Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Р. Бойль изучал воздух и выяснил, что его можно сжимать и расширять (см. ч. I). Другими словами, можно менять объем воздуха, а его масса при этом остается неизменной. Если бы вещество было неделимо, тогда это было бы просто невозможно: когда мы растягиваем резиновый жгут, то его длина увеличивается, однако уменьшается его толщина, следовательно, объем не меняется.

Воздух больше похож на губку: ее можно сжать или, наоборот, растянуть — при этом сильно изменится объем губки, а вес останется неизменным. Пример с губкой можно объяснить наличием огромного количества пустот с воздухом внутри ее. Когда мы сжимаем губку, воздух выходит из этих полостей и губка уменьшается в размерах, а когда мы ее растягиваем, то воздух, наоборот, заходит внутрь.

Возможно, подобные полости есть в самом воздухе, и когда мы сжимаем или расширяем воздух, то сжимаются и расширяются именно эти полости. Можно представить, что воздух состоит из мириад мельчайших частиц, разделенных пустотой. Во время сжатия эти частицы подвигаются ближе друг к другу, а во время расширения, наоборот, удаляются друг от друга. Таким образом, объем будет меняться, а масса, которая зависит от количества частиц, а не от расстояния между ними, останется неизменной. Другие свойства газов также удобнее объяснять с атомистической точки зрения.

Конечно же с точки зрения атомизма можно рассматривать не только газы, но и твердые вещества и жидкости, так как последние путем нагревания легко превращаются в газ и пар. Таким образом, кипящая вода, да и вода при нормальной температуре превращается в пар — газ, плотность которого намного меньше плотности воды. С помощью конденсации пар снова можно превратить в воду. Объяснить это можно тем, что вода также состоит из атомов, но эти атомы расположены очень близко друг к другу, а поскольку для сжатия воды нужно давление гораздо большее, чем для сжатия газов, то, возможно, атомы еще и тесно между собой связаны. Когда жидкость испаряется, эти связи между молекулами разрушаются, а при конденсации они вновь восстанавливаются.

Но даже после столь подробных объяснений наука не приняла теорию атомизма, ведь она касалась микроскопических объектов, которые невозможно было обнаружить ни одним прибором того времени.

Окончательному же становлению атомизма способствовало появление все новых и новых химических доказательств. Рассказ об этом я начну с объяснения, что такое элемент.

Первыми о природе фундаментальной субстанции или субстанций (или элементов), из которых состоит все во Вселенной, заговорили древние греки. Их умозаключения не были основаны на реальных химических опытах, поэтому, по сути, являлись лишь догадками, но поскольку древние греки были людьми весьма умными, то и их догадки были весьма разумны.

Аристотель (384–322 гг. до н.э.) суммировал труды греческих философов в этой области, создав список четырех основных элементов мира: земля, вода, воздух и огонь, и пятый элемент, из которого состоят небеса, — эфир (см. ч. I). Если вместо названий стихий использовать родственные слова «твердый», «жидкий», «газообразный» и «энергия», то становится ясно, что в догадках действительно есть доля разумного.

Греческая идея четырех стихий просуществовала две тысячи лет, однако в 1600 году благодаря работам Галилео Галилея (1564–1642) ученые стали больше внимания уделять экспериментам, а не просто идеям. Элемент, или стихию, нужно путем экспериментов определить как нечто способное или неспособное делать что-либо, а не как просто что-то существующее, то есть дать определение, как мы говорим сейчас, с практической точки зрения.

В 1661 году Роберт Бойль написал книгу под названием «Химик-скептик», где он объяснил суть элемента. Если все мироздание действительно состоит из элементов, то каждый элемент должен являться простейшей, неделимой субстанцией, и тогда элемент нельзя создать из еще более мелких субстанций. Если же субстанцию можно разбить на еще более мелкие субстанции, то это уже не элемент.

Землю можно легко разделить на более простые субстанции, значит, земля — не элемент. Век спустя вода и воздух были разделены на еще более мелкие частицы, значит, вода и воздух — тоже не элементы. Что касается четвертой стихии, то химики пришли к выводу, что огонь — это вообще одна из форм энергии, значит, он не принадлежит к элементам.

После Бойля химики еще долгое время вообще не могли ничего утверждать об элементах, так как опасались, что совершенствующаяся техника экспериментов могла разделить казавшиеся ранее неделимыми субстанции.