Леонид Пономарев - По ту сторону кванта

Мы много раз сравнивали атом с солнечной системой, хотя и не придавали глубокого смысла этой аналогии. Тем более неожиданно, что солнечная система, как и атом, тоже подчиняется некоему «правилу квантования». Это правило не имеет ничего общего с квантовой механикой, но тем не менее любопытно, что расстояния планет от Солнца (как и радиусы орбит в атоме) меняются не беспорядочно, а подчиняются довольно строгому закону.

Факт этот был известен Иоганну Кеплеру, и еще в молодости, много размышляя о «гармонии сфер», он пришел к выводу, что в промежутках между сферами, построенными на орбитах планет, можно вписать пять правильных многогранников.

Профессор Даниэль Тициус в 1772 году выпустил в Бонне книгу «Созерцание природы», в которой привел табличку расстояний от Солнца до планет в условных единицах (расстояние до ближайшей к Солнцу планеты Меркурий принято за 4).

Меркурий… 4 = 4;

Венера…… 7 = 4 + 1 3;

Земля……. 10 = 4 + 2 3;

Марс…….. 16 = 4 + 4 3;

Юпитер…… 52 = 4 + 16 3;

Сатурн…… 100 = 4 + 32 3.

Позднее прибавился

Уран……. 196 = 4 + 64-3.

Впоследствии Боде уточнил закон Тициуса, приняв расстояние до Меркурия за 8 условных единиц и записав общую формулу для планетных расстояний в виде: R = 8 + 3 2n,

где п = 0, 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8.

Замечательно, что в приведенной схеме нет планеты с номером n = 5, которая должна была бы помещаться между Марсом и Юпитером. Но как раз в этом месте расположен пояс астероидов — малых планет. По мнению астрономов, это осколки некогда существовавшей большой планеты Фаэтон.

Закон Тициуса и Боде еще до конца не понят, хотя существует несколько его доказательств (одно из них принадлежит советскому ученому Отто Юльевичу Шмидту). По-видимому, полное объяснение закону будет найдено вместе с разгадкой происхождения нашей солнечной системы.

ГЛАВА ПЯТАЯ

Представьте, что вы решили изучить жизнь клетки. Вы ставите над нею всевозможные опыты: нагреваете, облучаете, разрушаете и тщательно рассматриваете в микроскоп. Однако все ваши знания о ней будут неполны, пока вы не вспомните, что клетка — это часть живого организма и только в нем проявляет всю полноту своих свойств.

Нечто похожее произошло и в науке об атоме. До сих пор мы намеренно пытались изолировать атом и отбирали только те опыты, которые могут прояснить свойства отдельного атома. Однако задолго до всех этих опытов, которые доказали сложную структуру атома, Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907) установил, что атомы различных элементов образуют единый организм — естественную систему элементов.

Через год после создания периодической системы элементов он писал:

«Легко предположить, но ныне пока еще нет возможности доказать, что атомы простых тел суть сложные вещества, образованные сложением некоторых еще меньших частей (ультиматов), что называемое нами неделимым (атом) — неделимо только обычными химическими силами… однако, несмотря на шаткость и произвольность такого предположения, к нему невольно склоняется ум при знакомстве с химией. Оттого такое учение повторяется в разных формах уже давно, и выставленная мной периодическая зависимость между свойствами и весом, по-видимому, подтверждает такое предчувствие, если можно так выразиться, столь свойственное химикам».

Надо сказать, что химиков никогда не могла удовлетворить мысль о независимом множестве качественно различных элементов. Поэтому они всегда стремились свести их качественное многообразие к простой и ясной идее; атомы различных элементов представляют собой различные скопления частиц одного и того же рода.

Такие попытки начались уже в древности и в дальнейшем развивались по двум различным путям.

Демокрит верил, что все вещества в природе построены из атомов, а свойства веществ зависят от различных сочетаний атомов.

Аристотель утверждал, что все сущее состоит из элементов, которые сами являются носителями определенных качеств.

Отголосок этого давнего спора дошел даже до наших дней: при слове «атом» у нас невольно возникает зрительный образ чего-то твердого и массивного; при словах «химический элемент» мы пытаемся представить себе некое чистое качество, безотносительно к его носителю. Быть может, поэтому учение о химических элементах вначале развивалось совершенно независимо от идеи об атомах. Впоследствии оба учения так переплелись, что их перестали различать, но, как мы только что убедились, до сих пор не удалось преодолеть психологический барьер между ними.

