Одним из выдающихся естественнонаучных достижений М. В. Ломоносова является его молекулярно-кинетическая теория тепла.
В середине XVIII века в европейской науке господствовала теория теплорода, впервые выдвинутая Робертом Бойлем. В основе этой теории лежало представление о некой огненной (или, как вариант, холодообразующей) материи, посредством которой распространяется и передается тепло, а также огонь.
М. В. Ломоносов обращает внимание научного сообщества на то, что ни расширение тел по мере нагревания, ни увеличение веса при обжиге, ни фокусировка солнечных лучей линзой, не могут быть качественно объяснены теорией теплорода. Связь тепловых явлений с изменениями массы отчасти и породили представление о том, что масса увеличивается вследствие того, что материальный теплород проникает в поры тел и остается там. Но, спрашивает М.В. Ломоносов, почему при охлаждении тела теплород остаётся, а сила тепла теряется?
Опровергая одну теорию, М. В. Ломоносов предлагает другую, в которой с помощью бритвы Оккама он отсекает лишнее понятие теплорода. Вот логические выводы М. В. Ломоносова, по которым, «достаточное основание теплоты заключается»:[8]
1. «в движении какой-то материи» – так как «при прекращении движения уменьшается и теплота», а «движение не может произойти без материи»;
2. «во внутреннем движении материи», так как недоступно чувствам;
3. «во внутреннем движении собственной материи» тел, то есть «не посторонней»;
4. «во вращательном движении частиц собственной материи тел», так как «существуют весьма горячие тела без» двух других видов движения «внутреннего поступательного и колебательного», напр. раскалённый камень покоится (нет поступательного движения) и не плавится (нет колебательного движения частиц).
Эти рассуждения имели огромный резонанс в европейской науке. Теория, как и полагается, более критиковалась, нежели принималась учеными. В основном критика была направлена на следующие стороны теории:
1. Частицы М.В. Ломоносова обязательно шарообразны, что не доказано (по мнению Рене Декарта прежде все частицы были кубические, но после стерлись до шаров);
2. Утверждение, что колебательное движение влечет распад тела и потому не может служить источником тепла, тем не менее, общеизвестно, что частицы колоколов колеблются веками и колокола не рассыпаются;
3. Если бы тепло путем вращения частиц передавалось лишь передачей действия, имеющегося у тела, другому телу, то «б и куча пороху не загоралась» от искры;
4. И так как, вследствие затухания вращательного движения при передаче его от одной частицы к другой «теплота Ломоносова купно с тем движением пропала; но сие печально б было, наипаче в России»[9].
М.В. Ломоносов утверждает, что все вещества состоят из корпускул – молекул, которые являются «собраниями» элементов – атомов. В своей диссертации «Элементы математической химии» (1741; незакончена) учёный дает такое определения: «Элемент есть часть тела, не состоящая из каких-либо других меньших и отличающихся от него тел… Корпускула есть собрание элементов, образующее одну малую массу».
В более поздней работе (1748) он вместо «элемента» употребляет слово «атом», а вместо «корпускула» – партикула (лат. particula) – «частица» или «молекула» (лат. molecula). «Элементу» он придаёт современное ему значение – в смысле предела делимости тел – последней составной их части. Древние говорили: «Как слова состоят из букв, так и тела – из элементов». Атомы и молекулы (корпускулы и элементы) у М. В. Ломоносова часто также – «физические нечувствительные частицы», чем подчёркивает, что эти частицы чувственно неощутимы. М. В. Ломоносов указывает на различие «однородных» корпускул, то есть состоящих из «одинакового числа одних и тех же элементов, соединенных одинаковым образом», и «разнородных» – состоящих из различных элементов. Тела, состоящие из однородных корпускул, то есть простые тела, он называет началами (лат. principium).[10]
Своей корпускулярно-кинетической теорией тепла М. В. Ломоносов предвосхитил многие гипотезы и положения, сопутствовавшие дальнейшему развитию атомистики и теорий строения материи. В его тезисах, логических построениях и доказательствах можно наблюдать следующие аналогии с представлениями, ставшими актуальными более чем сто лет спустя: атомы – шарообразные вращающиеся частицы – следующий шаг был сделан только с гипотезой электрона (1874; точнее, ещё позже – с появлением модели вращательного движении частиц вокруг ядра – электронная конфигурация, вращательная симметрия), увеличение скорости вращения сказывается повышением температуры, а покой – предвосхищает мысль об абсолютном нуле и невозможности его достижения (второе начало термодинамики – 1850; по Дж. Джоулю (1844) теплота – следствии вращательного движения молекул; теплота, как следствие вращения частиц – у У.