Атом — это тело, которое нельзя разрезать на две части. Молекула — это наименьшая возможная часть какого-либо вещества. Никто никогда не видел и не держал в руках ни одной молекулы. Молекулярная наука, таким образом, является одной из тех отраслей науки, которые имеют дело с вещами, невидимыми и неощутимыми нашими органами чувств, и которые не могут быть подвергнуты прямому эксперименту.

Человеческий разум озадачен многими сложными вопросами. Бесконечно ли пространство, и если да, то в каком смысле? Бесконечен ли материальный мир, и все ли места в нем одинаково наполнены материей? Существуют ли атомы, или материя бесконечно делима?

Обсуждение подобных вопросов ведётся с тех пор, как люди начали размышлять, и для каждого из нас, как только мы начинаем использовать свои способности, эти старые вопросы возникают так же свежо, как и прежде. Они составляют такую же важную часть науки XIX-го века нашей эры, как и науки пятого века до нее.

Мы мало что знаем об организации науки во Фракии двадцать два века назад, или о механизмах, использовавшихся тогда для пробуждения интереса к физическим исследованиям. Однако в те времена жили люди, которые посвящали свою жизнь стремлению к знаниям с рвением, достойным самых выдающихся членов Британской ассоциации. Лекции, в которых Демокрит объяснял атомную теорию своим согражданам из Абдеры, принесли не только золотые мнения, но и золотые таланты — сумму, едва ли сопоставимую даже с американскими стандартами.

Другому выдающемуся философу, Анаксагору, наиболее известному для мира как учитель Сократа, мы обязаны за важнейшую услугу, оказанную атомной теории, которую после ее изложения Демокритом еще предстояло оказать. Анаксагор, по сути, изложил теорию, которая настолько точно противоречит атомной теории Демокрита, что истинность или ложность одной теории подразумевает ложность или истинность другой. Вопрос о существовании или несуществовании атомов не может быть представлен нам сегодня вечером с большей ясностью, чем в альтернативных теориях этих двух философов.

Возьмите любую часть материи, скажем, каплю воды, и понаблюдайте за ее свойствами. Как и любая другая часть материи, которую мы когда-либо видели, она делима. Если разделить ее на две части, каждая из них сохранит все свойства исходной капли, в том числе и то, что она делима. Части похожи на целое во всех отношениях, кроме абсолютного размера.

Теперь повторяйте процесс деления до тех пор, пока отдельные порции воды не станут настолько малы, что мы уже не сможем их воспринимать и обрабатывать. И все же мы не сомневаемся, что деление можно было бы продолжить, если бы наши чувства были более острыми, а инструменты — более тонкими. Пока что все согласны, но теперь возникает вопрос: можно ли повторять это подразделение вечно?

Согласно Демокриту и атомной школе, мы должны ответить на этот вопрос отрицательно. После определенного числа делений капля будет разделена на множество частей, каждая из которых больше не способна к дальнейшему делению. Таким образом, в воображении мы должны прийти к атому, который, как буквально означает его название, не может быть разрезан на две части. Это атомная доктрина Демокрита, Эпикура, Лукреция и, я могу добавить, вашего лектора.

Согласно Анаксагору, части, на которые делится капля, во всех отношениях подобны целой капле, а размер тела ничего не значит в отношении природы его субстанции. Следовательно, если вся капля делима, то и ее части делимы вплоть до мельчайших подразделений, и так до бесконечности.

Суть учения Анаксагора заключается в том, что части тела во всех отношениях подобны целому. Поэтому оно получило название доктрины гомеомерии. Анаксагор, конечно, не утверждал этого в отношении частей организованных тел, таких как люди и животные, но он утверждал, что те неорганические вещества, которые кажутся нам однородными, действительно таковыми являются, и что универсальный опыт человечества свидетельствует о том, что все без исключения материальные тела делимы.

Таким образом, учение об атомах и учение об однородности находятся в прямом противоречии.