Пути науки неисповедимы, а истоки многочисленны. До сих пор мы подробно проследили «физические истоки» науки об атоме. Теперь пришло время отыскать ее «химические истоки».

УЧЕНИЯ ДРЕВНИХ

Философы ионической школы, знаменитым представителем которой был Фалес Милетский (640–546 г. до н. э.), признавали только один элемент — воду, «на которой покоится Земля и которая дала начало всему что есть». Впоследствии Эмпедокл (490–430 г. до н. э.) добавил к воде еще три элемента: землю, огонь и воздух. Наконец, Аристотель (384–322 г. до н. э.) к этим четырем элементам присоединил пятую сущность — qumta essentia, воспоминание о которой сохранилось до сих пор в слове «квинтэссенция».

Нечто похожее было создано и в индийской философии. Но в отличие от греков — материалистов, которые под элементами понимали вещества, воздействующие на наши органы чувств, в Индии элементы представляли себе как некие проявления всемогущего духовного начала. Этих проявлений-элементов в индийской философии было пять — по числу чувств, способных их воспринять: эфир — слух, ветер — осязание, огонь — зрение, вода — вкус и земля — обоняние. Философ Канада, о котором мы упоминали в самом начале, добавил к ним еще четыре элемента: время, пространство, душу (атман) и манас (средство, с помощью которого душе передаются впечатления от чувств). Кроме того, он утверждал, что четыре элемента: земля, вода, огонь и воздух — состоят из атомов.

В средние века учение об элементах возродили алхимики, среди которых обычно отмечают египтянина Зосима, араба Гебера (Абу-Муза-Джабер-бен-Гайян-эк-Куфи) (X век) и Альберта Великого (XII век).

Под элементами алхимики (вслед за Аристотелем) понимали не вещества, а качества, или «принципы». Ртуть служила «принципом» металлического блеска, сера — горючести, соль — растворимости. Они были убеждены, что, смешав эти «принципы» в надлежащих пропорциях, можно получить любое вещество в природе.

Как правило, со словом «алхимия» связывают сказки о превращении ртути в золото, о получении эликсира жизни и прочие чудеса. Если порыться в архивах, то там можно найти, например, сочинение Гебера, в котором он всерьез обсуждает вопрос: «Почему, как всем известно, облако не дает дождя, когда женщина выходит из дома голой и обращается лицом к этому облаку?»

Но, кроме этих заведомых глупостей, алхимики изобрели спирт и уже одним этим оправдали свое существование. Основная же их заслуга состоит в том, что стихийное экспериментирование, которому предавались алхимики, привело постепенно к накоплению фактов, без которых наука химия никогда бы не возникла.

ПЕРВЫЕ ПОПЫТКИ

В XVII веке алхимия вместе с натурфилософией уступила место химии и физике. В 1642 году появилось сочинение Иоахима Юпгиуса (1587–1657) «Диспуты о принципах материи», которое он вполне в духе века заканчивает словами:

«Какие принципы должны быть признаны первичными для однородных тел, может быть познано не путем догадок, а только на основании добросовестных, детальных и прилежных наблюдений».

В 1661 году вышла в свет знаменитая книга Роберта Бойля «Скептический химик», в которой он определил химические элементы как «некоторые примитивные, или простые, или совершенно несмешанные вещества».

По существу, это первое и почти современное определение элемента: элемент — это прежде всего вещество, а вовсе не «принцип», субстрат или идея. Оставалось пока неясным, как выделять элементы из природных веществ и по какому признаку можно отличить чистые элементы от их смеси или соединения. Например, сам Бойль полагал, что вода чуть ли не единственный чистый элемент, в то время как золото, медь, ртуть и серу относил к химическим соединениям и смесям.

Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794) принял целиком учение Бойля об элементах, но он жил столетием позже, и ему этого было уже недостаточно: он хотел научиться выделять элементы из химических соединений. По-видимому, он был одним из первых, кто использовал весы не для приготовления порошков и смесей, а для целей исследования. Он исходил из предположения, которое сейчас кажется тривиальным, но в эпоху флогистона требовало немалой смелости: