Механизм Вселенной

Ньютон просто не мог поверить в рискованный «вариант» мировой машины, где Бог был всего лишь архитектором и создателем, как считал Декарт (и многие другие). Например, он боялся, что пролетающая комета может заставить планету отклониться от орбиты, таким образом требуя, чтобы «рука Бога» исправила эту небольшую астрономическую ошибку.

Это может казаться противоречащим законам движения Ньютона, но Ньютон не видел противоречия. Он рассматривал свои законы как применимые после того, как Бог привел все в движение, и до тех пор, пока все не станет настолько неправильным, что потребуется его вмешательство. Неудивительно, что отказ Ньютона (или, скорее, упрощенная версия механистической философии) навлек на себя критику, в особенности со стороны его вечного соперника, Лейбница.

В письме, написанном в 1715 году и вскоре опубликованном, Лейбниц говорит:

«У сэра Исаака Ньютона и его последователей также есть очень странное мнение относительно того, что делает Бог. Согласно их теории, Господь Всемогущий хочет время от времени “заводить” Вселенную как часы: иначе она прекратит работать. Похоже, он не осознавал, что следует создать мир по принципу вечного двигателя. Нет, Божественная машина, по словам этих господ, столь несовершенна, что время от времени ее приходится заводить… и даже чинить, как часовщик поправляет свою работу…»



Однако Ньютон, пославший свой ответ Лейбницу через Сэмюэла Кларка (1675–1729), считал, что Бог не только архитектор и создатель, но и хранитель. Таким образом, его необходимое вмешательство не является отражением несовершенства конструкции, а скорее «его мастерства, ничто не работает без его непрерывного управления и контроля».

Итак, в то время как Декарт, Лейбниц, Бойль и многие другие видели в механистической философии с мировой машиной объяснение и дополнение существования Бога, Ньютон настаивал, что все это ничто иное как атеизм, который он просто не мог принять.

Пока математики и ученые XVIII и начала XIX века — в частности, Пьер-Симон Лаплас (1749–1827), Леонард Эйлер (1707–1783), Жозеф Луи Лагранж (1736–1813) и Симеон Дени Пуассон (1781–1840) — развивали Ньютоновы законы движения, вера в то, что божья воля необходима для поддержания баланса, прошла. Император Наполеон I прокомментировал «Трактат о небесной механике»[137] Лапласа, заявив, что, хотя он и описывает Вселенную, он не упоминает ее создателя. Лаплас самодовольно ответил: «У меня не было нужды в этой гипотезе».

Удивленный его ответом, Наполеон поделился этим фактом с Лагранжем, который прокомментировал: «Ах, это прекрасная гипотеза; она объясняет множество вещей».

Ньютон, казалось, был в меньшинстве относительно принятия механической философии, исключавшей вмешательство Бога. Возможно, это частично вынудило его исследовать иные науки, включая алхимию.





Свинец в золото




В то время как XVII век увидел начало механистической философии и ее растущую популярность, уже существовала другая «философия» — алхимия. На самом деле к тому времени алхимия уже существовала в множестве форм.

Одно из самых ранних упоминаний алхимии нашли в китайском императорском указе, выпущенном императором Цзином в 144 году до н. э., который установил, что тех, кто изготавливает поддельное золото, например фальшивомонетчиков и алхимиков, следует карать публичной казнью. По-видимому, предыдущий император, Вэнь, позволил алхимикам создавать золото. Это было проблемой для императора Цзина. Проблема заключалась в том, что алхимики создавали поддельное золото, растрачивая деньги (не говоря уже о трате времени), и, следовательно, совершали преступление, чего император Цзин допустить не мог.

