Первые теории строения мира

Первые теории о том, как устроены вещества, почему они такие разные и как могут превращаться друг в друга, появились более 2500 лет тому назад. В то время нал этими вопросами размышляли философы; в переводе с греческого слово «философ» означает «любитель мудрости».

С древних времен одним из главных вопросов, занимающих философов, был вопрос: из чего все состоит? Первым на него попытался ответить греческий философ Фалёс (640—550 ло н. э.). Он полагал, что, поскольку одни вещества могут превращаті>ся в другие, все они «сделаны» из одного и того же «первичного вещества» и являются ТОЛЬКО 10 его разновидностями. Таким веществом Фалес считал воду, причем, конечно, не воду в реке, а воду как некую идеальную субстанцию, которая является «прародительницей» всего остального. Действительно, всякий знает, что чистая вода не имеет ни формы, ни цвета, ни запаха. Более того, она легко переходит из одного состояния в другое — замерзает в лед или превращается в пар. Многотысячелетни назад среди вечных снегов в Альпах, на территории современной Швейцарии, нашли очень красивые, совершенно бесцветные кристаллы, весьма напоминающие чистый лед. Древние натуралисты так их и назвали — «крис-таллов; это слово происходит от греческого «криос» — «лед». Полагали, что лед, образующийся в горах, на сильном морозе, становится твердым как камень н теряет способность таять при нагревании. Один из самых авторитетных античных философов Аристотель (384-322 до н.

Ярой альпийской зимой лед превращается в камень.

Солнце не в силах затем камень такой растопить.

(Пер. М. Ильинского)

Любопытно, что такой же ход рассуждений был и у мудрецов древнего Китая и Японии - лед и горный хрустать обозначали там одним и тем же словом. Интересно, как в разных странах и в разное время людям приходят в голову одни и те же идеи! Со временем, конечно, стаю ясно, что горный хрусталь и лед - различные вещества. Однако оба термина сохранились: «кристалл» — в физике, химии, минерало- гии, «хрусталь» — в стекольном деле, где хрусталем называют особое стекло, например, с добавками соединений свинца.

Если вода может застыть в красивый твердый минерал, а также превратиться в пар, то почему она не может превратиться и во все остальное? Идея о воде как «первичном элементе» помогала объяснять единство вечно существующей материи: «Ничто не возникает из ничего, и ничто не исчезает, — писал греческий философ Анаксагор (ок. 500-428 до н. э.), — происходит только перераспределение тех ве- шей, которые существовали прежде». Это была очень глубокая и, по существу, правильная идея.

Конечно, древние не знали, да и не могли знать, что же представляют собой эти первоначала. Не все соглашались с Фатесом. Были философы, считавшие, что первооснова всех вешей — воздух, который, сгущаясь, превращается в воду и землю, а из них возникает все остальное. Другие полагали, что первоэлементом является огонь - ведь он так переменчив, так непостоянен. Но почему должно быть только

Н

ОЛІЮ «НСрНОІІЛЧЛ HI" lit tl.hil О Mill ІІСріІІГІМЬІИ ИІЄМЄНТ, из которого все и jiijct|XH'iin? Почему ніс ¦¦ tcia in мировою конструктора» должны бы N. о МШЛКОНЫМН'' < Корее BCCI'Q, и\ больше но сколько?

Сейчас it iiiccriio, что в природе существует около 90 различных «лернонмча і ¦ томов.

Многие философы, и среди нихЭмиедокл (ок. 400 —ок. 430 до и. э.) и Аристотель, считали, что «первичных начал» всего четыре — это «земля», «вода», «воздух» и «огонь». Эти слова взяты в кавычки, потому что «вода» у Аристотеля - это не знакомая всем жидкость, а, как у Фалеса, лишь носитель определенных качеств: влажности и холода. Чем больше в каком-нибудь теле «поды», тем оно холоднее и более влажное. Соединение элементов с противоположными свойствами невозможно: теплота не может соединиться с холодом, а влага с сухостью. По Аристотелю, свойства элементов комбинируются попарно (рис. 1.3): вода влажная н холодная, огонь сухой и горячий, воздух теплый и влажный, земля холодная и сухая.

Рис. 1.3. Элементы Аристо теля и сочетай]!!! с разными «качествами»

К этим четырем «земным элементам» Аристотель присоединил нема- териальный, «эфирный» элемент, который проникает во все вещи — qui та essentia, т. е. «пятая сущность»; вот откуда возник термин «квннтэссеп- ция», который означает самое главное, важное, наиболее существенное.

Можно ли из четырех «первичных начал» и «эфира» построить все остальные тела/ Аристотель и его последователи считали, что можно, если четыре «первичных начала» с помощью «пятой сущности» способны превращаться друг в друга. Так, вола может превращаться в воздух и землю, потому что их общим свойством является влажность. Таким образом появилась «химическая теория», показывающая, как одни вешества могут превращаться в другие.

Рис. 1.4. Няіь правильных многогранников - Платоновых тел: I тетраэдр: - - октаэдр; J - икосаэдр:

4 куй: J - додекаэдр

Великий греческий философ Платон (ок. 428 - ок. 348 но н. э.) сделал очень интересную вешь: он уподобил каждое «первоначало» правильному выпуклому многограннику. Іаких многогранников существует всего пять, и их часто называют «Платоновыми телами» (рис. 1.4), Напомним, что правильным называется выпуклый многогранник, построенный из одинаковых правильных многоугольников. Например, из четырех равносторонних треугольников можно сделать тетраэдр— многогранник с четырьмя вершинами, четырьмя гранями п шестью ребрами, т. е. фигуру в форме пакета, в котором когда-то продавали молоко. Кстати, «тетра» по-гречески означает «четыре», а «эдра» — «поверхность, сторона». Из шести квадратов легко получается второе платоново тело — куб. Из восьми равносторонних треугольников состоит октаэдр, в переводе с греческого — «восьмигранник» (представьте себе две египетские пирамиды, сложенные вместе своими основаниями, - это и будет октаэдр). Из двенадцати правильных пятиугольников получается двеналпатигранник — додекаэдр. Икосаэдр («энкос» по-гречески «двадцать») состоит из двадцати равносторонних треугольников. Других правильных многогранников не существует. Попробуйте склеить все эти фигурки из бумаги. Кстати, это не просто забава. Именно такой «детской игрой» занимались ученые, открывшие новый тип молекул, построенных из атомов углерода; они назвали их фуллеренами — по имени современного архитектора Роберта Бакминстера Фуллера, который строил купола из многогранников. За это открытие они в 1996 году получили высшую научную награду — Нобелевскую премию по химии. Самая симметричная и кра-сивая молекула — бакминстерфуллерен - имеет 60 вершин и состоит из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников. Конечно, эта фигура не является правильной (ведь в ней есть и пяти-, и шестиугольники), зато она выглядит точно так же, как современный футбольный мяч!

Самое интересное, что Платон, пораженный совпадением количества правильных многогранников с числом «сущностей» природы, посчитал это равенство отнюдь не случайным.

Далеко не все философы соглашались с таким представлением об устройстве мира. Так, Демокрит (ок. 460 ок. 370 до и. э.) считал, что все тела состоят из множества мельчайших частичек, названных им атомами (в переводе - «неделимые»). Лої ично было предположить, что существуют различные «сорта» атомов с разными размерами и формой. Они могут спеиляться друг с другом, например, с помощью крючочков или как-нибудь иначе. Скомбинировав атомы разными способами, как детали в конструкторе, можно получать разные вещества, а также превращать одни вещества в другие. Считали, например, что золото и серебро «растут» иод землей, когда атомы группируются в нужном по-рядке. Поэтому не удивительными кажутся попытки, предпринимавшиеся в течение многих веков, превратить неблагородные металлы в благородные.

Учение о том, что все вещества состоят из мельчайших частиц, получило название атомистической теории. Эта теория — одно из наи-более важных, фундаментальных понятий в науке. Догадки древних, основанные лишь на размышлении, в принципе не так уж далеки от современных представлений: существует ограниченное число различных типов атомов (т. е. элементов), которые могут по-разному соединяться друг с другом, давая огромное разнообразие веществ с разными свойствами. А процесс перестройки взаимного расположения атомов составляет сущность химической реакции. Атомистическая теория была величайшим достижением человеческого разума. Очень образно о ней сказал лауреат Нобелевской премии по физике Ричард Фейнман (1918-1988): «Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это - атомная гипотеза (можно называть ее не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет): все тела состоят из атомов — маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому.

