Неоткрытые открытия, или Кто это придумал?. Часть первая. Споры о приоритете (Марина Рабинович, 2018)

Открытие кислорода: Джозеф Пристли, Карл Вильгельм Шееле, Антуан Лоран Лавуазье

Классический спор о приоритете открытия кислорода затрагивает имена сразу трех ученых, имеющих законное право претендовать на звание первооткрывателя. Это шведский химик Карл Вильгельм Шееле (1742–1786), английский священник Джозеф Пристли (1733–1804) и французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794).

Первым исследователем, получившим относительно чистую пробу кислорода, был шведский аптекарь Карл Вильгельм Шееле (1742–1786).

Он родился 9 декабря 1742 года в Штральзунде (Померания), тогда находившемся в Шведском королевстве. В детстве посещал частный пансион, учился в гимназии. Поступив в ученичество в аптеку Бауха в Гетеборге (1756), освоил основы фармации и лабораторной практики, усердно изучал (главным образом по ночам) труды химиков И. Кункеля, Н. Лемери, Г. Шталя. Обучение, по обычаям того времени, должно было длиться около десяти лет, но Карл Шееле уже через шесть лет успешно сдал экзамены и получил звание аптекаря. В совершенстве овладев профессией, он перебирается в Стокгольм и приступает к самостоятельным научным изысканиям.

За свою карьеру Карлу Шееле довелось потрудиться в аптеках Стокгольма (1768–1769), Упсалы (1770–1774), Чепинга (1775–1786).

Работы и открытия Шееле охватывают всю химию того времени: учение о газах, химический анализ, химию минералов, начала органической химии (еще не ставшей самостоятельной наукой). Первая его работа была посвящена кислотам: винной, выделенной им в 1769 году из соли – «винного камня» (гидротартрата калия), и плавиковой (фтороводородной), выделенной из плавикового шпата – фторида кальция. В 1774 году, исследуя пиролюзит («черную магнезию»), Шееле доказал, что это соединение неизвестного металла, впоследствии названного марганцем. В этом же исследовании была открыта «тяжелая земля» – оксид бария. Действуя на «черную магнезию» соляной кислотой, Шееле открыл зеленоватый удушливый газ, который назвал «дефлогистированной соляной кислотой». Природа газа была позднее определена другими учеными, и его назвали хлором.

После переезда сначала в Упсалу (здесь Шееле тоже ждала большая аптека), а потом – в маленький и тихий городок Чепинг исследования пытливого аптекаря продолжились и дали поразительные результаты. Шведский химик оказался автором стольких открытий, что их хватило бы на добрый десяток ученых. Многие его открытия относились к получению и очистке кислот.

В 1775 году Шееле приготовил мышьяковую кислоту, в 1782–1783 гг. – синильную (циановодородную) кислоту, в период с 1776 по 1785 гг. – целый набор органических кислот: мочевую, щавелевую, молочную, лимонную, яблочную, галловую, а также глицерин.

Он показал, что молочная кислота, выделенная из кислого молока, отличается от аналогичной кислоты, полученной из других источников. Объяснение этому явлению было найдено спустя столетие, после открытия изомеров. Чрезвычайно интересен его метод получения синильной кислоты из угольного ангидрида, угля и аммиака. Этот опыт некоторые авторы рассматривают как первый органический синтез, проведенный за сорок лет до Фридриха Вёлера, немецкого химика, занимавшегося синтезом карбамида. В процессе получения синильной кислоты Шееле выделил краску, названную «берлинской лазурью».

Шееле первым получил и исследовал перманганат калия – всем известную «марганцовку», которая теперь широко применяется в химических экспериментах и в медицине, разработал способ получения фосфора из костей, открыл сероводород. Окислением молибденита получил «молибденовую землю», то есть молибденовый ангидрид. Обрабатывая кислотами минерал тунгстен, получил «тунгстеновую кислоту» – вольфрамовый ангидрид. Впоследствии минералоги назвали вольфрамит кальция в честь ученого шеелитом.

Наиболее значительный труд Карла Вильгельма Шееле – «Химический трактат о воздухе и огне» (Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer, 1777 г.). Эта книга описывает результаты его многочисленных экспериментов 1768–1773 гг. по исследованию газов и процессов горения. Из трактата видно, что Шееле – независимо от Пристли и Лавуазье и за два года до них – открыл кислород и подробно описал его свойства. При этом кислород он получал несколькими способами: прокаливанием оксида ртути (как это сделали Пристли и Лавуазье), нагреванием карбоната ртути и карбоната серебра и др. Несомненно, Шееле первым (в 1772 г.) «держал в руках» чистый кислород.

В Упсале химик начал изучать природу огня, что привело его к необходимости задуматься над тем, какое участие воздух принимает в горении. Ему уже было известно, что сто лет назад Роберт Бойль и другие ученые доказали, что свеча, уголь и любое другое горючее вещество или тело могут гореть только там, где достаточно много воздуха.

Воздух тогда считали элементом – однородным веществом, которое нельзя расщепить на более простые составные части. Шееле тоже сначала придерживался этого мнения. Но он стал проводить опыты с различными химическими веществами в герметически закрытых сосудах – и был вынужден изменить свои представления. Какие бы вещества ни пытался Шееле сжигать в закрытых сосудах, он всегда обнаруживал одно и то же явление: воздух, который находился в сосуде, обязательно уменьшался при горении на одну пятую часть, и по окончании опыта вода обязательно заполняла одну пятую часть объема колбы. И его озарила догадка: воздух не является однородным.

Далее он стал изучать разложение множества веществ нагреванием и получил газ, который поддерживал дыхание и горение. По некоторым данным, уже в 1771 году Карл Шееле при нагреве пиролюзита с концентрированной серной кислотой наблюдал выделение «виртольного воздуха» – кислорода.

Желая раскрыть загадку огня, Карл Шееле неожиданно обнаружил, что воздух – не элемент, а смесь двух газов, которые он назвал воздухом «огненным» и воздухом «негодным». Но тайна огня и полученного им «огненного» воздуха так и осталась для Шееле тайной. Виной всему была господствовавшая в те времена теория флогистона: считалось, что всякое вещество может гореть только в том случае, если в нем присутствует некая материя – флогистон, а горение представляет собой распад сложного горючего вещества на флогистон и другие составные части.

Карл Шееле и сам был сторонником этой теории, а потому объяснял, что «огненный воздух» имеет большое сродство («влечение») к флогистону, отчего и сгорает в нем так быстро, а «негодный» воздух не имеет влечения к флогистону, поэтому в нем и гаснет всякий огонь. Это было довольно правдоподобно, но оставалась одна загадка, которая казалась совершенно необъяснимой: куда уходит во время горения «огненный» воздух из закрытого сосуда? Наконец он придумал такое объяснение: когда сгорает какое-нибудь тело, говорил он, то выделяющийся из него флогистон соединяется с «огненным» воздухом, и это невидимое соединение настолько летуче, что оно незаметно просачивается сквозь стекло, как вода сквозь сито.

С флогистоном покончил другой великий химик XVIII века – француз Антуан Лавуазье. И сразу странное исчезновение «огненного воздуха» и многие другие непонятные явления потеряли всю загадочность.

Шееле действительно был первым исследователем, получившим относительно чистую пробу кислорода (1772). Однако он опубликовал свои результаты позже, чем это сделал Джозеф Пристли (в 1777 г.), поэтому формально не может считаться первооткрывателем кислорода. Впрочем, многие академические издания по химии отдают приоритет именно Карлу Вильгельму Шееле. Кроме того, ему принадлежит неоспоримый приоритет открытия других химических элементов – хлора, фтора, бария, молибдена и вольфрама.

Шееле не имел высшего образования и был рядовым аптекарем, тем не менее в 32 года его избрали членом Стокгольмской академии наук. Ему предлагали кафедру в Упсальском университете, работу в центре шведской горнометаллургической промышленности в Фалуне, кафедру в Берлинском университете, однако ученый отклонил все предложения, предпочитая заниматься своими опытами.

Годы упорного самоотверженного труда, к сожалению, подорвали здоровье этого поразительного человека – он прожил всего 44 года.

В истории химии с открытием цианистого водорода Шееле связан еще один миф: якобы первооткрыватель погиб в момент открытия. На самом деле Шееле впервые получил синильную кислоту из желтой кровяной соли в 1782 году, а умер через четыре года. Не подлежит сомнению, однако, что Шееле погубили органолептические методы исследования4. В XVIII веке было принято пробовать на вкус продукты реакции, а Шееле, помимо цианидов, работал с соединениями ртути и мышьяка… Умер К. В. Шееле в Чепинге 21 мая 1786 г.

Вторым официально признанным претендентом на лавры первооткрывателя кислорода стал Джозеф Пристли (1733–1804), английский священник и химик.

Первого августа 1774 года Джозеф Пристли наблюдал выделение «нового воздуха» при нагревании ртутной окалины с помощью двояковыпуклой линзы без доступа воздуха. Это твердое вещество было известно еще алхимикам как жженая ртуть. На современном химическом языке это вещество называется оксидом ртути.

Получаемый при нагревании оксида ртути неизвестный газ Пристли выводил через трубку в сосуд, заполненный не водой, а ртутью: ученый ранее уже убедился, что вода слишком хорошо растворяет газы. В собранный газ Пристли из любопытства внес тлеющую свечу, и она вспыхнула необыкновенно ярко.

В 1774 году Пристли писал: «Я поместил под перевернутой банкой, погруженной в ртуть, немного порошка “меркуриус кальцинатус пер се” (оксид ртути). Затем я взял небольшое зажигательное стекло и направил лучи солнца прямо внутрь банки на порошок. Из порошка стал выделяться воздух, который вытеснил ртуть из банки. Я принялся изучать этот воздух. И меня удивило, даже взволновало до глубины души, что в этом воздухе свеча горит лучше и светлее, чем в обычной атмосфере».

Сам Пристли, будучи, как и Шееле, сторонником теории флогистона, тоже так и не смог объяснить суть процесса горения; он защищал свои представления даже после того, как Антуан Лавуазье обнародовал новую теорию горения.

Да, Пристли получил особый, неизвестный газ, в этом его сторонники правы. Но проба газа, полученного ученым, не была чистой, и если получение кислорода с примесями считать его открытием, тогда то же в принципе можно сказать обо всех тех, кто когда-либо заключал в сосуд воздух.

Кроме того, если Пристли считать первооткрывателем, то когда в таком случае было сделано открытие, тоже сложно судить. В 1774 году он считал, что получил закись азота, то есть разновидность газа, которую он уже знал, а через год – что полученный газ является дефлогистированным воздухом, но еще не кислородом.

Третий официальный претендент на звание первооткрывателя кислорода, французский химик Антуан Лавуазье (1743–1794), начал работу, которая привела его к открытию, сделанному уже после эксперимента Джозефа Пристли в 1774 году, и, возможно, благодаря намеку с его стороны. Из своих собственных опытов и предшествовавших опытов Пристли и Шееле Лавуазье уже знал, что с горючими веществами связывается лишь одна пятая часть воздуха, но природа этой части была ему неясна. Когда же Пристли в 1774 году сообщил ему об обнаружении «дефлогистированного воздуха», он сразу понял, что это и есть та самая часть воздуха, которая при горении соединяется с горючими веществами. Повторив опыты Пристли, Лавуазье понял, что атмосферный воздух состоит из смеси «жизненного» (кислород) и «удушливого» (азот) воздуха, и объяснил процесс горения соединением веществ с кислородом.