Ранняя история алхимии также проявляется в 200 году до н. э. с «Физикой и мистикой» Болоса из Мендеса[138] (грека, жившего в Египте). Тем не менее основное направление развития алхимии пошло из Эллинистического Египта[139], городов дельты Нила, особенно Александрии[140]. Основным вопросом эллинистической алхимии было превращение веществ, в особенности производство золота и серебра из «простых металлов». Это отличало ее от китайской алхимии, которая искала эликсиры долговечности, бессмертия и совершенства человеческой души.

Китайская алхимия была тесно связана с даосизмом и существовала примерно с 300 года до н. э. Подобные мысли присутствовали и в индийской алхимии, возможно, уже в VIII веке до н. э., — санскритская Атхарваведа описывает использование золота как средства продления жизни. Тексты тантрической хатха-йоги, написанные после VIII века, c их мистическим подтекстом сходны по смыслу с китайскими. Действительно, большинство видов алхимии были пронизаны мистицизмом.

Мистика, окружающая алхимию, часто приводила к ее осуждению как вклада в раннюю экспериментальную химию. Тем не менее можно обоснованно утверждать, что определенные аспекты алхимии переходили из одного времени в другое и стали впоследствии экспериментальной химией, которую мы знаем сегодня. Таким образом, алхимия в некотором смысле была скромным началом экспериментальной химии[141].

Большинству из нас знакома основная задача алхимика — преобразование «простых» неблагородных металлов (ртути, свинца, олова, меди и железа) в драгоценные — золото и серебро (в процессе, известном как chrysopoeia, от греч. chryso — «золото», и poeia — «создание»), эту цель преследовали до 1720-х годов. В то время как идея преобразовать один материал в другой сегодня кажется нам смешной, эта идея, по существу, вытекала из философии Аристотеля. Аристотель принял теорию Эмпедокла о четырех элементах, изменив ее и присвоив «качества» каждому из элементов: земля была холодной и сухой; огонь был горячим и сухим; вода была холодной и влажной; воздух был горячим и влажным.

Для алхимика это означало следующее: чтобы превратить одно вещество в другое, нужно поменять одно или оба его свойства на свойства другого. Например, если мы рассмотрим воду (холодную и влажную), то, нагрев ее, алхимик, казалось бы, преобразовал ее в воздух (горячий и влажный), так как вскипяченная вода в конечном итоге испаряется. Аристотель действительно верил в такие преобразования элементов. Кроме того, он полагал, что каждое вещество состояло из всех элементов, отличие было только в соотношениях элементов в этих веществах.

Эту идею развил в своей работе алхимик Джабир ибн Хайян (ок. 721–815)[142]. Джабир последовал примеру Аристотеля, но заменил его концепцию свойств «природами». Однако большая часть его работы была посвящена ртутно-серной теории металлов. Джабир думал, что металлы состоят из ртути и серы. Заметьте, не из любой ртути и серы, а скорее их форм, которые были схожи с обычной ртутью и серой, известным нам сегодня. Джабир считал, что металлы отличаются только чистотой серы и ртути, которую они содержат. Поэтому золото было проявлением самой чистой формы серы и ртути в идеальном отношении.

Однако, так как все металлы содержат серу и ртуть, должно было быть возможно преобразовать любой из них в золото при помощи катализатора, или эликсира, который Джабир назвал по-арабски «al-iksir». Поколения алхимиков унаследовали эту теорию, и в западной алхимии этот эликсир стал известен как философский камень, который обладал силой разделять и перераспределять фундаментальные составляющие материи, тем самым позволяя создавать нечто совершенно новое.

В Средневековье философский камень стал чем-то бо2льшим, чем просто инструментом для преобразования неблагородных металлов в драгоценные золото и серебро. Его стали связывать с эликсиром жизни, который возвращает больному телу идеальное здоровье, обеспечивая долгую жизнь. Поэтому философский камень стали связывать со способностью преобразовать «низшее качество» в «идеальное качество»: обычный сплав — в драгоценный металл, больное тело — в здоровое.