Д. Рэнкина – при обосновании второго закона термодинамики); М. В. Ломоносов, при ошибочной исходной тезе о соприкосновении частиц (но – вращательном!), тем не менее, впервые использует геометрическую модель для доказательства, связанного с формой, строением и взаимодействием разной величины шарообразных атомов; опытным путём вплотную приблизился к открытию водорода; дал кинетическую модель идеального газа, по отдельными положениям, при ряде поправок – соответствующую принятой в дальнейшем; демонстрирует зависимость между объёмом и упругостью воздуха, тут же указывает на дискретность её для воздуха при сильном его сжатии, что определяет конечный размер его молекул – настоящая мысль применена Я.Д. Ван-дер-Ваальсом в выводе уравнения реального газа; рассматривая тепло и свет (1756–1757), М. В. Ломоносов приходит к выводам о вращательном («коловратном») распространении частиц тепла и волновом («зыблющемся») – частиц света (в 1771 году тепловое излучение, «лучистую теплоту», рассматривает К.В. Шееле); русский учёный говорит об одном происхождении света и электричества, что, при определённых поправках на общие представления времени, сопоставимо с положениями электромагнитной теории Д.К. Максвелла. Некоторые из этих утверждений в той или иной форме в дальнейшем высказывались другими учёными, в едином рассмотрении – никем. Справедливость этих аналогий и предшествие гипотез М.В. Ломоносова достаточно убедительно показаны химиком и историком науки Н.А. Фигуровским и многими другими учёными.[11]
Выводы механической теории теплоты, подтвердив саму её, впервые обосновали гипотезу об атомно-молекулярном строении материи – атомистика получила объективные естественнонаучные доказательства. С корпускулярной теорией и молекулярно-кинетическими взглядами М. В. Ломоносова напрямую связанно его понимание актуальности закона сохранения вещества и силы (или движения). Принцип сохранения силы (или движения) для него стал начальной аксиомой в рассмотрении им аргументов в обосновании молекулярного теплового движения. Принцип этот регулярно применяется им в ранних работах. В диссертации «О действии химических растворителей вообще» (1743) он пишет: «Когда какое-либо тело ускоряет движение другого, то сообщает ему часть своего движения; но сообщить часть движения оно не может иначе, как теряя точно такую же часть». Аналогичны соображения о принципе сохранения вещества, показывающего несостоятельность теории теплорода. Руководствуясь им, М. В. Ломоносов выступает с критикой идей Р. Бойля о преобразовании огня в «стойкую и весомую» субстанцию.
Являясь противником теории флогистона, М.В. Ломоносов, тем не менее, вынужден был делать попытки согласования её со своей «корпускулярной философией» (например, объясняя механизм окисления и восстановления металлов, «состав» серы – рационального понимания явлений не было, отсутствовала научная теорией горения – еще не был открыт кислород), что было естественно в современной ему всеобщей «конвенциональности» относительно теории «невесомых флюидов» – иначе он не только не был бы понят, но его идеи вообще не были бы приняты к рассмотрению. Но учёный уже подвергает критике Г. Э. Шталя: «Так как восстановление производится тем же, что и прокаливание, даже более сильным огнем, то нельзя привести никакого основания, почему один и тот же огонь то внедряется в тела, то из них уходит».
Основные сомнения М.В. Ломоносова связаны с вопросом невесомости флогистона, который, удаляясь при кальцинации из металла, даёт возрастание веса продукта прокаливания – в чём учёный усматривает явное противоречие «всеобщему естественному закону». М.В. Ломоносов оперирует флогистоном как материальным веществом, которое легче воды – по существу указывая на то, что это – водород. В диссертации «О металлическом блеске» (1745) он пишет: «…При растворении какого-либо неблагородного металла, особенно железа, в кислотных спиртах из отверстия склянки вырывается горючий пар, который представляет собой не что иное, как флогистон, выделившийся от трения растворителя с молекулами металла (ссылка на „Диссертацию о действии химических растворителей вообще“) и увлеченный вырывающимся воздухом с более тонкими частями спирта. Ибо: 1) чистые пары кислых спиртов невоспламенимы; 2) извести металлов, разрушившихся при потере горючих паров, совсем не могут быть восстановлены без добавления какого-либо тела, изобилующего горючей материей». К аналогичному выводу («горючий воздух» – флогистон, позднее названный водородом), более 20 лет спустя пришел английский ученый Г. Кавендиш, который был уверен, что его открытие разрешает все противоречия теории флогистона. Идентичный вывод М. В. Ломоносова в работе «О металлическом блеске» (1751) остался незамеченным.