В начале 1775 года Лавуазье сообщил, что газ, получаемый после нагревания красной окиси ртути, представляет собой «воздух как таковой без изменений, за исключением того, что он оказывается более чистым, более пригодным для дыхания». К 1777 году, вероятно, не без второго намека Пристли, Лавуазье пришел к выводу, что это газ особой разновидности, один из основных компонентов, составляющих атмосферу. Правда, сам Пристли как сторонник теории флогистона с таким выводом никогда бы не согласился.

Таким образом, важнейшей фигурой в истории открытия кислорода все же следует считать Лавуазье, а не Шееле и Пристли. Они просто выделили новый газ – и только.

Исследования Антуана Лавуазье сыграли выдающуюся роль в развитии химии XVIII века. Речь идет прежде всего о создании им теории горения, ознаменовавшей отказ от теории флогистона, что кардинально отличает его работы от экспериментов Шееле и Пристли.

В борьбе со сторонниками теории флогистона у Лавуазье был замечательный союзник, который хорошо помогал ему в работе. Шееле и Пристли тоже имели такого союзника, но они не всегда пользовались его услугами и не придавали большого значения его советам. Главным помощником Лавуазье были… весы.

Приступая к какому-нибудь опыту, Лавуазье почти всегда тщательно взвешивал все вещества, которые должны были подвергнуться химическому превращению, а по окончании опыта снова взвешивал.

Как и Шееле, Лавуазье тоже пробовал сжигать фосфор в закрытой колбе. Но Лавуазье не задавался вопросом, куда исчезает пятая часть воздуха при горении, весы давали ему совершенно точный ответ. Перед тем как поместить кусок фосфора в колбу и поджечь, Лавуазье его взвесил. А когда фосфор сгорел, Лавуазье взвесил всю сухую фосфорную кислоту, оставшуюся в колбе. По теории флогистона, фосфорной кислоты должно было получиться меньше, чем было фосфора до горения, так как, сгорая, фосфор разрушался и терял флогистон. Если даже допустить, что флогистон вовсе не имеет веса, то фосфорная кислота должна весить ровно столько, сколько весил фосфор, из которого она получилась. Однако выяснилось, что белый иней, осевший на стенках колбы после горения, весит больше сгоревшего фосфора. Следовательно, та самая часть воздуха, которая якобы исчезла из колбы, в действительности вовсе не уходила из нее, а просто соединилась во время горения с фосфором. Из этого соединения и получилась фосфорная кислота (сейчас мы называем это вещество фосфорным ангидридом). Лавуазье понимал, что горение фосфора не исключение. Его опыты показали, что всякий раз, когда сгорает любое вещество или ржавеет металл, происходит то же самое.

Опыты по изучению горения веществ Лавуазье начал в 1772 году и к концу года представил в Академию результаты, которые считал важными. В прилагаемой им записке сообщалось, что при сгорании серы и фосфора вес продуктов горения становится больше, чем вес исходных веществ, за счет связывания воздуха, а вес свинцового глета (оксида свинца) при восстановлении до свинца уменьшается, при этом выделяется значительное количество воздуха.

В 1877 году ученый выступил со своей теорией горения на заседании Академии наук. Сделанные им выводы существенно ослабляли основы теории флогистона, а окончательное поражение ей было нанесено исследованиями состава воды. В 1783 году Лавуазье, повторив опыты Кавендиша по сжиганию «горючего» воздуха (водорода), сделал вывод, что «вода не есть простое тело», а является соединением водорода и кислорода. Ее можно разложить пропусканием водяного пара через раскаленный докрасна ружейный ствол. Последнее он доказал совместно с лейтенантом инженерных войск Ж. Менье.

Так кто же, в конце концов, является первооткрывателем кислорода? И когда он был открыт? Претензии Антуана Лавуазье на этот счет являются более убедительными и основательными, но они также оставляют почву для сомнений. Все дело в том, что подробное изучение свойств кислорода и его роли в процессах горения и образования окислов привело Лавуазье к выводу о том, что этот газ представляет собой кислотообразующее начало, что является неверным. В 1779 году Лавуазье даже ввел для кислорода название «oxygenium» (от греч. «окис» – кислый, и «геннао» – рождаю) – «рождающий кислоты».

С 1777 года и до конца своей жизни Лавуазье настаивал на том, что кислород представляет собой атомарный «элемент кислотности» и что кислород как газ образуется, только когда соединяется с «теплородом» («материей теплоты»). Понятие «элемент кислотности» было изгнано из химии только после 1810 года, а понятие теплорода умирало до 60-х годов ХIХ века.

Так что, строго говоря, то, о чем писал Лавуазье в своих статьях, начиная с 1777 года, было не столько открытием кислорода, сколько кислородной теорией горения.

Поэтому разумно все же называть авторами открытия всех троих – ведь без исследований Шееле и Пристли Лавуазье вряд ли пришел бы к своим революционным выводам. Или потратил бы на опыты слишком много времени.

Химическая связь атомов: Эдуард Франкленд, Арчибальд Скотт Купер, Фридрих Август Кекуле, Александр Бутлеров

Происхождение термина «валентность» представляется возможным отследить с 1425 года, когда его начали использовать в научных текстах в значении «экстракт», «препарат». Первое использование в современных понятийных границах зафиксировано в 1884 году.

В 1789 году Уильям Хиггинс опубликовал работу, в которой высказал предположение о существовании связей между мельчайшими частицами вещества, однако представление о химической связи атомов в молекуле, по сути, отсутствовало вплоть до середины XIX века. Собственно говоря, отсутствовало и само атомно-молекулярное учение, оно было лишь одной их гипотез, которую многие химики подвергали сомнению. Тем не менее уже тогда существовали химические формулы и уравнения, в той или иной мере отражавшие определенные превращения веществ. Что же это были за формулы и как их составляли, ведь атомы и молекулы еще считались чем-то потусторонним, недоступным для непосредственного изучения?

Основой для формулы вещества был его элементарный состав. Известно, например, что вода состоит из водорода и кислорода, причем их весовое отношение в воде – 1:8. Во всех соединениях, где обнаруживался водород, на его долю всегда приходился наименьший весовой «пай». Весовое содержание других элементов всегда было больше. Если вместо водорода в вещество вводился другой элемент, то «пайный» вес этого элемента также оказывался значительно большим, чем вес замещенного им водорода. «Пайный» вес водорода в воде был принят за единицу, а весовое количество любого другого элемента, способного соединяться с «паем» водорода в воде, стали выражать в этих единицах. Если в воде кислорода в восемь раз больше, чем водорода, значит, «пайный» вес кислорода равен 8.

Количество какого-либо другого элемента, соединяющееся с весовым «паем» водорода в воде или, что аналогично, с одним «паем» кислорода, равным 8, называли «пайным» (или эквивалентным) весом этого элемента. Закон простых кратных отношений был своего рода «квантовой теорией» химии XIX века: элементы соединяются друг с другом определенными порциями, что и приводит к их целочисленным весовым отношениям. Эквивалентные веса и были этими «квантами» (порциями), вступающими в химическое соединение.

Каждый элементарный «пай» обозначался символом соответствующего элемента – Н, О и т. п. В воде, по условию, на один «пай» водорода приходился один «пай» кислорода. Отсюда давняя формула воды – НО. Долгое время для углерода принимался «пайный» вес 6, и формула метана писалась в виде С₂Н₄. Сто с небольшим лет назад химические формулы многих веществ имели столь же странный и непривычный для нас вид (Н₅ – сероводород, КО + НО – едкий калий и т. п.).

Не надо считать эти формулы абсурдными: определенную часть истинно химического смысла они все же отражали – элементарный состав вещества, весовое соотношение входящих в него элементов. Современному читателю легко заметить, что «пайные» веса углерода (6), кислорода (8), азота (7), серы (16) равны половине их атомных весов, принятых сегодня. Однако в то время истинный атомный вес определять не умели. Если элементы и называли «атомами», то лишь подразумевая под этим некоторое минимальное количество элемента, вступающее в химическое соединение.

Основой для дальнейшего движения вперед послужило развитие представлений о химической частице (молекуле) и окончательное принятие большинством химиков атомно-молекулярного учения. В связи с этим был сформулирован важнейший для химии вопрос: сколько атомов того или иного сорта способен присоединять к себе данный атом и является ли это число постоянным, характерным для рассматриваемого элемента?

Ответить на этот вопрос было бы не так трудно, если бы различные элементы всегда соединялись друг с другом только в строго постоянных отношениях. Однако сплошь и рядом эта столь желанная простота не обнаруживалась. К примеру, многие металлы образуют по два, а то и по три различных соединения с кислородом, а азот дает их целых пять. Это же свойство многие элементы проявляют и в соединениях с хлором, серой, водородом и т. д. В бесконечном множестве соединений углерода вообще с трудом можно отыскать закон кратных отношений: он соединяется с другими элементами в самых причудливых и далеко не всегда простых отношениях.

Но вот в 1849 году 23-летний английский химик Эдуард Франкленд открывает новый класс органических соединений, в которых атомы металла связаны с простейшими остатками органических молекул – радикалами (метилом, этилом и т. п.). Сначала он получил органические соединения цинка, затем – ртути, бора, олова, свинца. Новые соединения обладали удивительными, совершенно новыми свойствами и привлекли к себе общее внимание, к тому же число их быстро росло.

Уже в 1853 году Франкленд обнаружил одно любопытное явление. Он заметил, что каждый металл, для которого были известны соединения с органическими радикалами, образует только одно соединение этого типа. В летучих, то есть способных к перегонке металлоорганических соединениях, цинк и ртуть всегда соединяются только с двумя метальными радикалами, бор – с тремя, олово и свинец – с четырьмя. Сразу же возникла мысль, что именно эти числа характеризуют способность элементов к соединению друг с другом. Сопоставляя свои наблюдения с материалом, накопленным неорганической химией, Франкленд впервые выдвинул утверждение, что каждому элементу присуще лишь определенное количество «единиц сродства», при помощи которых атомы соединяются в молекулу.

Победа атомистического учения и определение точных атомных весов углерода и кислорода, выполненное Станислао Канниццаро в 1858 году, вскоре позволили придать более совершенную формулировку первоначальной мысли Франкленда. А именно: «Валентность – это свойство атомов одного элемента присоединять определенное число атомов других элементов. За единицу измерения валентности принята валентность водорода».

В 1858 году шотландский химик Арчибальд Скотт Купер своими исследованиями создал базу для формирования теории химического строения органических соединений. В этом году он публикует статью «О новой химической теории», в которой высказывает новые идеи о строении органических веществ. Идеи Купера развивали представления Эдуарда Франкленда о «соединительной силе» элементов. Купер использовал термины «сродство элементов» в значении «способность атомов элемента избирательно соединяться с атомами других элементов», а также «степень сродства» – собственно количественная мера сродства.