Но теперь мы должны перейти к молекулам. Молекула — это современное слово. Оно не встречается в словаре Джонсона. Идеи, которые оно воплощает, принадлежат современной химии.

Капля воды, возвращаясь к нашему прежнему примеру, может быть разделена на определенное количество, и не более, порций, похожих друг на друга. Каждую из них современный химик называет молекулой воды. Но она ни в коем случае не является атомом, поскольку содержит два разных вещества — кислород и водород, и при определенном процессе молекула может быть фактически разделена на две части, одна из которых состоит из кислорода, а другая — из водорода. Согласно принятой доктрине, в каждой молекуле воды есть две молекулы водорода и одна — кислорода. Я не буду пытаться решить, являются ли они конечными атомами или нет.

Теперь мы увидим, что такое молекула в отличие от атома.

Молекула вещества — это маленькое тело, такое, что если, с одной стороны, собрать вместе несколько подобных молекул, то они образуют массу этого вещества, а с другой стороны, если удалить любую часть этой молекулы, то она уже не сможет вместе с набором других молекул, подвергшихся подобной обработке, образовать массу исходного вещества.

У каждого вещества, простого или сложного, есть своя молекула. Если эту молекулу разделить, то ее части станут молекулами другого вещества или веществ, отличных от того, из которого состоит целое — молекула. Атом, если он существует, должен быть молекулой элементарного вещества [прим. видимо Максвелл имеет ввиду «материю как таковую» и ещё не избавился от континуального мышления]. Поскольку, таким образом, каждая молекула не является атомом, а каждый атом — молекулой, я буду использовать слово «молекула» как более общий термин.

Я не намерен отнимать у вас время, излагая доктрины современной химии в отношении молекул различных веществ. Обратиться к вам меня побуждает не специальный, а универсальный интерес молекулярной науки. Не потому, что мы химики, физики или специалисты любого рода, нас влечет к этому центру всего материального бытия, а потому, что все мы принадлежим к расе, наделенной способностями, которые побуждают нас все глубже и глубже искать природу вещей.

Мы видим, что сейчас, как и во времена самых ранних физических спекуляций, все физические исследования сходятся к одной точке, и каждый исследователь, вглядываясь в туманную область, к которой ведет его путь открытий, видит, каждый в соответствии со своим зрением, видение одного и того же поиска.

Один видит атом как материальную точку, окруженную потенциальными силами. Другой не видит никаких одеяний силы, а только голую и абсолютную твердость простой непроницаемости.

Но хотя многие спекулянты, видя, как видение отступает перед ними в сокровенное святилище немыслимо малого, вынуждены были признать, что эти поиски не для них, и хотя философы во все века увещевали друг друга направить свой ум на какую-то более полезную и достижимую цель, но все же, каждое поколение, от ранней зари науки до наших дней, вносило должную долю своих самых способных интеллектов в поиски конечного атома.

Наша задача на этот вечер — описать некоторые исследования в области молекулярной науки и, в частности, представить вам определенную информацию, которая была получена относительно самих молекул. Старая атомная теория, описанная Лукрецием и возрожденная в наше время, утверждает, что молекулы всех тел находятся в движении, даже когда само тело кажется покоящимся. В случае твердых тел эти движения молекул ограничены в столь узких пределах, что даже с помощью наших лучших микроскопов мы не можем обнаружить, что они вообще меняют свое местоположение. В жидкостях и газах, однако, молекулы не ограничены какими-либо определенными рамками, а проделывают свой путь через всю массу, даже если эта масса не нарушается никаким видимым движением.

Этот процесс диффузии, как его называют, который происходит в газах и жидкостях, и даже в некоторых твердых телах, может быть подвергнут эксперименту и является одним из самых убедительных доказательств движения молекул.

Недавний прогресс молекулярной науки начался с изучения механического эффекта от удара этих движущихся молекул о твердое тело. Конечно, эти летящие молекулы должны биться обо все, что находится среди них, и постоянная череда этих ударов, согласно нашей теории, является единственной причиной того, что называется давлением воздуха и других газов.