Никаких реальных «доказательств» существования атомов у древних, конечно, не было и быть не могло - только рассуждения. Например такие: что будет, если, допустим, яблоко разрезать пополам? Сейчас ответ очевиден даже малому ребенку: получатся две половины яблока. А если каждую половину снова разрезать пополам? Получатся четвертинки. Потом - восьмушки, потом - шестнадцатые доли... Через некоторое время, скажете вы, придется взять увеличительное стекло и лезвие бритвы, потом - микроскоп и специальные инструменты. А потом? Те из вас, кто учился музыке, возможно, вспомнят основу музыкальной грамоты: целая по длительности нота делится на половинки, последние — на четверти, потом идут восьмые доли, шестнадцатые, тридцать вторые, очень редко — шестьдесят четвертые... Меньшими долями композиторы обычно не пользуются, так как их уже трудно «втиснуть» в нужный отрезок времени. О связи музыки и химии мы еще поговорим, а пока подумаем над таким вопросом: можно ли (хотя бы теоретически) создавать все более и более короткие звуки? И есть ли у этого процесса предел? Вопрос этот на самом деле очень непрост, и ответ на него так же не очевиден, как и в случае с яблоком: возможно ли до бесконечности делить его на все более и более мелкие части, или когда-то наступит предел? Древнегреческий философ Ленкипп (ок. 500— 440 до п. э.) был, возможно, первым человеком на Земле, который две с половиной тысячи лет назад понял (рассуждая чисто логически), что процесс «разрезания яблока» должен рано или поздно прекратиться. Это произойдет тогда, когда мы дойдем до мельчайших частичек, из которых состоят не только яблоки, но и все остальные тела. Эти частички ученик Левкипиа - Демокрит назвал атомами. Демокрит считал, что существуют различные «сорта» атомов с разными размерами и формой. Именно этим объясняются различия в свойствах разных тел.

Атомистически и взгляд на мир очень образно и поэтично изложил древнеримский поэт и философ Тит Лукрещіі'і Кар (ок. 99—55 до н. э.), которого обычно называют просто Лукрецием. В своей поэме «О природе вещей» он ни разу не употребил слова «атом», хотя и был знаком с этим понятием. Вместо него он использовал более десятка синонимов: «начала», «первоначала», «семена вещей» и др. Некоторые из них («корпускула», «элемент») позднее стали научными терминами. Атомистическое учение Лукреция во многом совпадает с современными представлениями. И если бы последние два тысячелетия его поэму изучали во всех существовавших тогда учебных заведениях, история человечества могла пойти по совершенно иному пути.

Теперь самое время ознакомиться с некоторыми строчками заме-чательной поэмы Лукреция.

Прежде всего Лукреций предупреждает читателя, что «начала» так малы, что увидеть их нет никакой возможности. Однако размышления над природными процессами убеждают нас в том, что они все же существуют, а не являются плодом фантазии. Вот, почитайте выдержки из его поэмы в переводе Ф. А. Петровского:

...Начала вещей недоступны для глаза...

Существуют тела, которых мы видеть не мож ем.

Запахи мы обоняем различного рода,

Хоть и не видам совсем, как в ноздри они проникают.

II. наконец, iui морі ком чг/hw. pa шинающем во ты. Платы" сырее ucivda, о ті і о шце пит. оно сохнет; Нидеть, однако, іі<- п. и/, а іік і. иі.чі но нем оседает. Да и не видна то.к. как она пае мет от іноя. {начат, дробшт ч тч)а на такие мельчайшие части, Что недоступніона совершенно дли нашего глаза. Гак н ко а.1(о а ту три, что долгое время на пальце Посшнси, и і roily « год становится тоньше и тоньше; Нам очевидно, что вещь от стиранья становится меньше. По отделение тел, из нее каждый миг уходящих, Пашим глазам усмотреть запретила природа ревниво.

Чем не современное объяснение атомной теории строения вещества? Лукреций уверен, что атомы, в отличие от видимых тел, не стареют, не разрушаются, а существуют в неизменном виде вечно и только переходят из одних тел в другие. При этом общее число атомов в мире постоянно:

...Существуют такие тела, что и плотны, и вечны: Это — вещей семена и начала в учении нашем, То, из чего получился весь мир. существующий ныне... Первоначалам должно быть присуще бессмертное тело, Чтобы все вещи могли при кончине на них разлагаться. И не иссяк бы запас вещества...

