Что же говорили по этому поводу в те дни ученые?
Для ответа на затруднительные вопросы наука располагала тогда целым набором так называемых «невесомых материй». Существовала «невесомая материя упругости», «материя холода», «тепловая материя» и даже «невесомая материя тяготения».
Вас интересует, почему вода в чайнике, поставленном на огонь, нагревается. Ответ готов: невесомая тепловая материя, выделяемая огнем, входит в воду и нагревает ее. Если чайник с горячей водой поставить на лед, то в него войдет материя холода и вода охладится.
Хотя такого рода объяснения не помогают понять истинную причину тех или иных природных явлений, все же во времена М. Ломоносова, да и много лет позже, существование «тепловой материи» принималось без возражений почти всеми учеными. Так объясняли тепловые явления с университетских кафедр.
М. Ломоносов пришел к глубокому убеждению в произвольности представлений о существовании каких-то невесомых материй. В январе 1745 года он представил в Академию наук свои размышления «О причине теплоты и холода».
«Очень хорошо известно, — говорил он академикам, — что теплота возбуждается движением: от взаимного трения руки согреваются; дерево загорается пламенем; при ударе кремня об огниво появляются искры; железо накаливается докрасна от проковывания частыми и сильными ударами, а если их прекратить, то теплота уменьшается и произведенный огонь тухнет».
Но «тела могут двигаться двояким движением — общим, при котором все тело непрерывно меняет свое место при покоящихся друг относительно друга частицах, и внутренним, которое есть перемена места нечувствительных частичек материи». Какое же из этих движений производит теплоту?
«Так как, — заключает Ломоносов, — при самом сильном общем движении часто не наблюдается теплоты, а при отсутствии такого движения наблюдается большая теплота, то, следовательно, теплота состоит во внутреннем движении материи».
Итак, теплота — это движение тех самых частичек, из которых состоят все тела. Чем выше температура, тем быстрее движутся частицы. Но почему же мы ни просто глазом, ни с помощью микроскопа не замечаем никакого движения в нагретых телах?
И это М. Ломоносов не оставляет без ответа. «Ведь нельзя отрицать, — говорит он, — существования движения там, где его не видно: кто, в самом деле, будет отрицать, что, когда через лес проносится сильный ветер, то листья и сучья деревьев колышутся, хотя бы при рассматривании издали глаз не видел движения. Точно так же как здесь вследствие расстояния, так и в теплых телах вследствие малости частичек движущейся материи колебание ускользает от взора».
В диссертации М. Ломоносова встречаются мысли, поражающие своей прозорливостью. «Нельзя назвать, — пишет он, — например, какую-нибудь определенную скорость движения, чтобы мысленно нельзя было представить себе большую». Поэтому и температура тела может быть очень высокой. Мы знаем сейчас, что внутри звезд температура достигает миллионов градусов.
«Наоборот, — добавляет М. Ломоносов, — то же самое движение может настолько уменьшиться, что, наконец, тело достигнет совершенного покоя, и никакое дальнейшее уменьшение движения невозможно. Следовательно, по необходимости должна существовать наибольшая и последняя степень холода…»
Это заключение совпадает с современным представлением о том, что при абсолютном нуле, равном –273,2 градуса Цельсия, прекращается беспорядочное тепловое движение молекул.
Сочинение «О причине теплоты и холода» вызвало оживленные отклики. Подавляющее большинство ученых не поняли М. Ломоносова и не согласились с ним. Слишком революционными были его мысли.
Из современников только гениальный математик Л. Эйлер оценил значение физических исследований М. Ломоносова. Характеризуя их, Л. Эйлер писал в Санкт-Петербургскую академию наук: «Все сии диссертации не токмо хороши, но и весьма превосходны, ибо он пишет о материях (вопросах) физических и химических весьма нужных, которые поныне не знали и истолковать не могли самые остроумные люди… Желать должно, чтобы и другие академии в состоянии были произвести такие открытия, какие показал г-н Ломоносов».
Работы М. Ломоносова не были продолжены его современниками не потому, что они их не знали, а потому, что заложенные в них идеи опережали тогдашнюю науку более чем на сто лет.
Лучший судья всех научных теорий — время подтвердило правильность мыслей М. Ломоносова.
У колыбели великого закона
В годы, последовавшие за постройкой химической лаборатории, обширный круг занятий М. Ломоносова еще более расширился: к физическим исследованиям добавились важные работы по химии и химической технологии. Тогда же ученый становится известным как драматург и художник.
