Возникал вопрос, являются ли новые виды воздуха химическими элементами или, как предполагал Пристли, модификациями «обычного» воздуха, получаемого путем добавления или извлечения флогистона?

С трудом сдерживая скептицизм, Лавуазье повторил некоторые эксперименты своих коллег. Он подтвердил, что сжигание фосфора с целью получения фосфорной кислоты или сжигание серы с целью получения серной кислоты приводит к получению веществ, вес которых превышает вес использованных веществ, т. е. как и при прокаливании металлов. Но почему происходит указанное изменение? Ему показалось, что он нашел ответ на этот вопрос. Используя увеличительное стекло для нагрева олова, заключенного в герметичный стеклянный сосуд, он обнаружил, что и до опыта, и после вся установка весила одинаково. Медленно открывая сосуд, он слышал, как с шумом воздух врывался внутрь, после чего вес вновь увеличивался. Может быть, предметы горят не потому, что испускают флогистон, а потому, что поглощают какую-то часть воздуха?