По Куперу, элементы обладают сродством к другим элементам, а соединения образуются в соответствии с этим сродством. Высшая степень сродства углерода равна 4, то есть на один атом углерода может приходиться до четырех атомов водорода, хлора и подобных элементов. Важным было утверждение Купера о способности атомов углерода соединяться друг с другом, образуя цепи. Для ряда веществ Купер также предложил формулы, в которых сродство атомов было показано черточками.

Однако, будучи теоретиком, при составлении своих формул Купер не опирался на их экспериментальное обоснование. Порядок соединения атомов он выводил из формальных умозрительных представлений о «единицах сродства» разных элементов. Вопрос об экспериментальном подтверждении правильности формул Купер даже не ставил. Поэтому, строго говоря, утверждения Купера нельзя считать теорией в современном значении этого слова.

Решающую роль в создании теории валентности сыграл Фридрих Август Кекуле. В 1857 году он показал, что углерод является четырехосновным (четырехатомным) элементом и его простейшим соединением является метан СН₄. Уверенный в истинности своих представлений о валентности атомов, Кекуле ввел их в свой учебник органической химии: основность, по мнению автора, – фундаментальное свойство атома, такое же постоянное и неизменяемое, как и атомный вес.

Уже три года спустя, в сентябре 1861 года, в теорию валентности вносит важнейшие дополнения А. М. Бутлеров. Проведя четкое различие между свободным атомом и атомом, вступившим в соединение с другим, когда его сродство «связывается и переходит в новую форму», Бутлеров вводит представление о полноте использования сил сродства и о «напряжении сродства», то есть энергетической неэквивалентности связей, которая обусловлена взаимным влиянием атомов в молекуле. В результате этого взаимного влияния атомы, в зависимости от их структурного окружения, приобретают различное «химическое значение». Теория Бутлерова позволила дать объяснение многим экспериментальным фактам, касавшимся изомерии органических соединений и их реакционной способности.

Несомненным достоинством теории валентности явилась возможность наглядного изображения молекулы. В 1860-х годах появляются первые молекулярные модели.

Уже в 1864 году А. Браун предложил использовать структурные формулы в виде окружностей с помещенными в них символами элементов, соединенных линиями, обозначающими химическую связь между атомами; количество линий соответствовало валентности атома. В 1865 году А. фон Гофман продемонстрировал первые шаростержневые модели, в которых роль атомов играли крокетные шары, а в 1866-м в учебнике Кекуле появились рисунки стереохимических моделей, в которых атом углерода имел форму тетраэдра.

Первоначально за единицу валентности была принята валентность атома водорода. Валентность другого элемента при этом выражалась числом атомов водорода, которое присоединяет к себе или замещает один атом этого другого элемента. Таким образом, валентность такого рода называется валентностью в водородных соединениях или валентностью по водороду: например, в соединениях HCl, H₂O, NH₃, CH₄ валентность хлора по водороду равна единице, кислорода – двум, азота – трем, углерода – четырем.

Валентность кислорода, как правило, равна двум. Поэтому, зная состав или формулу кислородного соединения того или иного элемента, можно определить его валентность как удвоенное число атомов кислорода, которое может присоединять один атом данного элемента. Валентность, определенная таким образом, называется валентностью элемента в кислородных соединениях или валентностью по кислороду: так, в соединениях K₂O, CO, N₂O₃, SiO₂, SO₃ валентность по кислороду калия равна единице, углерода – двум, азота – трем, кремния – четырем, серы – шести.

У большинства элементов значения валентности в водородных и в кислородных соединениях различны: например, валентность серы по водороду равна двум (H₂S), а по кислороду – шести (SO₃). Известно, что большинство элементов проявляют в разных соединениях различную валентность (некоторые элементы могут не иметь ни гидридов, ни оксидов). Например, углерод образует с кислородом два оксида: монооксид углерода CO и диоксид углерода CO₂. В монооксиде углерода валентность углерода равна двум, а в диоксиде – четырем (некоторые элементы способны образовывать также пероксиды). Из рассмотренных примеров следует, что охарактеризовать валентность элемента каким-нибудь одним числом и/или методом, как правило, нельзя.

С тех пор прошло более ста лет. За эти годы в химии произошло больше изменений, чем за предыдущие лет пятьсот. Существенно обновилось и содержание, которое раньше вкладывалось в представление о валентности. Теперь уже совершенно очевидно, что валентность тесно связана с электронным строением атомов. К тому же представляется вполне логичным, что максимально возможная валентность атома равна либо числу его внешних (валентных) электронов, которые он в принципе может отдать, либо числу свободных мест в его электронной оболочке, куда он может принять чужие электроны. Но даже с этими дополнениями определение валентности, данное Франклендом, остается все же удовлетворительным и достаточно полно отражающим современное содержание учения о валентности.

Открытие наркоза: Кроуфорд Лонг, Хэмфри Дэви, Гораций Хорас Уэллс, Уильям Томас Мортон, Федор Иноземцев, Николай Пирогов

Эта область открытий требует скорее пера драматурга, а не историка науки – настолько она полна драматизма. Кто из врачей первым мужественно прошел через все риски травли и настоящее преследование, все-таки успешно применив наркоз, сейчас установить едва ли возможно, поскольку применение анестезии, во избежание этих рисков, не афишировалось. Чем это грозило, можно представить уже по тому факту, что одного из хирургов даже вынудили покончить жизнь самоубийством.

Когда мы говорим о наркозе, что-то подсказывает, что с ним было примерно так же, как и с ванной Архимеда, и с яблоком Ньютона, то бишь он из категории «хорошо забытого старого». И действительно, наркоз применяли еще до нашей эры – во всяком случае, упоминания об успешном обезболивании встречаются в описаниях операций, сделанных врачами Древнего Китая, Греции, Рима. Правда, к сожалению, ни эффективный способ обезболивания, ни рецепты изготовления обезболивающих средств, ни описания их воздействия на организм до нас не дошли.

Первое из дошедших до нас описаний применения наркоза, достаточно подробное и научно обоснованное для своего времени, относится к 1540 году: обезболивающее действие диэтилового эфира было, судя по всему, не только описано, но и опробовано на практике выдающимся врачом XVI века Парацельсом. К сожалению, после смерти гениального доктора эта технология была забыта очень надолго. Следующий эксперимент по анестезии поставил английский физик и химик Хэмфри Дэви: в 1799 году он открыл обезболивающие свойства закиси азота, известной также как веселящий газ. Жаль только, что свои эксперименты, которые он ставил над собой, сэр Дэви также описал в веселящей манере, поэтому на должную научность они претендовать не могут. Врачи не обратили никакого внимания на эти записи, хотя химик настоятельно рекомендовал применять при операциях не только закись азота, но тот же диэтиловый эфир.

А вот студенты свое внимание на его опыты очень даже обратили – веселящий газ стал популярным средством вызвать у себя длительную эйфорию и «поймать кайф». Лишь один «особо умный» студент, обучавшийся в медицинской школе при университете Пенсильвании, Кроуфорд Лонг, увидел в предлагаемом методе перспективность использования эфира для анестезии. Однако о последствиях этого вывода чуть позже.

История открытия анэстетиков была бы, конечно, не полна, если бы в дело не вмешались дантисты. Американскому «зубнику» Горацию Хорасу Уэллсу очень мешали в работе стоны его пациентов, помимо того, что их, конечно же, было жалко. Поэтому он был весьма благодарен судьбе, когда оказался на публичной лекции Гарднера Колтона, посвященной свойствам соединений азота. В те времена, а произошло это в 1844 году, было принято, чтобы лекция сопровождалась демонстрацией с участием добровольцев из зала. Доктор Уэллс был поражен до глубины души, когда один из добровольцев, вдохнувший веселящий газ, стал так смеяться, что упал и сильно поранил ногу, но никакой боли не почувствовал.

Как настоящий врач, доктор Уэллс принялся испытывать наркоз веселящим газом на себе. И после того, как его помощник совершенно безболезненно удалил ему зуб, а также еще после нескольких экспериментов, Гораций Хорас Уэллс стал первым дантистом, применявшим в своей практике анестетик, что привело и к коммерческому эффекту: наплыв клиентов к нему существенно увеличился.

Но Уэллс все-таки не так стремился к коммерческой выгоде, как к обезболивающей революции во всем мире, поэтому добился возможности провести демонстрацию действия закиси азота в Гарвардском университете перед медиками из Бостона. К сожалению, благородное стремление привело его к катастрофе. И тут Уэллсу страшно не повезло: пациент, вызвавшийся в качестве добровольца, оказался настолько труслив, что начал кричать от воображаемой боли еще до того, как наркоз подействовал. В зале, среди прочих, присутствовали два знаменитых врача того времени – Уильям Морган и Чарльз Джексон. В результате демонстрация была сорвана – медики освистали Уэллса, а на следующий день газеты повесили доктору клеймо обманщика и шарлатана.

Этот провал не сломил Уэллса, доктор не остановился ни в своих исследованиях, ни в своей практике, попутно изучив анестетическое действие еще и хлороформа. Однако подмоченная репутация сделала свое дело: серьезная и корректная исследовательская работа, подытоженная в книге «История открытия применения закиси азота, эфира и других жидкостей при хирургических операциях», осталась незамеченной. Более того, клиенты стали уходить от доктора, который «опозорился в Бостоне», и постепенно Уэллс разорился. В 1847 году он продал практику и стал зарабатывать на жизнь продажей медикаментов. Однако и здесь ему не удалось добиться успеха. Через год сломленный Гораций Хорас Уэллс покончил жизнь самоубийством, вдохнув большую дозу хлороформа. Избавился, так сказать, от боли, называемой жизнью.

Эта трагическая история, ставшая следствием досадного стечения обстоятельств, к сожалению, получила широкую огласку, что отодвинуло повсеместное применение анестезии во врачебной практике на годы, заставив многих врачей быть более осторожными. Так, и Кроуфорд Лонг, независимо от Уэллса применивший при операции наркоз, достаточно долго никому не сообщал об этом.

Ко времени, когда разразился этот скандал, Лонг уже успешно оперировал с применением диэтилового эфира. Все операции прошли успешно, и коллеги стали советовать Лонгу рассказать о своем открытии. И тут случилась эта гарвардская демонстрация Уэллса. После нее Лонг, весьма разумный и осторожный человек, решил, что лучше помолчать.

А через два года анестезия была запатентована. В клинике Бостона хирург Уильям Томас Мортон, бывший помощник Уэллса, – который ушел от него за год до провала, решив, что это партнерство не приносит ему прибыли, – провел первую в мире публичную операцию с применением эфирного наркоза. Он удалил своему пациенту подчелюстную опухоль, и сделал это весьма успешно. После удачной операции в Бостоне эфирный наркоз стали применять во всех клиниках мира. Правда, патент Мортона был аннулирован. Доктора подвели его скрытность и осторожность. Он не опубликовал результаты экспериментов с эфиром, а в заявке на патент указал несуществующее вещество «летеон», и этот обман был раскрыт.