Для средневекового алхимика эта дуальность хорошо вписывалась в представление о «макромире и микромире» (или герметическую философию), в котором человек (микрокосм) был тесно связан со Вселенной (макрокосмом). Таким образом, процесс превращения обычного металла в золото, как верили, имел ту же природу, что и процесс очищения души.

Парацельс (1493–1541)[143], который доработал ртутно-серную теорию металлов Джабира до версии tria prima, утверждал, что вся материя (не только металлы) состоит из «духовных основ»: соли, серы и ртути. Они также были символическими категориями (как и четыре элемента в теории Аристотеля, они обладали приписываемыми качествами), поскольку были основными составляющими материи. Опять-таки, Парацельс говорил не о соли, сере и ртути, которые мы знаем сегодня.

Парацельс первым применил алхимию в медицинских целях, которые он считал главными для этой науки: «Многие считают, что алхимия нужна для создания золота и серебра. Для меня нет иной цели, кроме как изучить, какие действие и сила могут быть скрыты в медицине».

Парацельс считал, что здоровье и болезни имеют отношение к связи человеческого тела и Вселенной. Парацельс рассматривал медицину как средство для достижения «гармонии» между телом и Вселенной. Алхимиков часто воспринимали как воров, жуликов или негодяев, но все же эту науку практиковали люди всех профессий, и ей нередко покровительствовали короли.

Образованный и талантливый Исаак Ньютон начал изучать алхимию приблизительно в 1669 году и продолжал в течение приблизительно тридцати лет. Его алхимические манускрипты насчитывают больше миллиона слов (для сравнения: в Библии 773 692 слова), и частью его личной библиотеки были 138 книг по алхимии. Таким образом, хотя мы знаем его по работам в области физики, называемой классической механикой, или ньютоновской механикой (обсуждаемой в его «Началах»), по сути, он написал больше книг и провел больше времени, изучая алхимию.

Алхимия привлекала Ньютона тем, что, в отличие от механистической философии, которая по существу исключала необходимость существования Бога, алхимия фактически требовала некоего его духовного присутствия. Мы можем это понять из взглядов средневекового алхимика на микромир — макромир и основываясь на точке зрения Парацельса на здоровье и медицину. Кроме того, Ньютон, вероятно, рассматривал алхимию как дающую дополнительное по отношению к механистической философии и менее ограничивающее представление о природе[144].

В XVII веке наука, которую мы теперь называем (экспериментальной) химией, только зарождалась, тогда как алхимию все еще практиковали многие ученые. Однако исторически очень трудно, даже почти невозможно четко разграничить, когда закончилась алхимия и началась экспериментальная химия. На самом деле эти слова были в значительной степени взаимозаменяемыми приблизительно до конца XVII века. Только в начале XVIII века «алхимия» и «химия» приобрели их современные значения. Под «алхимией» теперь понимали исключительно попытки превратить «простые» металлы в золото и серебро.

В конечном счете теория Аристотеля о четырех элементах, как и теория tria prima Парацельса, уступят место более совершенным моделям, а древние атомные теории Демокрита и Эпикура наконец получат свое признание. Алхимия уступит место химии, когда экспериментальные методики, которым она дала жизнь, откроют дорогу рациональной разработке экспериментов. Более того, механистическая философия даст основу всем этим вещам, когда новое поколение ученых уверует, что природу действительно можно понять рационально, как устройство, функционирующее по определенными законам — как мировую машину.





Глава 11

Природа атомов

Физические основы устройства атомов






В течение XVIII века слова «частица», «корпускула», «элемент» и «атом» использовали как синонимы для обозначения строительных блоков вещества. Фактически с тех пор, как 2000 лет назад появилась теория Демокрита, никаких новых догадок о том, что такое атом, не было. Для химика атом как мельчайшая частица вещества был концептуально симпатичен, однако не помогал приблизиться к пониманию его главной заботы: как в материи протекают разные реакции.

