Ньютон-химик, или об относительной сложности наук

На чьих плечах стоял Эйнштейн

Физика и химия, две основные науки о веществе, несмотря на их взаимодействие и взаимопроникновение, имеют разный характер и специфику. Идея выведения всех знаний из немногих основных принципов, которую декларируют и частично осуществляют физики, эффективна и привлекательна. Однако, химические явления очень редко удается объяснить таким образом. В этом — прелесть химии, которая содержит помимо науки что- то от искусства и спорта.

В истории есть любопытный пример, когда одна незаурядная разносторонняя личность, занимаясь физикой и химией, достигла совершенно разных по масштабам результатов. Это — сэр Исаак Ньютон (1643—1727). Гений. Это про него Эйнштейн сказал: «Я видел так далеко потому, что стоял на плечах гигантов».

Согласно отзыву вовсе не склонного к сентиментальности Л.Д.Ландау, Ньютон — «один из величайших ученых в истории человечества». Мощь его интеллекта была такова, что он не затруднялся созданием новых разделов математики, когда возникала такая потребность (когда Эйнштейну для создания общей теории тяготения понадобился аппарат уже существующей теории тензоров, он привлек специалиста-соавтора). Один из величайших математиков Эйлер жаловался, то, изучая труды Ньютона, он ясно понимал рассуждения, пока читал текст, но стоило изменить условия задач — и он уже не мог их решить. Это заставило Эйлера разработать методику систематического изложения математического анализа.

Блестящие следы своего гения Ньютон оставил даже в тех областях, которых касался вскользь. Вот например, коротенькая заметка 1701 года о расширении температурной шкалы в область высоких температур. Ньютон предлагает определять температуру нагретых тел по времени охлаждения. Полученные результаты, в том числе и по переохлаждению расплавленных металлов, позволяют причислять Ньютона к родоначальникам термического анализа.

В письме 27-летнего Ньютона своему другу Астону, собиравшемуся в поездку за границу, среди прочих советов мы находим замечания, родственные своду правил поведения Дейла Карнеги: «Вы мало или ничего не выиграете, если будете казаться умнее или менее невежественным, чем общество, в котором вы находитесь». Это — прикладная психология, которая позволила Ньютону спокойно дожить до глубокой старости.

По мнению С.И.Вавилова, «Ньютон был физиком, и физиком главным образом. Астрономия была eгo гигантской лабораторией, математические методы — гениальными инструментами». Помимо математики, физики и астрономии (в физике, кроме оптики, механики и гидравлики, он занимался акустикой, магнетизмом, электричеством, тепловыми и капиллярными явлениями), Ньютон интересовался географией, баллотировался на факультет права, ставил физиологические опыты, серьезно изучал экономику, историю, и то, что нас больше всего интересует в настоящий момент — химию.

«Наука и религия» тогда

Понять универсальность Ньютона невозможно, не осознав того, что он по образованию, мироощущению и целям работы в первую очередь был богослов, теолог-естествоиспытатель, человек, пытающийся понять божественную мудрость не только из текстов, но и из природы. Его систематический ум (это свойство заметно уже в юношеских конспектах) требовал полного и связного описания всей картины мира в соответствии с убеждением, что творец «упорядочил все вещи мерою, числом и весом».

Провозглашенная протестантством возможность для каждого лично познавать божественную волю стала хотя и ограниченным, но мощным стимулом для высвобождения человеческого разума. Хотя виттенбергские теологи и объявили, что «разум следует подавлять верой», однако «процесс пошел». А в Англии во второй половине XVII в. вообще сложилась своеобразная ситуация. В то время во всей континентальной Европе ученые после процесса над Галилеем (1633) поняли, что с церковью — все равно, католической или протестантской — шутить опасно и самый надежный способ избежать неприятностей — только изучать факты, не истолковывая их. В Англии же церковь не отказывалась от опоры на науку. Например, старший современник Ньютона химик Роберт Бойль был известным теологом.

Одним из направлений исследований Тринити-колледжа в Кембридже, где учился и работал Ньютон, был сравнительный анализ древних языков с целью свести их к одному — древнееврейскому, в соответствии с указаниями Библии. Такая деятельность требовала необычайной разносторонности. от. например, один из предтечей дифференциального и интегрального исчисления Исаак Барроу, старший коллега и учитель Ньютона, который уступил ему кафедру математики в Тринити-колледже и предпочел должность придворного капеллана. Он занимался древней хронологией, античной наукой, изучал старые астрономические и математические трактаты, владел древними языками и создал комментированные переводы Евклида и Архимеда.

Заметим, что теория и практика русского православия, уверенно выходившего в то время в первые ряды христианского мракобесия, была существенно иной. Даже католическая церковь, заставившая Галилея отречься от своих взглядов, не запретила ему мыслить, как это сделало православие по отношению к Максим) Греку. Просветитель Сильвестр Медведев, автор проекта Московского университета, признававший мерилом истины и человеческой духовности разум, год провел в монастырском заточении, изолированный от людей, лишенный бумаги и чернил, и был казнен как чернокнижник в 1691 году, через 4 года после первого издания «Математических начал натуральной философии».

Ньютон-химик

Он утверждал, что поседел к тридцати годам не от глубоких размышлений, а от частых опытов со ртутью. Вот письмо 1677 г.: «Сначала я расплавил одну медь, затем положил туда мышьяк и. сплавив несколько, размешал все вместе, остерегаясь вдыхать ядовитый дым. Затем добавил олова и снова, после очень быстрого расплавления его, все перемешал». В лаборатории было много химических приборов, однако чаще всего сэр Исаак пользовался плавильными тиглями. При изучении превращений металлов его настольной книгой был классический труд Агриколы «De Metallis». Все это было вполне в духе времени…

От гения мы ждем разработки основных принципов, законов, понятий. Однако ничего подобного нет. Более того, мы не знаем ни реакции, ни соли, ни сплава Ньютона. Почему?

Экспериментальные занятия Ньютона со сплавами начались около 1666 г., когда он искал наилучшее покрытие для телескопа- рефлектора. Но основной целью его поисков была трансмутация элементов — популярнейшая с древних времен задача. Из современников Ньютона превращение элементов считали возможным и работали над ним Бойль, Локк и Лейбниц. В уже упоминавшемся письме Астону Ньютон пишет: «...Наблюдайте естественные продукты природы, в особенности в рудниках, способы их разработки, извлечение металлов и минералов и их очищение. Если Вы встретитесь с какими-либо превращениями веществ из их собственных видов, как, например, железа в медь, какого-либо металла в ртуть, одной соли в другую или в щелочь и т.д., то обращайте на это внимание более всего, так как нет опытов в философии, более проясняющих и обогащающих, чем эти». Таким образом, он не делает различий между превращениями соединений и превращениями элементов.

Интерес к химическим, или скорее физико-химическим, проблемам (строение материи, растворение, капиллярные силы и т.д.), привел к построению эфирно-атомистических концепций: «В гипотезе необходимо допустить существование эфирной среды, весьма сходной с воздухом, но гораздо более редкой, более тонкой, более упругой». Одна из этих концепций, восходящая, по-видимому, к Бойлю, была весьма удачной — представление об иерархии корпускул, связанных все менее интенсивными силами взаимного притяжения частей. Поскольку «кластеры» Бойля были образованы единой первичной материей, химические превращения металлов казались вполне возможными и должны были заключаться в перегруппировке исходных элементов.

В 1692 г. Ньютон опубликовал своеобразную теорию трансмутации: «Золото состоит из взаимно притягивающихся частиц, сумму их назовем первым соединением, а сумму этих сумм вторым и т.д. Ртуть и царская водка могут проходить через поры между частицами последнего соединения, но не через иные. Если бы растворитель мог проходить через другие соединения, иначе, если бы можно было разделить частицы золота первого и второго соединений, то золото сделалось бы жидким и текучим. Если бы золото могло бродить, то оно могло бы быть превращено в какое- нибудь другое тело».

Опыты с металлами продолжались 30 лет. Позже, когда Ньютон был назначен начальником монетного двора, сведения, полученные во время этих экспериментов, ему пригодились. При проведении монетной реформы сэру Исааку удалось в короткий срок увеличить выпуск металлических денег в восемь раз. Что же касается гипотетических построений, то Ньютон сам их и отверг, а развитие науки не оставило от них и следа.

Но в химию Ньютон вклада не внес. В обстоятельной «Истории химии» Микеле Джуа (М.: Мир, 1975) Ньютону не нашлось места даже среди второстепенных деятелей, и он упоминается, вместе с Галилеем, только как один из создателей опытного метода в науке.

Бюджет времени»

Сколько и на что потратил в своей жизни времени Ньютон?

Ньютон часто работал параллельно, так что сумма лет в таблице превышает время его жизни. Например, время написания «Математических начал натуральной философии» (1685—1687 гг.) совпало с очень интенсивной работой в химической лаборатории. Время, отданное той или иной области науки, можно определить лишь приближенно. В разное время работа шла с разной интенсивностью — творческий процесс вообще неоднороден. Идеальные условия полутора- годовой изоляции в Вулсторпе во время чумы 1665—1666 гг., когда были сделаны гениальные открытия в математике, механике и оптике, сильно отличаются от условий 90-х годов, когда Ньютон перенес пожар, уничтоживший рукописи, и последовавшее за ним психическое заболевание. И все же посмотрим…

Полученные Ньютоном в физике и математике результаты общеизвестны. Заметим только, что Ньютон поставил, но не сумел точно решить некоторые сложнейшие задачи (как, например, определение формы тела, имеющего наименьшее сопротивление при движении в вязкой среде), которые дожидались XX века и сейчас еще остаются актуальными.

Нам трудно оценить важность богословских результатов Ньютона, например установления подложности некоторых апостольских писаний. Для Ньютона историко-богословские изыскания были частью основной задачи его жизни. Если, когда он писал свои «Начала», он хотел раскрыть природу Бога и показать, как мудро тот устроил мир, то хронологический труд должен был показать, как создавалось человеческое общество. Основную главу своей хроники, в которой он пытался уложить всю человеческую историю в библейские рамки, Ньютон переписал 80 раз. Он рассмотрел всю имевшуюся литературу по древней истории. То, что, в конечном счете, эта работа кончилась ничем (Ньютон ошибался не на десятки и сотни лет, а на тысячелетия), — только результат ложности исходной предпосылки. Труд Ньютона стал одним из звеньев процесса перевода Библии в разряд литературы (так же, как и окончательное утверждение гелиоцентрической системы мира в противоречие библейскому тексту).

А как же в химии?

Но совершенно другой характер имеет химическая неудача. Ньютон, гениальный физик и математик, оказался несостоятельным, хотя и прилежным химиком. Почему?

Можно было бы просто сказать, что химия — очень сложная наука (если угодно, очень-очень сложная физика), которая Ньютону оказалась не по зубам. В этом, несомненно, есть часть истины. Американский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман заметил как-то, что «причина, по которой физику удается выводить что-то из основных принципов, состоит в том, что он выбирает только простые задачи». Но такой ответ трудно признать достаточным.

В чем причина бесплодности 30- летней напряженной работы? Может быть, Ньютон был плохим экспериментатором? Отнюдь. Другие области наук свидетельствуют о том, что он был мастер тонкого эксперимента, отличался умением точно поставить природе вопрос. Однако в химии это научное чутье Ньютону изменило. Химия металлов — один из наиболее сложных ее разделов, который окончательно сформировался в начале XX века после открытия законов гетерогенных равновесий. Законы простых и кратных отношений, постоянства состава выполняются в сплавах только в предельных случаях. Магистральное развитие химии шло через пневматическую химию, химию растворов и, возможно, кристаллографию.

Металлы Ньютон изучал потому, что занимался алхимией. Она была интересна ему как ученому. Кроме того, ему — как и другим — были небезразличны возможные практические приложения. Однако это было не бесплатно. «Так они, наподобие атлантов, сходят с пути для того, чтобы поднять золотое яблоко, обрывая тем временем свой бег и упуская победу из рук», — говорил Фрэнсис Бэкон, предостерегая в начале XVII века от торопливого и несвоевременного усердия по отношению к прикладным научным работам.

Но почему же Ньютон не довел до логического конца свои (и чужие) атомистические представления? Здесь, кажется, главная причина и ответ на основной вопрос.

Собака зарыта в дедукции

Ньютон провозгласил своим методом познания индуктивный метод. Вывести из явлений два или три общих принципа движения и затем изложить, как из этих ясных принципов вытекают свойства и действия всех вещественных предметов, вот что было бы очень большим шагом вперед в философии, хотя бы причины этих принципов и не были еще открыты». Но Ньютон не владел — точнее, не хотел владеть — методом гипотез. Этот дедуктивны и метод, по С.И.Вавилову, включает в себя не только выдвижение гипотез, содержащих положения, не доказанные непосредственным опытом (это Ньютон мог делать великолепно, чему примером «Вопросы» к его «Оптике»), и проверку их основных следствии (именно так Ньютон расправился с концепцией эфирных вихрей Декарта), но и последовательную разработку математических следствий выдвигаемых положений. Вот как формулирует этот метод Р.Фейнман: «Но откуда мы все-таки знаем, что атомы существуют? Мы предполагаем их существование, и все результаты, один за другим, оказываются такими, как мы предсказывали, — какими они должны быть, если все состоит из атомов». Один из первых случаев последовательного применения метода в такой трактовке — разработка волновой теории света Гюйгенсом.

Тут есть некая тонкость. Ньютон терпеть не мог качественных, словесных предположений и объяснений, которые нельзя проверить экспериментально. Разбирая вопрос о сопротивлении тела, движущегося в вязкой среде, Ньютон выдвинул три предположения: жидкость состоит из упругих частиц, из неупругих частиц, жидкость сплошная, — вычислил коэффициент сопротивления для каждого случая и провел ряд точных опытов по падению шаров (это в возрасте 67 и 78 лет!), подтвердивших третье предположение. Но в целом его позиция выражается гордым «гипотез не измышляю».

Психологическую и историческую подоплеку подобного отношения со стороны Ньютона можно понять. Его не могла удовлетворить, например, позиция инквизиции, объявившая учение Коперника только удобной математической гипотезой. С другой стороны, картина мира, предложенная Декартом, покоилась на совокупности произвольных, хотя внешне и правдоподобных предположений.

Между тем в XVII веке существовала и была хорошо разработана методика гипотезы. Римская коллегия иезуитов. Паскаль, Бойль и последователи Декарта физики- картезианцы (Рого, Реже) выдвигали свои гипотезы и перечисляли условия, при которых они могут быть приняты. При этом, согласно Декарту, основное условие, которому должна отвечать хорошая гипотеза, — ее понятность.

Дальнодействующая сила тяготения, вводимая Ньютоном, была абсолютно непонятной. Судя по воспоминаниям современников, Ньютон считал ее результатом действия божественного вмешательства. Для картезианской физики, последовательно изгонявшей отовсюду скрытые качества (магнетизм и тому подобное) и пытавшейся объяснить все явления на основе близкодействия — как давление (удары) мельчайших частиц эфира, в том числе перенос планет эфирными вихрями, предлагавшаяся Ньютоном система мира выглядела как раз основанной на произвольной и непонятной гипотезе (хотя математические ее преимущества они признали сразу).

Картезианцы выдвигали все более и более причудливые нагромождения предположений для того, чтобы спасти теорию вихрей: различные плотность и текучесть эфирной материи в разных слоях вихря, конструкции из последовательностей вихрей разной величины, в том числе бесконечно малых, и так далее. Эта многолетняя ожесточенная полемика (в частности, с Гюйгенсом, Лейбницем. Бернулли) и привила Ньютону отвращение к гипотезе. Еще в 1675 году Ньютон пишет: «Я заметил, что некоторые, коих я не мог убедить в моем мнении, говоря отвлеченно о природе света и цветов, легко согласились бы с ним, если бы я пояснил мое рассуждение какой-либо гипотезой... Меня не обязательно касается то, объясняются ли открытые мною свойства этой гипотезой или гипотеза Гука или другая могут объяснить их». Но во втором издании «Начал» (1717 год) появилось знаменитое «гипотез не измышляю».

Кажется, что именно предубеждение против гипотез помешало Ньютону поставить перед собой тот вопрос, который задал себе почти через столетие Дальтон: какими свойствами нужно наделить атомы, чтобы при помощи их можно было бъяснить существующие закономерности в составе тел? Сформулировав их — тождественность атомов одного и того же вещества, неделимость, атомный вес (с указанием на приоритет Ньютона) и способность различных атомов соединяться между собой в различных отношениях, — Дальтон стал искать и экспериментально нашел в 1803—1804 годах закон простых кратных отношений и способ определения атомных весов.

В целом у Ньютона было гораздо более ясное представление об иерархии уровней дискретности материи, чем у большинства химиков второй половины XIX века, путавших атомы и молекулы. Но во всяком случае, Ньютон не мог выдвигать противоречивых гипотез. Для количественной же проверки не хватало еще слишком многого, в частности теории сил отталкивания, хотя некоторые прикидки Ньютон и делал. Ирония истории заключается в том, что наивность и легковесность построений Дальтона (фантастические теплородные лучи, исходящие от атомов и отталкивающие их друг от друга) позволили тому продвинуться вперед. Ньютон так действовать не мог.

Традиция как результат

В химии прочно утвердилась традиция чистой эмпирии, привязки к фактам и нежелания посмотреть на них с более высокой точки зрения, которая может быть отчасти возведена к Ньютону. Например, Лавуазье в сердцах воскликнул: «Гипотеза есть яд разрушения и чума философии; можно делать только те заключения и построения, которые непосредственно вытекают из опыта». Именно вследствие этого так тяжело и мучительно пробивало себе дорогу атомно-молекулярное учение. Горькой иронией в адрес Ньютона выглядит позиция открывателя хлора Гемфри Дэви: «Рассматривая все многообразные теории, которые можно построить на узком фундаменте из одного или двух фактов, я убеждаюсь в том, что задача истинного исследователя избегать их совершенно. Гораздо труднее собирать факты, чем заниматься спекулятивными умозрениями по их поводу: хороший эксперимент имеет больше ценности, чем все глубокомыслие такого гения, как Ньютон». Другую крайность представляет позиция Б.Кедрова, который считает гипотезу основным признаком теоретического мышления. Как раз деятельность Ньютона, изгонявшего гипотезы, дала на столетия вперед эталон научной теории.

К вопросу о вкладе

Чем химия обязана Ньютону? Во- первых, она с радостью восприняла из физики Ньютона представление о существовании притяжения — сродства между частицами. Это неотъемлемое понятие полумистической средневековой натурфилософии (например, у Кардано — подобное притягивается подобным, а противоположное отталкивается), яростно изгонялось из науки картезианской школой. Однако потребность в систематизации химических явлений и выигрыш от использования нового понятия был настолько велик, что химики почти сразу же ввели его в оборот, несмотря на то, что к химическим явлениям, очевидно, не применим закон обратных квадратов. Впрочем, эти попытки были такого же рода, как и введение Сен-Симоном и Фурье притяжения в социологию и создание ими социальной физики. Понятие сродства прошло в химии длительный период развития, пока не было поставлено на твердую термодинамическую почву Де Донде в 1934 г.

Огромное значение имело вытекающее из физики Ньютона признание массы основной характеристикой материи. Это стимулировало широкое применение весов в химических лабораториях и привело в конечном счете к открытию закона сохранения вещества и Периодического закона Менделеева.

О влиянии Ньютона на Менделеева нужно сказать особо. В 50-х годах XIX века студент Менделеев писал из загранкомандировки попечителю Петербургского учебного округа: «Главный предмет моих занятий есть физическая химия. Еще Ньютон был убежден, что причина химических явлений лежит в простом молекулярном притяжении, обуславливающем сцепление и подобном явлениям механики... Должно настать время, когда химическое сродство будет рассматриваться как механическое явление, подобно тому, как настало уже для нас время считать свет и теплоту подобными же явлениями. Я выбрал своею специальностью те вопросы, решение которых может приблизить это время». В соответствии с этим заявлением Менделеев занялся капиллярностью и тепловым расширением. Влияние Ньютона прошло через всю его жизнь. Он даже пытался идентифицировать ньютоновский эфир как химический элемент.

Определенная ирония истории заключается в том, что к открытию радиоактивности, реализовавшей ту самую трансмутацию, которую Ньютон искал всю жизнь, Менделеев отнесся очень осторожно. Однако открытие в 1869 г. Периодического закона было стимулировано навеянной Ньютоном мыслью о зависимости свойств атомов и частиц прежде всего от массы. Лучший памятник Ньютону-химику — доклад, который Менделеев сделал об открытом им законе в 1889 г. в Лондонском королевском институте: «Попытка приложения к химии одного из начал естественной философии Ньютона».