Слава не всегда достается тому, кому довелось на пути к всеобщему благу сложить свою голову. Официально первооткрывателем анестезии считается Лонг. Тридцатого марта, в свой профессиональный праздник, американские медики вспоминают Кроуфорда Уильямсона Лонга и его полезное открытие, а в городе Джефферсон, где практиковал скромный доктор, ему установлен памятник с надписью «Первый изобретатель обезболивания». Хотя годом, когда наркоз стали использовать повсеместно, считается все-таки 1846 год.

В России же, а именно в Риге, первая успешная операция с применением эфирного наркоза была проведена 7 февраля 1847 года профессором Федором Иноземцевым. Именно он, а не профессор Николай Пирогов (с которым, кстати, у Иноземцева были весьма натянутые отношения) ввел эфирный наркоз в практику российских врачей. Однако слава первого анестезиолога России, тем не менее, досталась Пирогову: он отлично освоил этот новый способ избавления от боли и уже к ноябрю того же года провел более 50 операций с применением эфирного наркоза. На счету Иноземцева к этому времени было всего 19 успешных операций под наркозом. Вероятно, все-таки и в «победе по очкам» может быть свой смысл.

Закон всемирного тяготения: Роберт Гук, Исаак Ньютон

Конечно, не возникает сомнений, что ученому следует заботиться о приоритете своих открытий. Без этого он может лишиться столь желанного звания первооткрывателя. Нечто подобное произошло со знаменитым ученым Робертом Гуком – приоритет открытия закона тяготения был признан не за ним, а за Ньютоном. Но отчасти в этом виноват сам Гук.

Знаменитая Британская Академия наук берет свое начало с Общества распространения физико-математических экспериментальных наук, официально признанного в 1662 году специальной грамотой Карла II и получившего, в соответствии с той же грамотой, звание «Королевское общество», а также герб с девизом Nullius in Verba («Ничто словами»). В первый состав сего уважаемого объединения входили 40 человек – все, кто помимо активного участия в работе Общества обязался вносить ежемесячные взносы в размере 40 фунтов стерлингов.

Первым президентом будущей Академии (как сказали бы сейчас, а на ту пору – «куратором») стал назначенный на эту должность молодой и амбициозный изобретатель Роберт Гук, которому на тот момент было всего 27 лет. Однако к этим годам он уже изобрел и построил воздушный насос, а после экспериментов с этим устройством открыл знаменитый закон газового состояния. Только сообщение об этом законе опубликовал не сам Гук, а Роберт Бойль в своей книге в 1660 году – видимо, поэтому открытие вошло во все школьные и университетские курсы физики под названием закона Бойля, точнее Бойля – Мариотта. И это несмотря на то, что Бойль ничего себе не присваивал, честно указав имя первооткрывателя. Эта история вполне достойна второй части нашей книги, где мы поговорим о законе Стиглера. А покамест вернемся к Гуку.

В возрасте 18 лет Р. Гук перебрался в Оксфорд – город энциклопедической науки, вполне отвечавшей как его характеру, так и запросам ума. Его вполне устраивало петь в церковном хоре, лишь бы быть поближе к знаниям. Оксфорд занял важное место в его жизни: здесь в 1654 году он стал работать ассистентом у Роберта Бойля, который был всего на 8 лет старше паренька. Ученые вскоре подружились и оставались верны своей дружбе до конца жизни. Гук оказался прирожденным экспериментатором, здесь для него открылось большое поле деятельности. Он много работал в области математики, механики, совершенствовался в естественных науках, изучал астрономию. Однако, несмотря на несомненные математические способности, его главные устремления направлялись все-таки в поле механики, и уже в 1655–1656 гг. в Оксфорде он приобретает широкую известность именно как механик и физик.

Как куратор экспериментальных работ в Королевском обществе (будущей Академии наук) он должен был еженедельно докладывать на заседаниях о новых научных достижениях в области естественных наук, сопровождая свои доклады демонстрацией экспериментов (и аккуратно делал это в течение 35 лет!). Информации о чужих достижениях не всегда хватало для полновесных докладов, так что Гук восполнял их отсутствие сообщениями о собственных. И поверьте, этому самородку было о чем рассказать!

Исключительно талантливый экспериментатор и конструктор научных приборов, этот ученый вел биологические, географические, геологические и физические исследования. Он изобрел основные метеорологические приборы, установил зависимость барометрического давления от состояния погоды, впервые оценил высоту атмосферы. Многие его изобретения вошли в золотой фонд науки и техники, но его изобретательская производительность была так высока, что он просто не успевал публиковать хотя бы краткие сообщения, удостоверяя свой приоритет. Ведь на следующей неделе предстояло демонстрировать на очередном заседании общества новые эксперименты, и все силы надо было отдать подготовке.

Первые 35 лет Королевское общество было, по сути, Робертом Гуком, который практически единолично наполнял содержанием его работу. Он был автором устава Общества, регулярно составлял планы исследований и программы работ, неустанно читал лекции и делал доклады о выдающихся достижениях в науке за истекший период. Лишь после смерти Гука И. Ньютон, на семь лет моложе его, согласился принять на себя обязанности президента Королевского общества, от чего постоянно отказывался при жизни своего великого соперника.

Гук имел самое прямое отношение к открытию другого всеобъемлющего закона физики – закона всемирного тяготения, сейчас связанного только с именем Ньютона. К концу жизни Гук сделал около 500 научных и технических открытий. Они составляют основу современной науки, но по разным причинам приписываются другим людям. К ним относятся, например, открытия клеточной структуры растений, красного пятна на поверхности Юпитера, волновой природы света. В силу особенностей характера и из-за чрезвычайно широкого круга интересов Гук многие свои открытия не доводил до конца и утрачивал приоритет, по поводу которого ему приходилось часто спорить с Ньютоном, Гюйгенсом и другими учеными. В конце концов такие потери и споры сделали его предельно замкнутым, сдержанным и неуживчивым. По существу, в современной классической физике Гук известен только как автор закона упругой деформации: сила упругости, возникающая при деформации тела, пропорциональна удлинению тела и направлена в сторону, противоположную направлению перемещения частиц тела при деформации. Сам Роберт Гук в 1660 году формулировал свое открытие куда короче: «Каково удлинение, такова и сила».

История не слишком лояльно обошлась с этим человеком. Достаточно сказать, что он является единственным членом Королевского общества, портрет которого не сохранился, и мы располагаем только словесным описанием его облика.

А теперь давайте все-таки вернемся к закону всемирного тяготения. Для начала скажем, что никакого яблока не было: эту историю выдумала племянница Ньютона и рассказала ее биографу, а тот практически дословно повторил ее рассказ.

Роберт Гук был поистине великим исследователем, однако в замкнутом мирке ученых прослыл великим склочником, и не без оснований: даже своего друга, первого покровителя и наставника Роберта Бойля он однажды обвинил в том, что тот присвоил способы усовершенствования воздушного насоса, придуманные им, Гуком. Позднее Гуку за свои слова пришлось извиняться. Гук ополчился и на Гюйгенса, заявив, что великий физик украл у него идею часов со спиральной пружиной (чего тоже в действительности не было). Доходило до смешного: например, когда Ньютон представил Обществу придуманную им конструкцию секстанта, Гук тут же заявил, что изобрел такой прибор более 30 лет назад (хотя всем было известно, что он секстантов никогда не изготавливал).

Заметим, что это была далеко не первая стычка двух великих физиков. В 1675 году Ньютон прислал Королевскому обществу свой трактат с новыми исследованиями и рассуждениями о природе света. И Гук сразу же обвинил его в плагиате. Он заявил, будто все, что есть ценного в этой работе, уже было значительно ранее опубликовано в его, Гука, книге «Микрография». Позже он записал в своем дневнике: «Я показал, что господин Ньютон использовал мои гипотезы об импульсах и волнах».

Сэр Исаак Ньютон был тут же извещен об этих обвинениях секретарем Королевского общества. Надо признать, Ньютон сделал все, чтобы уладить конфликт. Он признал, что использовал некоторые идеи Гука. И это было чистой правдой, книга Гука «Микрография» была в числе настольных книг Ньютона. Сам Гук тут же остыл и принес Ньютону извинения, сказав, что «поторопился с выводами, не изучив досконально всей работы». Ученые помирились, и, что показательно, Ньютон до самой смерти Гука не публиковал своих работ по физике света: его знаменитая монография «Оптика» вышла лишь в 1704 году, через год после того, как Гука не стало.

Поэтому неудивительно, что ученые Англии воспринимали Гука как весьма своеобразную, скажем осторожно, личность, с которой лучше не связываться. И эта репутация в конце концов сыграла с ним злую шутку. Произошло это так: когда в 1686 (первый том) и в 1687 (второй том) годах вышла знаменитая работа Ньютона «Математические начала натуральной философии», где излагался закон всемирного тяготения, Гук сразу же заявил о том, что Ньютон присвоил себе его идеи. Ученому с репутацией завистника и скандалиста, разумеется, никто не поверил. И напрасно, потому что, по иронии судьбы, на этот раз правда была на стороне Гука.

Слава первооткрывателя закона тяготения, конечно же, навсегда закреплена за сэром Исааком, законы Ньютона, с которыми мы знакомимся в средних классах школы, вряд ли когда-нибудь станут называться как-то по-другому. Но может быть, хотя бы ради правды и восстановления справедливости, следовало бы провести исследования писем и дневников Роберта Гука, которые показали бы, что идею об универсальной силе тяготения Гук впервые высказал еще где-то в середине 1660-х годов. Позже она была изложена ученым в трактате «Попытка доказательства движения Земли», который был опубликован в 1674 году. Правда, сам закон был сформулирован им весьма туманно – Гук говорил лишь о том, что, возможно, сила, с которой одно тело притягивает другое, пропорциональна их массам.

Ясной формулировки (в том виде, в котором этот закон знаем мы) пришлось ждать шесть лет. Лишь в письме от 6 января 1680 года Ньютону Гук четко излагает закон всемирного тяготения, а заодно предлагает своему соратнику строго математически обосновать его, показав при этом связь с первым законом Кеплера для некруговых орбит. Эта просьба неслучайна: Гук прекрасно знал, что Ньютон более сведущ в математике, да и вообще в теории, в то время как сам Роберт Гук был сильным экспериментатором. Так что, как видим, яблоко тут совсем ни при чем – Ньютон получил формулировку закона уже в готовом виде.

Тут самое время еще раз вернуться назад и вспомнить другого великого ученого – Галлея. Да-да, того самого, охотника за знаменитой кометой. Так вот, Галлей наблюдал за кометой в ранние утренние часы в своей домашней обсерватории в Айлингтоне. И его наблюдения не подтвердили гипотезы «прямолинейного движения» небесной гостьи, существовавшей тогда. За счет чего же искривлялась ее траектория и какой она становилась?

Ньютон, к которому обратился с этим вопросом Галлей, сходу ответил, что орбитой кометы является эллипс, и в доказательство привел свои расчеты, которые прислал своему коллеге в конце 1684 года.