По-видимому, впервые эту теорию заподозрил Даниил Бернулли, но у него не было тех средств, которыми мы располагаем сейчас для ее проверки. Впоследствии эта же теория была независимо выдвинута Лесажем из Женевы, который, однако, посвятил большую часть своего труда объяснению гравитации ударами атомов. Затем Герапат в своей «Математической физике», опубликованной в 1847 году, сделал гораздо более широкое применение теории к газам, а доктор Джоуль, об отсутствии которого на нашем собрании мы все должны сожалеть, вычислил фактическую скорость молекул водорода.

Дальнейшее развитие теории, как принято считать, началось с работы Крёнига, которая, однако, насколько я могу судить, не содержит никаких улучшений по сравнению с тем, что было сделано ранее. Однако она, по-видимому, привлекла внимание профессора Клаузиуса к этой теме, и ему мы обязаны значительной частью того, что было достигнуто с тех пор.

Все мы знаем, что воздух или любой другой газ, помещенный в сосуд, давит на стенки сосуда и на поверхность любого тела, находящегося в нем. По кинетической теории это давление полностью обусловлено тем, что молекулы ударяются об эти поверхности и тем самым сообщают им серию импульсов, которые следуют друг за другом в такой быстрой последовательности, что производят эффект, который невозможно отличить от эффекта непрерывного давления.

Если задать скорость молекул и варьировать их число, то, поскольку каждая молекула в среднем ударяется о стенку сосуда одинаковое число раз и с импульсом одинаковой величины, каждая будет вносить равную долю в общее давление. Таким образом, давление в сосуде определенного размера пропорционально числу молекул в нем, то есть количеству газа в нем.

Это полное динамическое объяснение факта, открытого Робертом Бойлем, что давление воздуха пропорционально его плотности. Оно также показывает, что из различных порций газа, вводимых в сосуд, каждая производит свою часть давления независимо от остальных, и это независимо от того, состоят ли эти порции из одного и того же газа или нет.

Далее предположим, что скорость молекул увеличивается. Теперь каждая молекула будет ударяться о стенки сосуда большее число раз за секунду, но, кроме того, импульс каждого удара будет увеличиваться в той же пропорции, так что часть давления, обусловленная каждой молекулой, будет меняться как квадрат скорости. Теперь увеличение квадрата скорости соответствует, по нашей теории, повышению температуры, и таким образом мы можем объяснить эффект нагревания газа, а также открытый Шарлем закон о том, что пропорциональное расширение всех газов между заданными температурами одинаково.

Динамическая теория также объясняет, что произойдет, если позволить молекулам разной массы биться друг о друга. Большая масса будет двигаться медленнее, чем меньшая, так что в среднем каждая молекула, большая или маленькая, будет иметь одинаковую энергию движения.

Доказательство этой динамической теоремы, в которой я претендую на приоритет, было недавно значительно развито и усовершенствовано доктором Людвигом Больцманом. Самое важное следствие, вытекающее из нее, заключается в том, что кубический сантиметр любого газа при стандартной температуре и давлении содержит одинаковое число молекул. Это и есть динамическое объяснение закона Гей-Люссака об эквивалентных объемах газов. Но теперь мы должны перейти к частностям, и вычислить реальную скорость молекулы водорода.

Кубический сантиметр водорода при температуре тающего льда и давлении в одну атмосферу весит 0,00008954 грамма. Мы должны найти, с какой скоростью должна двигаться эта небольшая масса (в целом или отдельными молекулами — без разницы), чтобы создать наблюдаемое давление на стороны кубического сантиметра. Этот расчет был впервые произведен доктором Джоулем, и в результате получилось 1,859 метров в секунду. Это то, что мы привыкли называть большой скоростью. Она превышает любую скорость, полученную в артиллерийской практике. Скорость других газов, как видно из таблицы, меньше, но во всех случаях она очень велика по сравнению с пулями.