М.В. Ломоносов своей «корпускулярной философией» не только подвергает критике наследие алхимии и ятрохимии, но, выдвигая продуктивные идеи, использовавшиеся им на практике – формирует нов
Физическая химия
В 1740-х годах в М.В. Ломоносов в «собственноручных черновых тетрадях» «Введение в истинную физическую химию» (лат. Prodromus ad verum Chimium Physicam), и «Начало физической химии потребное молодым, желающим в ней совершенствоваться» (лат. Tentamen Chymiae Physicae in usum studiuosae juventutis adornatum) уже дал абрис будущего курса новой науки, более строго оформившийся к январю 1752 года, о чём учёный пишет в итогах 1751-го: «Вымыслил некоторые новые инструменты для Физической Химии», а в итогах 1752-го – «диктовал студентам и толковал сочиненные мною к Физической Химии пролегомены на латинском языке, которые содержатся на 13 листах в 150 параграфах, со многими фигурами на шести полулистах». Тогда М.В. Ломоносовым была намечена огромная программа изучения растворов, которая не полностью реализована и по сию пору.
М.В. Ломоносовым были заложены основы физической химии, когда он сделал попытку объяснения химических явлений на основе законов физики и его же теории строения вещества. Леонард Эйлер говорит о М.В. Ломоносове не только и не столько как о сформировавшем новую научную методику, сколько как о первенствующем в основоположении новой науки – физической химии вообще.
Важной особенностью той науки, основу которой заложил М. В. Ломоносов, явился его метод, подразумевающий исследование связи физических и химических явлений. Постоянно занимаясь практической наукой, он находит подтверждение в ней своим теоретическим воззрениям, но не только тому служит эксперимент – учёный применяет его для развития практики как таковой, опирающейся на понимание закономерностей тех или иных процессов. Настоящая методика касается не только химии и физики, но и вопросов химизма, сопровождающего электрические опыты и оптические явления – свойств объектов исследования, химического их состав и молекулярного строения. Все эти факторы говорят о хорошо осознанной, разработанной и последовательно применяемой системе взглядов и приёмов, которая, с точки зрения теории познания даёт корректное экспериментальное подтверждение гипотезам, способным вследствие того становиться основой теории. Этот методологический круг можно определить, перефразируя самого учёного, как «оживляющий» теорию и делающий практику «зрячей».
Наука о стекле
В своей Химической лаборатории М. В. Ломоносов в 1752–1753 годах впервые за всю историю науки читал курс физической химии студентам академического университета. А разрешение на строительство этой лаборатории он смог получить только после трёхлетних усилий – это была первая научно-исследовательская и учебная лаборатория в России.
В октябре 1748 года, когда она, наконец, была построена, и получила оборудование, изготовленное по чертежам и проектам самого учёного, он начал проводить в ней экспериментальные исследования по химии и технологии силикатов, по обоснованию теории растворов, по обжигу металлов, а также – осуществлял пробы руд.
Здесь он провёл более 4-х тысяч опытов. Им разработана технология цветных стёкол (прозрачных и «глухих» – смальт). Эту методику он применил в промышленной варке цветного стекла и при создании изделий из него.
Стекольное производство того времени имело в своём распоряжении весьма скудный ассортимент реактивов, что, конечно, сказывалось на окраске изделий: производившееся Санкт-Петербургским стеклянным заводом было в основном бесцветно, или окрашено в синий и зелёный цвета. Немецкий стеклодел Иоганн Кункель ещё в XVII веке обладал секретом красного стекла – «золотого рубина» (известен ещё в Древнем Риме – включение золота при варке). Но и Кункель унёс в могилу свою тайну. М. В. Ломоносов был одним из первых, кто разгадал эту рецептуру.
Учёный работал со стёклами и другими силикатными расплавами ещё в процессе изучения им технологии горнорудного и металлического дела в Германии. В 1751 году Санкт-Петербургский Стеклянный завод через Академию наук заказал исследования по разработке цветных стёкол М. В. Ломоносову.
Эмпирическая технология стеклоделия тогда применялась только практиками, не владевшими никакими научными методами. М. В. Ломоносов и его однокашник Д. И. Воробьёв, создатель русского фарфора, первыми заявляют о необходимости знания химии для создания стёкол. М. В. Ломоносов сумел доказать необходимость лабораторного и производственного персонала.
Важной стороной ломоносовской методологии явилась присущность ему качеств отличного систематизатора, что сказывалось на теоретической упорядоченности исследований и строго последовательном, контролируемом технологическом цикле.
В четырёхлетних фундаментальных научных исследованиях по химии стекла, проводившиеся М. В. Ломоносовым, и потребовавших упомянутых четыре тысячи опытов, можно наблюдать три крупных этапа:
· Расширение ассортимента исходных материалов.
· Получение сравнительно чистых разных минеральных красителей – посредством химической обработки природных и искусственных соединений.