А вышеуказанный трактат Гука «Попытка доказательства движения Земли» был опубликован десятью годами ранее. И вот выдержка из него:

«Я изложу теперь систему мира, которая отличается во многих отношениях от до сих пор известных, но которая во всех отношениях согласуется с обычными законами механики. Она основана на трех предположениях. Первое заключается в том, что все без исключения небесные тела обладают способностью притяжения или тяжести, направленной к центрам, благодаря которой тела не только удерживают свои собственные части и препятствуют им улетучиваться в пространство, как это – мы видим – делает Земля, но, кроме того, они притягивают также все другие небесные тела, находящиеся в сфере их действия; следовательно, не только Солнце и Луна влияют на тело и движение Земли, как и Земля на них, но также Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн значительно влияют своей притягательной силой на движение Земли, точно так же, как Земля имеет значительное влияние на движение этих тел. Второе предположение заключается в том, что все тела, однажды приведенные в прямолинейное и равномерное движение, продолжают это движение по прямой линии до тех пор, пока какие-либо другие силы не отклонят и не обратят это движение в движение по кругу, эллипсу или другой более сложной кривой линии. Третье предположение – в том, что притягательные способности проявляются с большей силой по мере того, как тела, на которые они действуют, приближаются к центру, откуда силы исходят. Каковы же последовательные степени возрастания сил на различных расстояниях, я еще не проверил на опыте…» Это было сказано на десять (!) лет раньше.

Итак, попытаемся выяснить долю участия каждого ученого в открытии закона всемирного тяготения. Сводится ли все к тому, что Гук догадался и сформулировал, а Ньютон математически вычислил? Нет, это не совсем так. Именно Гуком был открыт и доказан математически закон всемирного тяготения (сам Гук называл его «закон обратных квадратов для центральной гравитационной силы»). Причем это обоснование было безупречным, а все уравнения Гука были правильными. Однако он обосновал справедливость этого закона только для тел, движущихся по круговым орбитам. Ньютон же, в свою очередь, предоставил уравнения, описывающие движения по эллиптическим орбитам, то есть доказал справедливость закона для реально движущихся небесных тел. Любопытно, что об этом его и просил сам Гук, сообщив перед тем результаты своих расчетов. Можно сказать, что Ньютон сделал важную часть работы, однако это вовсе не давало ему права заявлять, что закон всемирного тяготения – исключительно его рук (точнее, ума) дело.

Универсальность этого закона, его глубина и мощь настолько поражали разум, что даже у самого сэра Исаака он дал сбой в сторону тщеславия. Ньютон, поначалу всецело признававший соавторство, а зачастую и единоличное авторство Гука, с некоторых пор вдруг повсюду стал утверждать, что сделал это открытие раньше и независимо от Гука (тут-то и пригодилась легенда о яблоке, приведшем Ньютона в состояние прозрения). Возможно, подобное поведение Ньютона было вызвано появлением многочисленных памфлетов, в которых его в открытую называли плагиатором. Эти слова еще больше раздули конфликт, однако Королевское общество встало на сторону Ньютона, и в итоге был признан его приоритет. Выпады Гука проигнорировали – зачем, мол, слушать заведомого склочника.

А между тем тщательнейший анализ архивов Ньютона ни к чему не привел: каких-то документов, записок, расчетов, писем, подтверждающих его претензии на единоличное авторство великого закона, найдено так и не было. Более того, обнаружены письма, прямо свидетельствующие об обратном, – в них сэр Исаак признается, что действительно думал о тяготении, но сходу эта задачка ему не далась, и он ее забросил. А вернулся к ней лишь после того самого письма Роберта Гука.

Получается, Ньютон действительно присвоил чужое открытие? На самом деле – не совсем: без той части расчетов, которую выполнил Ньютон, зависимость тяготения от массы тел нельзя было считать полностью доказанной. Другими словами, без работы сэра Исаака закон можно было рассматривать лишь как частный случай (к тому же идеальный, то есть не существующий в действительности), а не как общую закономерность. Логичным выходом из ситуации было бы признание того, что закон сформулировали два великих ученых (и, соответственно, называть его следовало бы законом всемирного тяготения Гука – Ньютона). Однако, к сожалению, этого до сих пор так и не произошло.

Один из выводов по результатам своего исследования научной деятельности Исаака Ньютона академик С. И. Вавилов сформулировал так: «Написать “Начала натуральной философии” в ХVII веке никто, кроме Ньютона, не мог, но нельзя оспаривать, что программа, план “Начал” был впервые набросан Гуком».

Случившееся в истории о Роберте Гуке, Исааке Ньютоне и их претензиях на открытие закона всемирного тяготения можно назвать побочным эффектом феномена множественных открытий. Роберт Гук, блестящий ученый, невероятный гений, так и не получил заслуженных лавров основоположника современной физики. И хотя его имя не исчезло со страниц учебников совсем – о Гуке вспоминают всегда, когда говорят об открытии постоянства температуры таяния льда и кипения воды или о волнообразном распространении света и интерференции, – все же о том, что именно он первым догадался связать силу тяготения с массой тела, предпочитают не упоминать.

Теория относительности: Альберт Эйнштейн, Анри Пуанкаре, Хендрик Лоренц, Герман Минковский

В 1905 году в немецком научном журнале «Аннален дер физик» появилась небольшая статья объемом всего 30 печатных страниц «К электродинамике движущихся тел». Ее написал 26-летний Альберт Эйнштейн. В этом небольшом объеме была почти полностью изложена специальная теория относительности, вскоре сделавшая знаменитым молодого эксперта патентного бюро. В этом же году в том же журнале появилась статья «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?», дополняющая первую.

Специальная теория относительности выросла из решения электродинамической проблемы движущихся тел, над которой начиная с середины XIX века работали многие физики. Они пытались доказать существование эфира – среды, в которой распространялись электромагнитные волны. Предполагалось, что эфир проникает через все тела, но в их движении участия не принимает. Строились различные модели светоносного эфира, выдвигались гипотезы относительно его свойств. Казалось, что неподвижный эфир может служить той абсолютно покоящейся системой отсчета, относительно которой рассматриваются «истинные» движения тел.

Согласно воззрениям Ньютона и его современников, во Вселенной существуют «нормальные часы», которые отсчитывают ход «абсолютного времени». Кроме того, существует «абсолютное движение», то есть перемещение тела из одного абсолютного места в другое абсолютное место. В течение двухсот лет эти принципы считались верными и незыблемыми. Ни один физик не подвергал их сомнению.

Первым, кто начал открыто их критиковать, был Эрнст Мах. Он начал научную карьеру на кафедре экспериментальной физики, имел в Австрии свою лабораторию. Мах проводил эксперименты со звуковыми волнами, изучал явление инерции. Он пытался опровергнуть понятия «абсолютное пространство», «абсолютное движение», «абсолютное время». Эйнштейн был знаком с работами Маха, и это знакомство сыграло не последнюю роль в его работе над теорией относительности.

В экспериментальной физике ньютоновские догмы также были поставлены под сомнение. Земля движется по своей орбите вокруг Солнца. В свою очередь, Солнечная система перемещается в мировом пространстве. Следовательно, если световой эфир покоится в «абсолютном пространстве», а небесные тела проходят через него, то их движение по отношению к эфиру должно вызывать заметный «эфирный ветер», который можно было бы обнаружить с помощью чувствительных оптических приборов.

Опыт по обнаружению «эфирного ветра» в 1881 году поставил американец Альберт Майкельсон. Он опирался на идею, высказанную Максвеллом двенадцатью годами ранее. Майкельсон рассуждал так: если земной шар движется сквозь абсолютно неподвижный эфир, то луч света, пущенный с поверхности Земли, при определенных условиях будет отнесен назад «эфирным ветром», который дует навстречу движению Земли. «Эфирный ветер» должен возникать только благодаря перемещению Земли относительно эфира.

Первая экспериментальная установка была построена и испытана Майкельсоном в Берлине, все приборы были смонтированы на каменной плите и могли поворачиваться как одно целое. Затем опыты были перенесены в Америку и выполнялись при участии близкого друга и сотрудника Майкельсона Эдуарда Морли. Ученые создали зеркальный интерферометр, который мог зарегистрировать даже самый слабый «эфирный ветер». Результаты всех опытов, проведенных и в 1881 и в 1887 годах, оказались отрицательными – никакой «эфирный ветер», даже самый слабый, зарегистрирован не был. Опыт Майкельсона и на сегодняшний день можно считать одним из самых выдающихся в истории физики. Сам Эйнштейн писал, что этот опыт имел огромное значение для рождения теории относительности.

Но не все физики были согласны с тем, что эфира не существует и что ньютоновы принципы должны быть отброшены навсегда. Голландский физик Хендрик Лоренц в 1895 в попытке «спасти» эфир высказал предположение, что быстро движущиеся тела испытывают сокращение. Еще до Лоренца, в 1891 году, ирландский физик Джордж Фицджеральд сделал подобное предположение, о чем Лоренц не знал. Лоренц и Фицджеральд писали, что все предметы «под давлением» эфира сплющиваются, укорачиваются. Укорачивается и плита, на которой расположены все приборы, и сами приборы. Укорачивается и земной шар, и люди, находящиеся на его поверхности, причем величина всех этих укорочений и сплющиваний есть характеристика, описывающая уравновешивающее действие «эфирного ветра». Ученые также вводили поправку на время распространения «эфирного ветра».

Хендрик Лоренц (1853–1928) вошел в историю физики как создатель электронной теории. Он сделал фундаментальное предположение – эфир в движении вещества участия не принимает. В 1892 году в заметке «Относительное движение Земли и эфира» Лоренц описывает способ согласования результатов опыта с теорией неподвижного эфира, заключающийся в предположении о сокращении размеров тел в направлении движения (сокращение Лоренца-Фицджеральда).

Развивая свои взгляды на примере оптических и электромагнитных явлений в движущихся телах, Лоренц, по существу, приближается к утверждению принципа относительности для электромагнитных явлений. Как мы знаем, в механике такой принцип был введен Галилеем. Он гласил, что никакими механическими опытами невозможно установить, покоится данная система или движется равномерно и прямолинейно. А Лоренц высказал предположение, что никакими мыслимыми опытами невозможно обнаружить относительное движение Земли и эфира.

В 1904 году Лоренц в статье «Электромагнитные явления в системе, движущейся со скоростью, меньшей скорости света» вывел формулы, связывающие между собой пространственные координаты и моменты времени в двух различных инерциальных системах отсчета (преобразования Лоренца).

В 1898 году один из выпусков широко известного тогда французского научного журнала открылся статьей Пуанкаре «Измерение времени». В ней автор анализировал такие простые, казалось бы, понятия, как равенство двух промежутков времени и соответствие между собой моментов времени в разных точках пространства.

Полученный результат для современников Пуанкаре был весьма неожиданным: абсолютного времени и абсолютной одновременности в природе не существует. Лишь на основе условного соглашения можно считать равными длительности двух промежутков времени и одновременными два явления, происшедшие в разных точках пространства. Это было совершенно новое, неклассическое понимание времени и одновременности. Другое положение статьи 1898 года: Пуанкаре писал о постоянстве скорости распространения света во всех направлениях. Непосредственное участие Пуанкаре в создании теории относительности следует из его статей «Пространство и время», «Новая механика».