Теперь мы должны представить себе, что молекулы воздуха в этом зале разлетаются во всех направлениях со скоростью около семнадцати миль в минуту.

Если бы все эти молекулы летели в одном направлении, они представляли бы собой ветер, дующий со скоростью семнадцать миль в минуту, и единственный ветер, который приближается к этой скорости, — это ветер, исходящий из пасти пушки. Как же мы с вами можем стоять здесь? Только потому, что молекулы летят в разных направлениях, так что те, что ударяются о наши спины, позволяют нам поддерживать бурю, бьющуюся о наши лица. Ведь если бы эта молекулярная бомбардировка прекратилась хотя бы на мгновение, наши вены вздулись бы, дыхание покинуло бы нас, и мы в буквальном смысле слова истекли бы. Но молекулы бьют не только по нам или по стенам комнаты. Подумайте об их огромном количестве, о том, что они летят во всех возможных направлениях, и вы увидите, что они не могут избежать столкновения друг с другом. Каждый раз, когда две молекулы сталкиваются, пути обеих изменяются, и они летят в новых направлениях. Таким образом, каждая молекула постоянно меняет свой курс, так что, несмотря на огромную скорость, может пройти много времени, прежде чем она достигнет большого расстояния от точки, из которой вылетела.

У меня есть бутылка с аммиаком. Аммиак — это газ, который вы можете узнать по запаху. Его молекулы движутся со скоростью шестьсот метров в секунду, так что если бы их движение не прерывалось ударами о молекулы воздуха в зале, то каждый в самой отдаленной галерее почувствовал бы запах аммиака раньше, чем я смог бы произнести название этого газа. Но вместо этого каждую молекулу аммиака так толкают молекулы воздуха, что она то движется в одну сторону, то в другую. Она похожа на зайца, который постоянно петляет, и хотя он бежит очень быстро, продвигается совсем немного. Тем не менее, запах аммиака уже начинает ощущаться на некотором расстоянии от бутылки. Газ действительно распространяется по воздуху, хотя этот процесс идет медленно, и если бы мы могли закрыть все отверстия в этом зале, чтобы сделать его герметичным, и оставить все на несколько недель, аммиак равномерно перемешался бы во всех частях воздуха в зале.

Это свойство газов — диффундировать друг через друга — впервые отметил Пристли. Позже Дальтон показал, что оно происходит совершенно независимо от какого-либо химического действия между диффундирующими газами. Грэхем, чьи исследования были особенно направлены на те явления, которые, казалось бы, бросают свет на молекулярные движения, провел тщательное изучение диффузии и получил первые результаты, на основании которых можно было рассчитать скорость диффузии.

Совсем недавно скорость диффузии газов друг в друга была с большой точностью измерена профессором Лошмидтом из Вены.

Он поместил два газа в две одинаковые вертикальные трубки, причем более легкий газ был расположен над более тяжелым, чтобы избежать образования токов. Затем он открыл скользящий клапан, чтобы превратить две трубки в одну, и, оставив газы в покое на час или около того, закрыл клапан и определил, сколько каждого газа перешло в другой.

Поскольку большинство газов невидимы, я продемонстрирую вам газовую диффузию на примере двух газов, аммиака и соляной кислоты, которые, встречаясь, образуют твердый продукт. Аммиак, как более легкий газ, помещен над соляной кислотой, а между ними находится слой воздуха, но вскоре вы увидите, что газы могут диффундировать через этот слой воздуха и при встрече образуют облако белого дыма. Во время всего этого процесса нельзя обнаружить ни течения, ни какого-либо другого видимого движения. Все части судна выглядят спокойными, как кувшин с невозмущенным воздухом.

Но, согласно нашей теории, в спокойном воздухе происходит то же движение, что и в диффундирующих газах, с той лишь разницей, что мы можем легче проследить перемещение молекул из одного места в другое, когда они имеют другую природу, чем те, через которые они диффундируют.

