Остров знаний

Важно отметить, что такая пропорция верна для любого газа. Именно так появляются физические законы: на основании нескольких примеров определяется тенденция, а затем она переносится на целый класс веществ или объектов. Такая генерализация проверяется экспериментально в максимально широком ряде опытов до тех пор, пока не перестанет быть применимой. Например, в случае газов это может случиться при достижении экстремальных условий, ведущем к изменению обстоятельств и самого закона. При очень высоком давлении газы могут принимать жидкую или даже твердую форму. Но очевидно, что такое общее поведение и исключения из него должны определяться составом газа.

Ответ на этот вопрос был обнаружен в начале XVIII века, забыт, повторно найден век спустя, отклонен и наконец через несколько десятков лет снова принят, хотя и не без сомнений. Нужно сказать, что такие отклонения и сомнения не были полностью безосновательными, ведь предлагаемый ответ создавал опасный прецедент. Физическое объяснение свойств газа строилось на предположении о существовании невидимой реальности, недоступной ни нашим органам чувств, ни даже измерительным приборам. Можно ли использовать нечто, что мы не можем увидеть и в существовании чего мы даже не уверены, для объяснения результатов измерений? Если да, то как провести границу между невидимой и недоступной реальностью и фантазиями? Грубо говоря, если мы не можем увидеть ни атомы, ни фей, почему мы считаем, что атомы существуют, а феи – нет?

В 1738 году блестящий голландский математик Даниил Бернулли, действуя в истинном духе атомизма, предположил, что газы состоят из множества крошечных молекул, движущихся случайным образом и периодически сталкивающихся друг с другом без значительной потери энергии в процессе. Основываясь на своей атомистической гипотезе, Бернулли доказал, что давление газа возникает в результате ударов молекул о стенки сосуда. Согласно закону Бойля, если уменьшить объем сосуда с газом вдвое, сохранив при этом неизменную температуру, давление увеличится в два раза. Бернулли объяснял это тем, что при уменьшении объема молекулы имеют меньше простора для движения и потому чаще сталкиваются со стенками. Макроскопическим эффектом таких постоянных столкновений становится увеличение давления газа. Иными словами, Бернулли попытался объяснить макроскопическое свойство газа (давление) с помощью невидимых глазу микроскопических объектов. Значило ли это, что атомизм наконец-то превратился в точную науку?

До 1845 года в этой области не происходило ничего серьезного, но затем британский физик Джон Джеймс Уотерстоун подал в Королевское научное общество заявление о том, что он сумел связать температуру и давление газа с его крошечными молекулярными составляющими. Он доказал, что температура газа пропорциональна квадрату средней скорости его молекул, а давление – плотности молекул, умноженной на квадрат их средней скорости.[107] Это была беспрецедентная попытка связать температуру с движением. Еще более удивительной ее делал тот факт, что речь шла о движении невидимых объектов.

В течение многих столетий ученые пытались познать природу тепла, изобретая хитроумные объяснения и часто путая тепло и горение. Первым таким объяснением был флогистон – магическое вещество, из-за которого предметы могли гореть. Предположение о его существовании высказал немецкий врач и алхимик Иоганн Иоахим Бехер в 1667 году. Он заявлял, что языки пламени появляются, когда горючее вещество испускает флогистон. «Дефлогистированное» вещество, наоборот, будет несгораемым. Сомнения в гипотезе о флогистоне возникли, когда было доказано, что масса металлов увеличивается при сгорании. Это привело к возникновению совершенно диких теорий, например, о том, что флогистон имеет отрицательный вес или что он легче воздуха. Такое часто случается в науке: когда убедительная идея ставится под сомнение, на ее спасение бросаются все силы, пусть такие меры и кажутся отчаянными. Идея флогистона была окончательно отброшена только в 1783 году, когда Антуан Лоран Лавуазье с помощью ряда революционных экспериментов доказал, что для горения требуется газ, имеющий массу (кислород), и что в каждой химической реакции, включая горение, общая масса реактивов остается одинаковой.