В конце XIX века уже были найдены преобразования пространственно-временных координат, составляющие основу теории относительности. Были получены также самые необычные следствия этой теории: о сокращении длин отрезков и расширении временных интервалов.

Осенью 1904 года Анри Пуанкаре также попытался «спасти» абсолютно неподвижный эфир. Он решил оформить вычисления Лоренца в виде относительно стройной теории, но «теория» осталась простой формальностью.

Еще во время учебы в школе в Аарау Эйнштейн проводил мысленный эксперимент: что мог бы видеть человек, движущийся за световой волной со скоростью света? О начале рассуждений сам Эйнштейн писал: «Необходимо было составить себе ясное представление о том, что означают в физике пространственные координаты и время некоторого события». Ученый начал с изучения понятия одновременности. Ньютоновская механика утверждает, что возможно распространение взаимодействий (то есть передача сигналов, информации) с бесконечной скоростью. А согласно теории Эйнштейна, скорость света, представляющая собой максимальную скорость передачи сигналов, все же конечна и притом имеет одну и ту же величину для всех наблюдателей – 300 000 км/с.

Поэтому понятие «абсолютной одновременности» лишено всякого физического смысла и применяться не может. Эйнштейн пришел к выводу, что относительна одновременность событий, разделенных пространственно. Причиной относительности одновременности является конечность скорости распространения сигналов.

Если невозможна «абсолютная одновременность», то не может существовать и «абсолютное время», одинаковое для всех систем отсчета. Каждая система отсчета имеет свое собственное «локальное время». Учение Эйнштейна о времени стало совершенно новым шагом в науке. Понятие «абсолютное время» было отброшено. Но так как время и движение теснейшим образом связаны между собой, то следовало устранить и ньютоновское понятие «абсолютного движения».

Первый и главный постулат теории Эйнштейна – принцип относительности – гласит, что во всех системах отсчета, движущихся по отношению друг к другу равномерно и прямолинейно, действуют одни и те же законы природы. Таким образом, принцип относительности классической механики экстраполируется на все процессы в природе, в том числе и электромагнитные. Если же необходим переход от одной системы отсчета к другой, то следует воспользоваться преобразованиями Лоренца. Эти уравнения Эйнштейн назвал так в знак глубокого уважения к трудам своего предшественника. А вот понятие «светового эфира» Эйнштейн упразднил, заменив его «электромагнитным полем».

Многие ученые очень болезненно отнеслись к такому повороту, они никак не могли смириться с тем, что эфира не существует. Даже великий голландец Лоренц до самой смерти верил в существование эфира.

Второй постулат Эйнштейна гласит, что скорость света в вакууме одинакова для всех инерциальных систем отсчета. Она не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала. Скорость света – предельная скорость, ни один из процессов в природе не может иметь скорость большую, чем скорость света.

Из постоянства скорости света вытекают два знаменитых парадоксальных следствия: относительность расстояний и промежутков времени.

Относительность расстояний: расстояние не является абсолютной величиной, а зависит от скорости движения тела относительно данной системы отсчета. Размеры быстродвижущихся тел сокращаются по сравнению с размерами покоящихся тел. При приближении скорости тела к скорости света его размеры будут приближаться к нулю! Нечто похожее высказывал и Лоренц, пытаясь «спасти» эфир в опыте Майкельсона.

Относительность промежутков времени: ход часов в быстродвижущейся системе замедляется по сравнению с часами, находящимися в покоящейся системе отсчета относительно первой.

Эти эффекты физики называют релятивистскими, вкладывая в это тот смысл, что наблюдаются они при скоростях движения, близких к скорости света.

Что же произойдет, если на самом деле попытаться ускорить материальное тело до скорости, близкой к скорости света?

Теория относительности утверждает эквивалентность массы и энергии в соответствии с теперь уже знаменитой формулой: «Энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света».

Вначале увеличение энергии тела сопровождается едва уловимым увеличением массы и, следовательно, инерции тела. Поэтому становится чуть-чуть труднее ускорить его дальше. По мере же приближения к скорости света этот эффект становится все внушительнее, что делает преодоление скорости света невозможным.

В конце 30-х годов ХХ века формула Эйнштейна получила блестящее подтверждение в реакциях деления урана. При этом одна тысячная часть полной массы исчезала, чтобы вновь целиком обнаружиться в виде атомной энергии. Даже в обычных химических реакциях соблюдается эйнштейновское соотношение, только количество вещества, появляющегося или исчезающего во время реакции, меньше одной десятимиллиардной части всей массы, что весьма тяжело зафиксировать современными устройствами.

Подчеркнем, что в специальной теории относительности рассматривается равномерное движение, то есть движение с постоянной скоростью, при котором направление движения не изменяется. Если движение происходит с ускорением, обусловленным внешними силами, например гравитационным притяжением, – в таких случаях специальная теория относительности неприменима.

В 1908 году немецкий математик Герман Минковский, учивший Эйнштейна в Цюрихском политехникуме, создал для специальной теории относительности математический аппарат. В своем знаменитом докладе на съезде немецких естествоиспытателей и врачей 21 сентября 1908 года Минковский сообщал: «Представления о пространстве и времени, которые я собираюсь развить перед вами, выросли на почве экспериментальной физики. В этом заключается их сила. Они приведут к радикальным следствиям. Отныне пространство само по себе и время само по себе полностью уходят в царство теней, и лишь своего рода союз обоих этих понятий сохраняет самостоятельное существование». С тех пор «мир Минковского» стал неотъемлемой частью специальной теории относительности.

Как видим, приписывать создание специальной теории относительности одному человеку, пусть даже гению, не совсем корректно и, говоря по совести, совершенно непорядочно: Эйнштейн воспользовался разработками идей предшественников, чтобы сделать следующий шаг в науке. Но что было бы при отсутствии таких предшественников?

Дифференциальное и интегральное исчисления: Исаак Ньютон и Готфрид Лейбниц

География научных работ, в которых упоминаются имена Лейбница и Ньютона, достаточно широка. Ими были разработаны методы, с помощью которых любой человек, изучив небольшое число правил действия с символами, обозначающими операции дифференцирования и интегрирования, становится обладателем мощного математического аппарата. Этот аппарат широко используется в физике. Открыли математический анализ оба, и это привело к возникновению грандиозного спора о приоритете. О Ньютоне мы еще расскажем, а сейчас несколько слов о втором герое нашего рассказа.

Среди великих ученых прошлого Готфрид Вильгельм Лейбниц занимает одно из первых мест. Во множестве наук он оставил заметный след: он занимался логикой, юриспруденцией, историей и теологией, выдвинул ценные идеи в геологии, языкознании и психологии. Лейбниц – один из крупнейших философов Нового времени, стоящий в одном ряду с Декартом, Спинозой, Кантом, Гегелем. Начиная с ранних лет жизни в течение примерно полувека он был в центре всех интересов своего времени.

Колоссальные знания в области математики Лейбниц приобрел, как ни странно, методом самообразования. И закончил университет за три года. Обиженный отказом ученого совета университета присвоить ему степень доктора права (ему объяснили, что это связано с его юным возрастом), Лейбниц покинул Лейпциг. Так для молодого ученого началась жизнь, полная напряженного труда и далеких путешествий, во время которых молодой ученый несколько раз встречался с русским царем Петром I. От Петра Лейбниц получил титул тайного советника и пенсию в 2000 гульденов.

Всю свою сознательную жизнь он стремился выразить законы мышления в виде стройного математического аппарата. Для этого необходимо, считал Лейбниц, уметь обозначать любые понятия или идеи символами, комбинируя их в особые формулы, и сводить правила мышления к правилам в вычислениях, сделанных по этим символическим формулам. В 1684 году Лейбниц публикует первую работу по дифференциальному исчислению «Новый метод максимумов и минимумов», причем имя Ньютона в первой части даже не упоминается, а во второй заслуги Ньютона описаны не вполне отчетливо. Тогда Ньютон не обратил на это внимания. Его работы по анализу начали издаваться только с 1704 года.

Лейбниц писал: «То, что человек, сведущий в этом исчислении, может получить прямо в трех строках, другие ученейшие мужи принуждены были искать, следуя сложными обходными путями».

По мнению Бертрана Рассела, Лейбниц «был одним из выдающихся умов всех времен, но человеком он был неприятным». Многие биографы сходились во мнении, что он был скуп, хотя сам философ отрицал в себе корыстолюбие.

Во второй половине 1660-х годов молодой кембриджский математик Исаак Ньютон разработал общий метод, названный им методом флюксий, в области, известной нам ныне как математический анализ. Сам Ньютон не представлял всей важности своего исследования. В 1669 году сэр Исаак послал заказчику из Кембриджа довольно темный трактат, посвященный этому предмету; трактат закончен так и не был: Ньютона в это время больше интересовала возможность публикации в «Философских трудах Королевского общества» разработанной им теории оптики. В 1672 году в Париже появляется молодой германский дипломат Готфрид Лейбниц, получивший юридическое и философское образование. С математикой в то время Лейбниц был практически не знаком. Однако, будучи чрезвычайно честолюбивым человеком, он уже тогда обдумывал проект реформирования всей структуры науки (в том числе и математики) на базе универсальной логической символики. Уже на следующий год Лейбниц переезжает в Лондон в составе дипломатической миссии и быстро приобретает связи в научных кругах. За изобретение элементарной вычислительной машины Лейбница избирают членом Королевского общества.

Однако непомерные амбиции Лейбница и, в частности, присвоение им авторства алгебраической последовательности для квадратуры круга, уже опубликованной несколькими математиками, создают ему в ученых кругах скверную репутацию. Эта дурная слава помешала его назначению на пост в Коллеж де Франс в 1675 году. Тем не менее Лейбниц все же стал одним из участников корреспондентской сети Кембриджской ученой коллегии и начал обмениваться письмами с Ньютоном.

В 1676 году Ньютон пишет через Ольденбурга Лейбницу письмо, в котором передает много новых данных о разложении в ряды, сообщает и знаменитый бином (без доказательства); о методе бесконечно малых (то есть о дифференциальном исчислении), однако, в письме не говорится. Впрочем, в следующем письме к Ольденбургу от 24 октября 1676 года Ньютон говорит о новом методе и приводит результаты, достигнутые благодаря его применению. Понять из зашифрованного в письме описания сущность открытия было невозможно, детальное изложение метода скрыто еще более сложной шифровкой.

Лейбниц отвечает на загадки Ньютона письмом от 21 июня 1677 года, где достаточно ясно излагает основы дифференциального исчисления, отличающегося по существу от метода Ньютона (метода флюксий) только символикой. Ньютон на это письмо Лейбница не ответил. На этом переписка прервалась.

Одновременно, на основе циркулировавших в Европе английских математических идей, Лейбниц быстро разрабатывает собственную теорию, в которой использует более ясную нотацию, чем Ньютон. Закончив работу, Лейбниц описал ее Ньютону, но тот его аргументацию всерьез не принял. Возможно, Ньютон недооценил математические способности Лейбница, зная, что тот только начинает свою математическую карьеру.