Если мы хотим мысленно представить себе, что происходит между молекулами в спокойном воздухе, нам лучше всего наблюдать за пчелиным роем, когда каждая отдельная пчела яростно летит сначала в одном направлении, потом в другом, а рой в целом либо остается в покое, либо медленно плывет по воздуху.

В определенное время года пчелиные рои улетают на большое расстояние, и хозяева, чтобы опознать свою собственность, когда находят ее на чужой земле, иногда бросают в рой горсти муки. Предположим, что мука, брошенная в летящий рой, отбелила только тех пчел, которые оказались в нижней половине роя, а верхняя половина осталась без муки.

Если пчелы продолжают летать туда-сюда неравномерно, то мучные пчелы будут находиться в верхней части роя в постоянно возрастающих пропорциях, пока не станут равномерно распределены по всем его частям. Но причина такого распространения не в том, что пчелы были помечены мукой, а в том, что они летают. Единственный эффект от мечения — это возможность идентифицировать определенных пчел.

У нас нет возможности пометить определенное число молекул воздуха, чтобы проследить за ними после того, как они рассеялись среди других, но мы можем сообщить им некоторое свойство, с помощью которого можно получить доказательства их распространения.

Например, если горизонтальный слой воздуха движется горизонтально, то молекулы, диффундирующие из этого слоя в те, что выше и ниже, будут переносить свое горизонтальное движение на соседние слои и таким образом сообщать им движение, в то время как молекулы, диффундирующие из соседних слоев в движущийся, будут стремиться привести его в покой. Действие между пластами чем-то похоже на действие двух шероховатых поверхностей, одна из которых скользит по другой и трется о нее. Трение — это название, данное этому действию между твердыми телами; в случае жидкостей оно называется внутренним трением или вязкостью.

На самом деле это лишь другой вид диффузии — боковая диффузия импульса, и ее величина может быть рассчитана на основе данных, полученных в результате наблюдений за первым видом диффузии — диффузией вещества. Сравнительные значения вязкости различных газов были определены Грэхемом в его исследованиях по транспирации газов через длинные узкие трубки, а их абсолютные значения были выведены из экспериментов по колебанию дисков Оскаром Мейером и мной.

Другой способ проследить диффузию молекул через спокойный воздух заключается в нагревании верхнего слоя воздуха в сосуде и наблюдении за скоростью, с которой это тепло передается нижним слоям. Это, по сути, третий вид диффузии — диффузия энергии, и скорость, с которой она должна происходить, была рассчитана на основе данных, полученных в результате экспериментов с вязкостью, до того, как были проведены прямые эксперименты по теплопроводности. Профессор Штефан из Вены недавно, используя очень тонкий метод, сумел определить проводимость воздуха, и, как он говорит нам, она находится в поразительном согласии с величиной, предсказанной теорией.

Все эти три вида диффузии — диффузия вещества, импульса и энергии — осуществляются за счет движения молекул. Чем больше скорость молекул и чем дальше они проходят, прежде чем их траектории изменятся в результате столкновения с другими молекулами, тем быстрее будет происходить диффузия. Теперь мы уже знаем скорость молекул, а значит, с помощью экспериментов по диффузии можем определить, какое расстояние в среднем проходит молекула, не сталкиваясь с другой. Профессор Клаузиус из Бонна, который впервые дал нам точные представления о движении при перемешивании молекул, называет это расстояние средним путем молекулы. На основании диффузионных опытов профессора Лошмидта я вычислил средний путь молекул четырех известных газов. Среднее расстояние, пройденное молекулой между одним столкновением и другим, приведено в таблице. Это очень маленькое расстояние, совершенно незаметное для нас даже с нашими лучшими микроскопами. Грубо говоря, это примерно десятая часть длины волны света, которая, как вы знаете, является очень малой величиной. Разумеется, время, затраченное на столь короткий путь такими быстрыми молекулами, должно быть очень маленьким. Я подсчитал количество столкновений, которые каждая из них должна претерпеть за секунду. Они приведены в таблице и исчисляются тысячами миллионов. Неудивительно, что сила передвижения самой быстрой молекулы очень мала, когда ее курс полностью меняется тысячи миллионов раз в секунду.