Представьте на мгновение, что вы химик конца XVIII века, который работает с реагентами, смешивает их, смотрит, как они взаимодействуют, как протекает химическая реакция, создает новые вещества. Как понимание того, что атом — мельчайшая составная частица материи, поможет вам объяснить протекание химической реакции, которую вы только что наблюдали?

Для многих химиков того времени атом не играл значительной роли в их каждодневных экспериментах. Несомненно, химики нарисовали бы «схемы, где присутствует атом». Однако для большинства химиков они были не более чем инструментом визуализации, полезным в организации размышлений о химической реакции, но не дающим подробного объяснения процесса. Чего химики действительно желали, так это объяснения огромного количества экспериментальных данных.

Как знание об атоме (если бы даже оно существовало) на самом деле могло предоставить такую информацию? Более того, если бы атом был действительно самой маленькой, неделимой частью материи, как бы вы поняли это? Сколько бы он весил? Есть ли различные типы атомов? Вот над чем размышляли некоторые химики.

Со всеми этими атомными теориями, блуждающими вокруг, атом вносил очень мало определенности и предлагал больше путаницы, чем ясности. Было крайне нужно найти путь к ответам на некоторые из этих вопросов. Первое ощущение ясности пришло с уточнением атомного понятия под названием «элемент».





Элементы и атомы




В 1661 году Роберт Бойль написал свою главную работу «Скептический химик». В ней он жестко критикует теории элементов Аристотеля и Парацельса. Что важнее, он предложил идею элемента как чего-то, что нельзя дальше разделить посредством каких бы то ни было экспериментов[145]:

«…определенные простые и примитивные или совершенно однородные тела; которые не состоят из каких-либо иных тел, или друг друга, являются компонентами, из которых состоят все эти так называемые идеально смешанные тела и на которые они в конечном счете распадаются».



Более ста лет спустя, в 1789 году, Антуан Лавуазье повторяет это в «Элементарном трактате о химии»:

«Если мы будем использовать термин “элементы”, чтобы выразить нашу идею о последней точке, которую (химический) анализ может достигнуть, мы должны признать элементами все вещества, до которых мы можем любыми средствами низвести тела в процессе распада».



Конечно, речь шла о средствах, доступных в то время. Таким образом, смогут ли будущие поколения ученых разработать новые методы дальнейшего разделения этих вещей, которые они назвали элементами, показало бы только время. Однако это не было первоочередной проблемой, и не должно было быть. Вот как Лавуазье продолжает:

«Не то чтобы мы наделены правом утверждать, что эти вещества, которые мы рассматриваем как простые, не могут состоять из двух или даже большего количества (элементов); но, раз эти (элементы) нельзя разделить, или раз мы до настоящего времени не обнаружили средства их разделить, для нас они выполняют роль простых веществ, и мы ни в коем случае не должны считать их составными, пока эксперименты и наблюдения не докажут, что это так».



Лавуазье знал, что в будущем то, что в его время называли элементами, может на самом деле оказаться более сложными веществами. Эти вещества, будучи разделенными при помощи новых методов, наконец показали бы, из чего же состоят вещества. Однако важно определение элемента, которое дают Бойль и Лавуазье.

Как уже упоминалось, тогда понятие атома было расплывчатым. Но, дав атомам физическую индивидуальность, концепция элемента начала расчищать путь. Элемент — это атом определенного типа, это действительно так просто.

Уникальные особенности атома, зависящие от его элемента, определяют то, как он будет взаимодействовать с другими элементами. Наши знания об этих взаимодействиях дают нам основу понимания химических реакций, и именно через эти химические реакции вещество «создается» и «разрушается».

По состоянию на август 2018 года мы знаем о 126 элементах, тогда как Лавуазье в «Элементарном трактате по химии», изданном в 1789 году, определил тридцать три, среди которых были теплород и свет. Он включал и известные сегодня элементы: кислород, азот и водород. Были и другие элементы, с которыми мы знакомы сегодня, — золото, серебро, железо, медь, олово и ртуть.