Через некоторое время Лейбниц приступает к дипломатической службе при дворе германского герцога Брауншвейгского. В 1682 году в Лейпциге выходит первый в Германии специализированный ученый журнал Acta Eruditorum, основанный интеллектуалами из окружения Лейбница в противовес журналу Mе´moires, издаваемому Французской академией наук, и «Философским трудам» английского Королевского общества. Получив контроль над изданием, не зависящим ни от английских, ни от французских влияний, Лейбниц публикует алгебраические последовательности, о которых писал в Лондоне, без ссылок на каких-либо предшественников. Несколько позже, в 1684 и 1686 годах, выходит краткое описание его математического анализа – при этом Лейбниц высказал предположение, что открывается новая эпоха в истории математики.

Предложенное Лейбницем изложение было крайне сжатым, но давало представление о программном значении метода. Краткой публикации оказалось достаточно, чтобы он обратил на себя внимание швейцарских математиков Якоба и Иоганна Бернулли (Якоб Бернулли занимал в то время пост профессора в Базеле), и вскоре новый метод математического анализа получает распространение в математических кругах континентальной Европы. Парижский аристократ маркиз Гийом Франсуа де Лопиталь (1661–1704) приглашает Иоганна Бернулли, чтобы тот обучил его методу Лейбница. К этой непростой истории мы еще вернемся во второй части нашей книги.

В 1696 году де Лопиталь публикует первый учебник по математическому анализу и становится лидером стремительно разраставшейся группы французских математиков.

На протяжении большей части этого времени Ньютон остается в тени. В эти годы Кембридж перестает быть интеллектуальным центром, и Ньютон оказывается изолированным от интеллектуальной жизни Лондона. Его репутация ученого начала возрождаться лишь после публикации «Начал» (1687 г.). Вскоре после этого Ньютон становится горячим защитником революции 1688 года. Он агитирует против католической реставрации и представляет Кембриджский университет в парламенте. В 1690 году, получив пост главы Монетного двора, Ньютон покидает Кембридж. В течение следующего десятилетия популярность Ньютона как первого интеллектуала Англии росла, и в 1703 году он стал пожизненным президентом Королевского общества.

В середине 1690-х годов националистически настроенные последователи Ньютона решили восстановить его первенство в создании математического анализа и начали кампанию против Лейбница. Под давлением этих людей Ньютон наконец публикует старую работу о методе флюксий в приложении к книге «Оптика»: в 1704 году и затем в 1711 году.

Лейбниц отвечает на нападки анонимной рецензией на ньютоновскую «Оптику», опубликовав ее в журнале Acta, который поддерживал его притязания на первенство. Вслед за тем в Acta анонимно было опубликовано письмо Иоганна Бернулли, в котором Ньютон обвинялся в плагиате. Лейбниц и Бернулли в своих публичных заявлениях проявляли сдержанность по отношению к Ньютону, но исподволь продолжали свои нападки. Возможно, в этом споре присутствовали и политические мотивы.

Представьте себе: Лейбниц и Ньютон – два ученых мужа первой величины – обвиняли друг друга в плагиате, искажали факты и анонимно публиковали якобы беспристрастные статьи в свою защиту! Их сторонники вели себя еще хуже.

Лейбниц не упускал ни одной возможности – ни организационной, ни политической, ни интеллектуальной – для утверждения своего приоритета. Однако нет никаких свидетельств того, что он занимался плагиатом, хотя, конечно, он старался как можно больше узнать о том, над чем работают ведущие интеллектуалы, и использовал плоды их работы в своих интересах. Ньютон же нисколько не заботился о том, чтобы сделать свой метод общедоступным. Избранная им символика служила лишь для его «внутреннего», личного потребления, и он ее строго не придерживался. При этом он считал, что открытие принадлежит ему навечно и достаточно того, что оно просто покоится в его голове. Ученый искренне полагал, что своевременная публикация не приносит никаких прав. Перед богом первооткрывателем всегда останется тот, кто открыл первым. Правда, Ньютон отчасти закрепил свои права письмом к Коллинзу в 1672 году, не указав самого метода, но приведя несколько примеров. Это письмо служило впоследствии опорным пунктом в споре Ньютона с Лейбницем.

Вернемся немного назад. В начале 1673 года Лейбниц в течение нескольких месяцев был в Лондоне и часто посещал секретаря Королевского общества Ольденбурга, который до известной степени был в курсе математических работ Ньютона. Из Лондона Лейбниц направился в Париж, где вместе с Гюйгенсом усиленно занялся математикой. В 1674 году Ольденбург сообщил Лейбницу о существовании нового общего метода Ньютона, сущность метода при этом, однако, не излагалась. В 1676 году Лейбниц снова был в Англии проездом и лично познакомился с Коллинзом. Впоследствии, в разгар спора, защитники прав Ньютона указывали, что Лейбниц мог узнать содержание работ Ньютона из рукописей, хранившихся у Коллинза в Королевском обществе.

Впрочем, шифровка Ньютона в письме к Лейбницу и, наоборот, открытое, ясное изложение метода Лейбницем в его ответе ставятся некоторыми историками в упрек Ньютону. Но этот упрек едва ли справедлив: обычай скрывать еще не вполне обработанные результаты научной работы в виде анаграмм или шифров был широко распространен. Надо отметить также, что Ньютон еще в первом издании «Начал» отозвался о работах Лейбница совершенно объективно. В знаменитом «Поучении» во второй книге «Начал» он по поводу метода флюксий пишет: «В письмах, которыми около десяти лет тому назад я обменивался с весьма искусным математиком Г. Лейбницем, я ему сообщал, что обладаю методом для определения максимумов и минимумов, проведения касательных и решения тому подобных вопросов, одинаково приложимых как для членов рациональных, так и для иррациональных, причем я метод скрыл, переставив буквы следующего предложения: “когда задано уравнение, содержащее любое число текущих количеств, найти флюксии и обратно”. Знаменитейший муж отвечал мне, что он также напал на такой метод, и сообщил мне свой метод, который оказался едва отличающимся от моего, и то только терминами и начертанием формул».

Естественно поставить вопрос, весьма существенный для понимания характера Ньютона: почему же он не опубликовал свой метод? Есть основания полагать, что математика в глазах Ньютона играла вспомогательную роль в физическом исследовании. К тому же Ньютон считал, что закрепил свои права в указанном письме к Лейбницу, так что само опубликование нового метода потеряло свою остроту – метод стал уже известным, все сводилось только к тому, чтобы гарантировать себе приоритет, в котором Ньютон не сомневался. Вообще, в это время Ньютон был необычайно спокоен по поводу своих прав на первенство.

Триумфальное шествие нового метода дифференциального исчисления под именем Лейбница начинает, однако, беспокоить национальную гордость английских патриотов. В 1695 году известный математик Уоллис пишет Ньютону: «Вы не заботитесь как следует о вашей чести и чести нации, удерживая столь долго ваши ценные открытия». Однако даже такие слова не подействовали на Ньютона: он по-прежнему молчал. Непосредственным зачинщиком распри Ньютона с Лейбницем стал переселившийся в Лондон женевский математик Фатио Дюилье. Обиженный на Лейбница по разным причинам, Фатио напечатал в 1699 году небольшую книгу, в которой между прочим не только подчеркнул, что Ньютон первый открыл новый метод, но сделал легкий намек на возможность плагиата со стороны Лейбница. Лейбниц отнесся к этому обвинению спокойно и указал, что не имеет никакого намерения вступать с Ньютоном в прения о первенстве: он исполнен к нему глубокого уважения и уверен, что и Ньютон не одобряет писаний Фатио.

Распря разгорелась снова в связи с появлением в 1704 году «Оптики» Ньютона, в которой автор дал наконец долгожданное печатное изложение своего метода. В безымянной, но написанной, очевидно, Лейбницем рецензии на «Оптику» в Acta Eruditorum при всех похвалах, расточаемых по адресу Ньютона, рецензент истолковывает выводы Ньютона в терминах дифференциального исчисления. Сам Ньютон, как он утверждал позднее, понял эту рецензию как прямое обвинение в плагиате. Спор возобновился с новой силой: один из самых ревностных учеников Ньютона Джон Кейль в работе «О законе центральных сил» в 1708 году поместил такой абзац: «Все это следует из столь знаменитого теперь метода флюксий, первым изобретателем которого был, без сомнения, сэр Исаак Ньютон, как в этом легко убедится каждый, кто прочтет его письма, опубликованные Уоллисом. То же исчисление опубликовано позднее Лейбницем в Acta Eruditorum, причем он только изменил название, вид и способ обозначений».

Замечательно, что почти все статьи в защиту Ньютона были написаны им самим и лишь опубликованы под именами его друзей. Обвинения Лейбница в плагиате стали звучать еще определеннее. И тут Лейбниц, как член Королевского общества, совершил ошибку, обратившись с жалобой на Кейля. Ньютон, будучи президентом общества, назначил для разбора дела «незаинтересованную» комиссию, «случайно» составленную из друзей Ньютона. Но и этого было мало: он сам пишет отчет комиссии и заставляет общество его опубликовать, официально обвиняя Лейбница в плагиате. Вдобавок к тому, чувствуя себя все еще неудовлетворенным, Ньютон анонимно публикует сжатый пересказ этого отчета в газете Королевского общества.

В середине 1713 года вышла книга, являющаяся результатом работы комиссии. В книге изложена уже известная нам переписка и приведено мотивированное решение комиссии, заканчивающееся следующей фразой: «По этим основаниям мы считаем Ньютона первым изобретателем и думаем, что Кейль, утверждая это, не сделал ничего несправедливого по отношению к Лейбницу». Лейбниц отвечал безымянным листком, где Ньютону бросался ряд упреков: напоминалась полемика Ньютона с Гуком, присваивание Ньютоном астрономических наблюдений Флемстида и пр. В спор вовлекались все новые ученики Ньютона – Кейль, Котс, Тэйлор и другие.

До 1714 года сам Ньютон старался оставаться в тени, но позднее ему пришлось вести полемику и от своего имени. Спор не закончился и даже после смерти Лейбница в 1716 году. Говорят, что Ньютон по поводу кончины своего противника заявил, что он получил большое удовлетворение от того, что ему удалось «разбить сердце Лейбница».

И все-таки где же правда?

Длительное изучение вопроса привело историков математики к выводу, что основы анализа бесконечно малых были открыты Ньютоном и Лейбницем независимо, причем несомненно, что открытие Ньютона сделано несколькими годами ранее. Но теория приобрела силу только после того, как Лейбницем было доказано, что дифференцирование и интегрирование – взаимно обратные операции. Об этом свойстве хорошо знал и Ньютон, но только Лейбниц увидел здесь ту замечательную возможность, которую открывает применение математического анализа. А в науке их имена стоят рядом – например, в названии формулы Ньютона – Лейбница.

Закон сохранения энергии: Роберт фон Майер и Джеймс Прескотт Джоуль

В 1838 году Роберт фон Майер, немецкий врач и естествоиспытатель, получил степень доктора медицины. В этом же году в качестве судового врача он на торговом корабле отправился в Батавию. До 1942 года это был главный город Нидерландской Индии на острове Ява, сейчас мы называем его Джакартой. Во время этого путешествия фон Майер сделал открытие, перевернувшее всю его жизнь.

В тропиках часть команды серьезно заболела, и фон Майер избрал одним из методов лечения популярное в те времена кровопускание.

На рейде в Батавии фон Майер произвел немало кровопусканий и заметил, что «кровь, выпускаемая из ручной вены, отличалась такой необыкновенной краснотой, что, судя по цвету, я мог бы думать, что попал на артерию». Отсюда он сделал вывод, что «температурная разница между собственным теплом организма и теплом окружающей среды должна находиться в количественном отношении с разницей в цвете обоих видов крови, то есть артериальной и венозной… Эта разница в цвете является выражением размера потребления кислорода или силы процесса сгорания, происходящего в организме… Это казалось невероятным, но так было не у одного, а у всех пациентов».

Другими словами, фон Майер пришел к заключению, что в тропиках, где жарко и для поддержания температуры тела нужно меньше энергии, не весь кислород отдается тканям – то есть окислительные процессы идут при значительно меньшем потреблении кислорода. Этот вывод стал результатом многих часов размышлений. Перед фон Майером встал вопрос: как изменится количество теплоты, выделяемое организмом при переработке пищи, если он при этом будет совершать работу? Если бы количество теплоты не изменилось, то из того же количества пищи можно было бы получать больше тепла путем перевода работы в тепло (например, через трение). Если же количество теплоты изменится, значит, работа и тепло должны быть каким-то образом связаны и между собой, и с процессом переработки пищи. Подобные рассуждения привели Майера к формулированию закона сохранения энергии в качественной форме: «Движение, теплота и, как мы намерены показать в дальнейшем, электричество представляют собой явления, которые могут быть сведены к единой силе, которые изменяются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам». Это уже фактически была формулировка закона сохранения энергии.

Тому же фон Майеру принадлежит перенос закона сохранения энергии на астрономические тела: он утверждал, что тепло, которое поступает на Землю от Солнца, должно сопровождаться химическими превращениями или механической работой на самом Солнце: «Всеобщий закон природы, не допускающий никаких исключений, гласит, что для образования тепла необходима известная затрата. Эту затрату, как бы разнообразна она ни была, всегда можно свести к двум главным категориям, а именно: она сводится либо к химическому материалу, либо к механической работе». Автору этих слов не было в то время и тридцати. В письме к другу, психиатру Вильгельму Гризингеру, он писал, что для своего закона у него есть доказательство от противного – факт невозможности существования перепетуум мобиле, «вечного двигателя».

Фон Майер сформулировал свои выводы во вполне конструктивной для физиков того времени форме, однако, несмотря на это, ему так и не удалось опубликовать их в физических журналах. В ведущем на тот момент журнале Annalen der Physik und Chemie его статью отклонил главный редактор журнала Иоганн Поггендорф. Тот имел определенные основания достаточно негативно отнестись к работе Майера: высказанные в ней идеи были изложены еще довольно туманно.

Позже эта работа была обнародована в немецком фармакологическом журнале Annalen der Chemie und Pharmacie и в брошюре, изданной фон Майером за свой счет. Но на его статью в журнале не обращали внимания целых двадцать лет, вплоть до 1862 года, когда ее обнаружил немецкий физик и математик Рудольф Клаузиус.

В работе 1851 года «Замечания о механическом эквиваленте теплоты» фон Майер впервые пытался защитить свой приоритет. Он признал, что открытие сделано им случайно (и было связано с наблюдениями на Яве), но «оно все же моя собственность, и я не колеблюсь защищать свое право приоритета». Он ссылался на статью 1842 года, цитировал ее, приводил значение механического эквивалента теплоты, разъяснял собственные взгляды на воздействие и особенности того, что позднее назвали энергией.

То, что возможно получить тепло за счет выполнения механической работы, с убедительностью было установлено еще опытами Бенджамина Румфорда и Хэмфри Дэви, произведенными в конце XVIII века. Эти опыты свидетельствовали, что тепловая и механическая энергия – одно и то же. Что, вероятно, экспериментально можно найти механический эквивалент теплоты, то есть определить количество работы в механических единицах, эквивалентное тому же количеству теплоты в тепловых единицах.

Эксперименты, в которых за счет механической энергии создавалась теплота, следовали один за другим. Среди ученых, успешно занимавшихся этой проблемой, конечно, первым следует назвать английского физика Джеймса Джоуля. Он выбрал целью своей жизни доказательство того, что теплота – это форма энергии.

Страсть к науке выдающегося физика-экспериментатора была беспредельной. Даже во время медового месяца он находил время для измерения температуры воды у вершины и подножия живописного водопада, около которого они с молодой женой жили. Он делал это для того, чтобы убедиться, что разность значений температуры воды соответствует закону сохранения энергии.

В 1845 году Джоуль точно измерил количество теплоты, получаемое при преобразовании механической работы в тепловую энергию, и уточнил результат, полученный ранее фон Майером. Таким образом, именно усилиями фон Майера и Джоуля было сделано открытие, принесшее первое экспериментальное доказательство кинетического характера тепла – этой некогда загадочной и таинственной субстанции. Это открытие дало возможность подтвердить переход одного вида энергии в другой. Но вопрос о приоритетном споре в этой сфере закрыт не был. Кроме этих двух ученых был еще и третий!

С утверждением, что энергия может переходить из одного вида в другой, в 1847 году выступил Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц, которого тоже называют среди тех, кто открыл закон сохранения энергии. В отличие от своих предшественников, Гельмгольц смог связать закон сохранения энергии с невозможностью существования вечного двигателя. Все виды сил (позднее получившие название видов энергии) Гельмгольц свел к двум большим типам: живым силам движущихся тел (кинетической энергии в современном понимании) и силам напряжения (тому, что мы сейчас называем энергией потенциальной). Гельмгольц сформулировал закон сохранения этих сил в следующем виде: «Во всех случаях, когда происходит движение подвижных материальных точек под действием сил притяжения и отталкивания, величина которых зависит только от расстояния между точками, уменьшение силы напряжения всегда равно увеличению живой силы, и наоборот, увеличение первой приводит к уменьшению второй. Таким образом, всегда сумма живой силы и силы напряжения постоянна». Звучит, конечно, довольно туманно, но при желании все же разобраться можно.

Гельмгольц был одним из самых знаменитых физиков второй половины XIX столетия, общепризнанным лидером естественных наук. К тому же Гельмгольц неоднократно признавал приоритет фон Майера и Джоуля, подчеркивая, однако, что с работой фон Майера он знаком не был, а работы Джоуля знал недостаточно.

Что же касается фон Майера и Джоуля, то их спор о приоритете вскоре вышел за рамки чисто научного. В своих сообщениях фон Майер обращал внимание на то, что закон сохранения энергии, «а также численное выражение его, механический эквивалент теплоты, были почти одновременно опубликованы в Германии и Англии». Он указывает на исследования Джоуля и признает, что Джоуль «открыл безусловно самостоятельно» закон сохранения и превращения энергии и что «ему принадлежат многочисленные важные заслуги в деле дальнейшего обоснования и развития этого закона».

Фон Майер пишет: «Я убежден, что Джоуль сделал свое открытие о теплоте и силе, не зная моих работ, и признаю, что многочисленные заслуги этого известного физика внушили мне большое к нему уважение; тем не менее я полагаю, что могу с полным правом подтвердить: закон эквивалентности тепла и живой силы, с его численным выражением, опубликовал впервые я (в 1842 г.)». Однако в работах Джоуля и Гельмгольца имя фон Майера не встречается – ни в отчете Джоуля о превращениях энергии, опубликованном в журнале Парижской академии Comptes rendus («Доклады») в 1847 году, ни в упомянутой выше работе Гельмгольца «О сохранении силы», появившейся годом позже.

Но фон Майер не был склонен уступать свое право на приоритет. Спокойный тон его заявлений не может скрыть той глубокой душевной травмы, которая была нанесена ему «мелкой завистью цеховых ученых» и «невежеством окружающей среды». А его еще и обвинили в попытке присвоить чужие заслуги…

Последующая жизнь фон Майера была весьма непростой. В течение двух лет умерли двое из его троих детей. Местные ученые дразнили его, называя сумасшедшим философом. Его травили в газетах – скромного и честного ученого обвиняли в мании величия. Закончилось все тем, что в 1850 году фон Майер выбросился из окна своей спальни. Физически он пострадал не сильно, но последующие три года провел в психиатрической клинике.

И все же его спасли физика и самолюбие. Фон Майер нашел в себе силы ответить недругам уже упомянутой нами отдельной брошюрой Bemerhungen u¨ber das mechanische Aequivalent der Wa¨rme («Замечания о механическом эквиваленте теплоты»), вышедшей в 1851 году. По словам Оствальда, «это сочинение было написано кровью Майера, что исчерпало его последние силы». Осенью у фон Майера обнаружилось воспаление мозга, после чего его поместили сначала в частную лечебницу, а затем в казенную психиатрическую больницу. Научную деятельность он смог возобновить лишь в 1862 году.

Последние годы жизни фон Майера все же несколько примирили его со светом, он смог вкусить заслуженной славы, пусть и не в полной мере. В 1871 году он получил медаль Лондонского королевского общества, позднее его наградила Французская академия наук. Фон Майер стал почетным доктором родного университета в Тюбингене.

Незадолго до его смерти в 1874 году вышло собрание его трудов по закону сохранения и превращения энергии под названием «Механика тепла». Фон Майер не был физиком, но смог представить обобщенное понимание закона сохранения, распространив его на явления жизни и космос. Именно это смущало и физиков, именно это рассматривалось научным сообществом как абстрактные метафизические размышления, не более. Куда понятнее для этого сообщества являлись эксперименты Джоуля или работы всемирно известного ученого, каким уже в то время был Гельмгольц. Никто не спорит – слава этих исследователей вполне заслужена, и сомневаться в ней было бы глупо. Однако «ученый мир» состоит не из одних великих деятелей науки.

Открытие Нептуна: Урбен Леверье и Джон Коуч Адамс

Как известно, планета Уран была открыта в 1781 году. Но вскоре в движении планетного тела обнаружились загадочные аномалии: она то «отставала» от расчетного положения, то опережала его, ее то не могли увидеть на ожидаемом месте, то она появлялась в определенной точке небосвода раньше, чем следовало по расчетам. Первым эти отклонения от расчетной траектории в 1783 году заметил петербургский академик Андрей Иванович Лексель. Изучив особенности движения Урана, Лексель предположил, что на него воздействует притяжение неизвестного космического тела, расположенного еще дальше.

В 1821 году были опубликованы таблицы положения Урана, рассчитанные на много лет вперед, а в 1832 в отчете Британской Ассоциации развития науки будущий королевский астроном Дж. Эйри указал, что за 11 лет разница в положении Урана достигла почти полминуты дуги, что слишком много для простой ошибки в расчетах. Вскоре после опубликования отчета Эйри получил от британского астронома-любителя, преподобного доктора Хасси, письмо, в котором тот предлагал поискать «заурановую» планету по ее возмущающему воздействию на Уран. По-видимому, это было первым предложением искать планету за Ураном. Эйри идею Хасси не одобрил, и поиски не были начаты.

Конец ознакомительного фрагмента.