Пленившись прекрасными образцами итальянской мозаики, М. Ломоносов решает заменить цветные камни, из которых складывались мозаичные картины, специально приготовленными цветными стеклами. Много внимания уделяет он технологии получения стекла. Больше четырех тысяч опытов, при которых ученый «не только рецепты сочинял, но и материалы своими руками по большей части развешивал и в печь ставил», — таков путь к намеченной цели. А ведь надо было еще овладеть мастерством шлифовки стеклянных брусочков и их закрепления в картине.
Но вот, наконец, напряженный труд ремесленника, лежащий у подножия искусства, позади. В 1752 году Михайло собственноручно изготовляет большую мозаичную картину. Успех окрылил его. Он организует фабрику для массового изготовления цветных стекол. Гениальный ученый оказался, однако, плохим коммерсантом. Финансовые дела фабрики шли не блестяще и доставляли организатору ее много хлопот.
В 1761 году М. Ломоносов получил правительственный заказ на украшение мозаичными картинами предполагаемого памятника Петру I. Построив вблизи своего дома специальную мастерскую, он вместе с учениками и помощниками принялся за изготовление мозаичных картин. Мозаики его и сейчас поражают яркостью красок и высоким художественным мастерством.
Занятие мозаичными картинами не остановило химических исследований М. Ломоносова. Именно в эти годы он подтверждает опытами открытый им раньше основной закон природы.
Еще в 1748 году в письме к Эйлеру ученый утверждал: «Все перемены, в натуре случающиеся, только суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому. Так ежели, где убудет несколько материи, то умножится в другом месте… Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оной у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».
Но первая половина этого важного закона как будто противоречила опыту. Знаменитый английский ученый Р. Бойль пытался установить, что произойдет, если прокалить в запаянной реторте точно отвешанный кусок свинца.
После двухчасового прокаливания свинец частично превратился в окалину. Вскрыв реторту и взвесив оставшийся свинец вместе с окалиной, Р. Бойль записал: «По нашему наблюдению при этой операции была прибыль в весе на 6 гранов». Он объяснил это тем, что «материя огня» проникла через стеклянные стенки реторты и, соединившись с металлом, увеличила его вес.
М. Ломоносов не верил в существование «материи огня». Но как тогда объяснить результат опытов Р. Бойля? Надо было их повторить и проверить. Создание лаборатории предоставило ему эту возможность.
И вот в 1756 году М. Ломоносов докладывает на конференции Академии наук: «Делал опыты в заплавленных накрепко стеклянных сосудах, чтобы исследовать, прибывает ли вес металлов от чистого жару. Оными опытами нашлось, что славного Роберта Бойля мнение ложно, ибо без пропущения внешнего воздуха вес сожженного металла остается в одной мере».
Так был подтвержден один из важнейших законов природы — закон сохранения материи.
Исключительно интересна вторая половина закона Михайлы Ломоносова. Мы знаем, что закон постоянства количества движения формулировался уже раньше Декартом. Однако М. Ломоносов первым ясно представлял себе возможность превращения энергии движущегося тела в теплоту. Именно этим он объяснял охлаждение воды при растворении некоторых солей. «Когда какое-либо тело, — пояснял он, — ускоряет движение другого, то сообщает ему часть своего движения, но делая это, оно само теряет точно такую же часть. Поэтому частички воды, ускоряя вращательное движение частичек соли (при растворении. — Б. К.), теряют часть своего вращательного движения. А так как последнее — причина теплоты, то нисколько не удивительно, что вода охлаждается при растворении соли».
Замечательно, что М. Ломоносов использовал открытый им закон не только для объяснения различных явлений, но и как аргумент для опровержения неверных, по его мнению, гипотез.
Так, например, желая доказать невозможность «действия на расстоянии» без участия какой-либо материальной среды, он первоначально допускает возможность подобного действия, а затем показывает, что при этом предположении нарушается «закон сохранения», и, следовательно, действие на расстоянии невозможно.
Как мы видели, неуничтожаемость вещества или движения, взятых в отдельности, формулировалась как догадка до М. Ломоносова. Заслуга его в том, что, обладая гениальным даром предвидения, он объединил в одном общем законе «все перемены, в натуре случающиеся». Только в наши дни, через 200 лет после М. Ломоносова, можно полностью понять и оценить значение этого великого обобщения. На протяжении последних ста лет законы сохранения вещества и энергии служили основанием для развития естествознания и обеспечили сказочный прогресс науки и техники, свидетелями которого мы являемся.
Много внимания уделял М. Ломоносов исследованию электрических явлений. Большой вклад внесен им в изучение атмосферных явлений, в создание новых и улучшение существовавших физических приборов. Для всех этих работ характерны оригинальность и глубина научных идей, опережавших свое время на многие годы.