Как объединяются элементы




В 1789 году Лавуазье показал, что общая масса (или вещество) сохраняется — она не изменяется от начала до конца химической реакции[146]. Другими словами, если вы тщательно взвесите исходные материалы (реагенты) и получите значение, равное одному грамму, сумма конечных материалов (продуктов), после того как химическая реакция закончилась, тоже будет равняться одному грамму[147]. Все очень просто. В ходе химической реакции никакая масса не прирастает, никакая масса не исчезает. Так что же именно происходит?

По-видимому, «вещи» просто «реорганизовывают» себя. В конце концов, если ничего не теряется и не появляется, но то, что вы получили на выходе, отличается от того, что было в начале, — значит, вещи каким-то образом переставляются, верно?

Давайте рассмотрим эту ситуацию на примере карт. Скажем, у нас есть совершенно новая колода карт, прямо из пакета (исходные материалы, или реагенты), и теперь мы перетасовываем колоду карт (химическая реакция) и получаем как бы новую колоду (конечный продукт). Очевидно, эта новая вещь — просто измененная колода карт. То есть никакие карты не были потеряны или добавлены в нее (если я только не хочу сжульничать в карточной игре); скорее, просто порядок карт поменялся.

Так, химическая реакция подобна колоде перетасовываемых карт. Джон Дальтон (1766–1844) пришел к заключению, что как меняют порядок предметы, так меняют порядок и атомы элементов, составляющие исходные материалы. Таким образом, закономерно возникает следующий вопрос: если мы хотим провести химическую реакцию, сколько исходных материалов необходимо, чтобы получить желаемые конечные материалы?

Другими словами, действительно ли важно реальное количество, или нужна какая-либо сумма перемешанных друг с другом исходных материалов, чтобы получить желаемый конечный материал? Возможно, химические реакции похожи на кулинарию, где вы просто добавляете «часть» этого или «немного» того. Клод Луи Бертолле (1748–1822), ученик Лавуазье, думал именно так.

Когда вы готовите яблочный пирог, вы можете использовать пять яблок, шесть яблок и так далее, но большинство из нас просто назовет его «яблочным пирогом», не описывая его как «яблочный пирог из пяти яблок» или «яблочный пирог из шести яблок». Бертолле именно так представлял, что элементы объединяются в ходе химической реакции при создании нового соединения.

Бертолле был уважаемым ученым, идеи которого имели вес в научном сообществе на рубеже XIX века. Он полагал, что элементам, составляющим сложное вещество, не нужно находиться в определенных соотношениях друг с другом, они могут браться в различных пропорциях, и в результате получится та же самая смесь продуктов — тот же самый «яблочный пирог». Кроме того, по данным Бертолле, соотношения количеств элементов в соединении определены количествами используемых исходных материалов. Поэтому, если исходные материалы подобраны так, что некоторые элементы используются в бо2льших количествах, чем другие элементы, у конечного продукта реакции в составе так же будет больше элементов. Как и в кулинарии, если в рецепт добавить больше сахара, блюдо будет слаще.

Эта концепция не устраивала Жозефа Луи Пруста (1754–1826), он не считал химию кулинарным искусством. Пруст провел детальные исследования в хорошо оборудованной лаборатории и обнаружил, что формирующие определенное вещество элементы не находятся друг с другом в переменных пропорциях, а эти соотношения фиксированы. Таким образом, различные соотношения тех же самых элементов дают в результате разные соединения, а не просто вариации одного и того же соединения, как считал Бертолле, — таким образом, действительно имеет значение, используете ли вы пять яблок или шесть. Пруст объясняет это так:

«…свойства соединений неизменны, пока неизменна пропорция составляющих их элементов. В этих двух аспектах они идентичны. Вследствие смены агрегатного состояния этих веществ может измениться их внешний вид, но не свойства».