Три вида диффузии происходят и в жидкостях, но соотношение между скоростями, с которыми они происходят, не так просто, как в случае с газами. Динамическая теория жидкостей не так хорошо изучена, как теория газов, но основное различие между газом и жидкостью, по-видимому, состоит в том, что в газе каждая молекула тратит большую часть времени на описание своего свободного пути и очень малую часть времени участвует в столкновениях с другими молекулами, тогда как в жидкости молекула почти не имеет свободного пути и всегда находится в состоянии тесной встречи с другими молекулами.

Поэтому в жидкости распространение движения от одной молекулы к другой происходит гораздо быстрее, чем распространение самих молекул, по той же причине, по которой в плотной толпе быстрее передать письмо из рук в руки, чем отдать его специальному посыльному, который должен прокладывать себе путь через толпу. У меня есть банка, в нижней части которой находится раствор сульфата меди, а в верхней — чистая вода. Она стоит здесь с пятницы, и вы видите, как мало продвинулась синяя жидкость в диффузии через воду. Скорость диффузии раствора сахара была тщательно изучена Войтом. Сравнивая его результаты с результатами Лошмидта для газов, мы обнаружили, что за секунду в газах происходит примерно столько же диффузии, сколько требуется за день в жидкостях.

Скорость распространения импульса также медленнее в жидкостях, чем в газах, но ни в коем случае не в той же пропорции. Одно и то же количество движения затухает в воде в десять раз дольше, чем в воздухе, как вы можете видеть, когда я перемешиваю эти две банки, одна из которых содержит воду, а другая — воздух. Еще меньше разница в скорости распространения повышения температуры через жидкость и через газ.

В твердых телах молекулы все еще находятся в движении, но их перемещения ограничены очень узкими рамками. Поэтому в твердых телах не происходит диффузии вещества, хотя движение и тепло распространяются очень свободно. Тем не менее некоторые жидкости могут диффундировать через коллоидные твердые тела, такие как желе и жевательная резинка, а водород может проникать через железо и палладий.

У нас нет времени, чтобы упомянуть о том удивительном молекулярном движении, которое называется электролизом. Вот электрический ток, проходящий через подкисленную воду и заставляющий кислород появляться у одного электрода, а водород — у другого. В пространстве между ними вода совершенно спокойна, и все же через нее должны проходить два противоположных тока — кислорода и водорода. Физическая теория этого процесса была изучена Клаузиусом, который дал основания утверждать, что в обычной воде молекулы не только движутся, но и время от времени ударяются друг о друга с такой силой, что кислород и водород молекул расходятся и танцуют в толпе, ища партнеров, которые стали диссоциированными таким же образом. В обычной воде эти обмены в целом не дают никакого заметного эффекта, но не раньше, чем начинает действовать электродвижущая сила, она оказывает направляющее влияние на неприсоединенные молекулы и склоняет их к своему электроду, до того момента, когда, встретившись с неприсоединенной молекулой противоположного вида, она снова вступает с ней в более или менее постоянный союз, пока не будет вновь разъединена очередным ударом. Электролиз, таким образом, представляет собой разновидность диффузии под действием электродвижущей силы.

Другая ветвь молекулярной науки — это та, которая связана с обменом молекул между жидкостью и газом. Она включает в себя теорию испарения и конденсации, в которой газ является паром жидкости, а также теорию поглощения газа жидкостью другого вещества. Исследования доктора Эндрюса, посвященные отношениям между жидким и газообразным состоянием, показали нам, что, хотя утверждения в наших элементарных учебниках могут быть выражены настолько аккуратно, что кажутся почти самоочевидными, их истинная интерпретация может включать в себя некий принцип, настолько глубокий, что, пока нужный человек не овладеет им, никто и не подозревает, что что-то еще предстоит открыть.