· Изучение действия красителей на стекло
Работы проводились на чрезвычайно высоком методическом уровне, для каждого из вышеозначенных факторов производилась большая самостоятельная серия опытов, когда количественное участие его систематически изменялось в очень широких пределах. Были правильно организованы опытные плавки (точные размеры тиглей – современные практически не отличаются от использовавшихся М. В. Ломоносовым); строго соблюдалось единообразие условий опытов; впервые в практике соблюдалась строгая дозировка компонентов; точное навешивание; строгая и аккуратная, контролируемая система хранения тысяч эталонных образцов; регулярное и неукоснительное ведение подробного лабораторного журнала (самим М.В. Ломоносовым); впервые очень чётко сформулирован вопрос о влиянии состава стекла на его свойства. Сейчас целесообразность такой постановки исследования очевидна, но в то время это было новаторством – теоретическая часть особенно интересовала учёного. Он пишет: «…прилагаю я возможное старание, чтобы делать стёкла разных цветов, которые бы помянутым художествам годны были и в том имею нарочитые прогрессы. При всех сих практических опытах записываю и те обстоятельства, которые надлежат до химических теорий»[12].
Одновременно он занимается и теорией цвета, что пребывает в отчётливой связи с настоящими и другими его исследованиями. Он интересовался природой света и цветов с самого начала своей научной деятельности. Тогда же, в ходе размышлений о природе цветов, им был задуман ряд опытов с цветными стёклами. И в согласовании со своими теоретическими исследованиями эти эксперименты М.В. Ломоносов получил возможность проводить с 1748 года в своей Химической лаборатории, когда им были получены такие стёкла, рецептуры которых нашли применение впоследствии, при создании его мозаичных работ. Результатом этого комплкса научных исследований явилось также создание им собственной теории света и цвета, основывающейся на представлении о распространении света посредством колебания частиц эфира, заполняющего мировое пространство.
Множество разнообразно окрашенных стёкол было получено М.В. Ломоносовым при весьма ограниченном наборе элементов, использовавшихся в качестве включений, влиявших на цветность (ныне применяющиеся с этой целью хром, уран, селен, кадмий, попросту ещё не были открыты в то время) – очень искусно варьируя приёмы химической обработки в восстановительных и окислительных условиях при изменении состава стекла за счёт введения свинца, олова, сурьмы и некоторых других веществ.
Богатейшие красные тона получены в результате добавки меди для смальт, называемых мастерами мозаики «скарцетами» и «лаками». Очень большого умения требует их варка, которая до сих пор не всегда бывает успешной. Медь использовалась учёным также для получения зелёных и бирюзовых оттенков. И поныне знатоки мозаичного искусства очень высоко ценят полихромные качества ломоносовских смальт, и многие считают, что таких замечательных красных и зелёных оттенков крайне редко и мало кому удавалось получить.
В 1753–1754 годах недалеко от Ораниенбаума в деревне Усть-Рудицы Копроского уезда М. В. Ломоносов получает для строительства стекольной фабрикие земельный надел, а в 1756 году земли были ему жалованы в вечное пользование. При постройке этой фабрики учёный проявляет свои инженерные и иконструкторские способности, начиная с выбора места строительства, расчётов строительных материалов и ориентации на превоклассные ямбургские пески и достаточное количество леса для стеклеплавильных печей и пережигания на золу; – пректирования цехов завода, детальной разработкаи технологического процесса, конструирования лаборатрных и производственных печей, оригинальных станков и инструментов; – и кончая оофрмлением графических материалов, которые выполняются им также собственноручно или при непосредственном его руководстве. Усть-Рудицкая фабрика представляла собой своеобразное и в полной мере новое стекольное промышленное предприятие, и поскольку руководил ею создатель науки о стекле, ведущее место отведено было лаборатории, причём находившейся в процессе эксперимента и в постоянном совершенствовании. Певрначально на фабрике выпускался только бисер, пронизка, стеклярус и мозаичные составы (смальты). Через год появляются различные «галантерейные изделия»: гранёные камни, подвески, броши и запонки. С 1757 года фабрика начинает выпускать столовые сервизы, туалетные и письменные приборы – всё из разноцветного стекла, по большей части бирюзового. постепменно, по прошествии нескольких лет, было налажено производство крупных вещей: дутых фигур, цветников, украшений для садов, литых столовых досок.
Эта страница деятельности М.В. Ломоносова – яркий пример органичного сочетания всего разнообразия его способностей: как увлечённого учёного-теоретика, в совершенстве владеющего экспериментом, практика, очень удачно реализующего найденное в ходе расчётов и опытов, умелого организатора производства, вдохновенного художника-дилетанта, наделённого природным вкусом, умеющего с толком применить свои познания и в этой области.