Первоначала вещей, таким образом, просты и плотны. Иначе ведь не могли бы они. сохраняясь веками, От бесконечных времен и досель восстанавливать веши.

А вот как Лукреций объясняет, каким образом из одних и тех же атомов могут получаться разные вещи: он проводит аналогию между порядком сочетания атомов, соединяющихся друг е другом, и букв, образующих множество разных слов:

Часто имеет еще большое значенье, с какими И в положеныі каком войдут в сочетание те же Первоначала и как она двигаться будут взаимно. Те же начала собой образуют ведь небо и землю. Солнце, потоки, моря, деревья, плоды и животных... Даже и в наших стихах постоянно, как можешь заметить, Множество слов состоит из множества букв однородных, Но и стихи, и слова, как ты непременно признаешь. Разнятся между собой и по смыслу и также по звуку. Видишь, как буквы сильны лишь одним измененьем порядка. Что же до первоначал, то они еще больше имеют Средств для того, чтоб из них возникали различные вещи. Лукреций уверен, что многообразие тел можно объяснить не только различным способом соединения атомов между собой, но и тем, что сами атомы отличаются друг от друга. Действительно, интересно ли играть с конструктором, в котором все детали одинаковы? (На самом деле такие «конструкторы» существуют — это кубики, но ведь это игра для самых маленьких.)

Что же до первоначал, то они еще больше имеют Средств для того, чтоб из них воїни кал и различные вещи, Нет ни одной из вещей. доступных для нашего взора. Чтоб она из начал состояла вполне однородных; Нет ничего, что различных семян не являлось бы смесью.

Поразительно, но Лукреций предполагал, невидимому, делимость атомов! Во всяком случае, именно так можно понимать следующие строчки из его поэмы:

Предположи, например, что тела изначальные будут Три или несколько больше частей заключать наименьших; Если затем ты начнешь эти части у данного тела Переставлять или снизу наверх, или слева направо, То обнаружишь тогда, сочетания все их исчерпав, Все изменения форм, что для этого тела возлюжны; Если ж иные еще получить ты желаешь фигуры, — Части другие тебе прибавить придется.

А вот еще один довод Лукреция в пользу существования мельчайших частиц материи, находящихся в постоянном движении:

Вот посмотри: всякий раз. когда солнечный свет проникает В наши жилища и мрак прорезает своими лучами, Множество маленьких тел в пустоте, ты увидишь, мелькая, Мечутся взад и вперед в лучистом сиянии света. Знай же: идет от начал всеобщее это блужданье. Первоначала вещей сначала движутся сами. Следом за ними тела из мельчайшего их сочетанья. Близкие, как бы сказать, по силам к началам первичным. Скрыто от них получая толчки, начинают стремиться Сами к движенью, затем побуждая тела покрупнее. Так, исходя от начал, движение мало-помалу Наших касается чувств и становится видимым также Нам и в пылинках оно. что движутся в солнечном свете. Хоть незаметны толчки, от которых оно происходит... Первоначала вещей уносятся собственным весом Или толчками других.

Современная наука не подтвердила этот вывод древнего философа: пылинки в луче солнца слишком велики, чтобы молекулы воздуха могли на них действовать и пляшут» о: од влиянием потоков воздуха.

Но, наблюдай значительно более мелкие пылинки под микроскопом, можно увидеть их «пляску», действительно вызванную ударами молекул. Так НТО в принципе Лукреций правильно описал явление, открытое английским ботаником Робертом Броуном (1773—1858) в 1827 году и теоретически объясненное только в XX веке, в том числе в работе знаменитого физика Альберта Эйнштейна (1879—1955).

Теоретические построения древнегреческих философов были первым]! научными построениями. На их основе через много веков зародились современные науки, в числе которых была и химия. Вез древней атомистической теории не только химия, но и все естественные науки не могли бы развиваться. Однако на протяжении еше многих столетий лишь малая часть философов и ученых разделяла гипотезу о существовании атомов. Ну а все, что касалось размеров атомов, их массы, формы и т. п., оставалось тайной за семью печатями, и не было лаже надежды, что эту тайну удастся раскры ть.