---

Таковы некоторые из областей, в которых собираются данные молекулярной науки. Мы можем разделить конечные результаты на три категории, в зависимости от полноты наших знаний о них.

• К первому рангу относятся относительные массы молекул различных газов и их скорости в метрах в секунду. Эти данные получены из экспериментов по определению давления и плотности газов и известны с высокой степенью точности.
• На второе место мы должны поставить относительный размер молекул различных газов, длину их среднего пути и количество столкновений в секунду. Эти величины выведены из экспериментов по трем видам диффузии. Полученные значения следует рассматривать как грубые приближения, пока методы экспериментов не будут значительно усовершенствованы.
• Есть еще один набор величин, которые мы должны отнести к третьему рангу, потому что наше знание о них не является ни точным, как в первом ранге, ни приблизительным, как во втором, а пока носит характер вероятной догадки. Это абсолютная масса молекулы, ее абсолютный диаметр и число молекул в кубическом сантиметре. Мы с большой точностью знаем относительные массы различных молекул и приблизительно знаем их относительные диаметры. Из них мы можем вывести относительные плотности самих молекул. Пока что мы находимся на твердой почве.

Большое сопротивление жидкостей сжатию делает вероятным, что их молекулы должны находиться примерно на том же расстоянии друг от друга, на котором две молекулы одного и того же вещества в газообразном состоянии действуют друг на друга при столкновении. Это предположение было проверено Лоренцем Мейером, который сравнил плотности различных жидкостей с вычисленными относительными плотностями молекул их паров и обнаружил замечательное соответствие между ними.

Теперь Лошмидт вывел из динамической теории следующее замечательное соотношение: — Как объем газа равен суммарному объему всех содержащихся в нем молекул, так и средний путь молекулы равен одной восьмой диаметра молекулы.

Предполагая, что объем вещества, когда оно переходит в жидкое состояние, не намного больше, чем суммарный объем молекул, мы получили из этой пропорции диаметр молекулы. Таким образом, Лошмидт в 1865 году сделал первую оценку диаметра молекулы. Независимо от него и друг от друга мистер Стоуни в 1868 году и сэр У. Томсон в 1870 году опубликовали результаты аналогичного рода, причем результаты Томсона были выведены не только таким образом, но и из соображений, вытекающих из толщины мыльных пузырей и из электрических свойств металлов.

Согласно таблице, которую я вычислил на основании данных Лошмидта, размер молекул водорода таков, что около двух миллионов из них, расположенных в ряд, занимают миллиметр, а миллион миллионов миллионов из них весят от четырех до пяти граммов.

В кубическом сантиметре любого газа при стандартном давлении и температуре содержится около девятнадцати миллионов миллионов миллионов миллионов молекул. Все эти числа третьего ранга, как я уже говорил, в настоящее время следует рассматривать как предположительные. Для того чтобы мы могли доверять цифрам, полученным таким образом, нам необходимо сопоставить большее количество независимых данных, чем мы получили на данный момент, и показать, что они приводят к последовательным результатам.

До сих пор мы рассматривали молекулярную науку как исследование природных явлений. Но хотя цель всей научной работы — разгадать секреты природы, она оказывает и другое, не менее ценное воздействие на сознание ученого. Она оставляет его в распоряжении методов, которые ничто, кроме научной работы, не могло бы заставить его изобрести, и ставит его в положение, из которого многие области природы, помимо тех, которые он изучал, предстают перед ним в новом свете.

Изучение молекул разработало свой собственный метод, а также открыло новые взгляды на природу.

Когда Лукреций хочет, чтобы мы мысленно представили себе движение атомов, он велит нам смотреть на солнечный луч, проникающий в затемненную комнату (тот же инструмент исследования, с помощью которого доктор Тиндалл делает видимой пыль, которой мы дышим), и наблюдать за молекулами, которые гоняются по ней во всех направлениях. Это движение видимых пылинок, говорит он, является лишь результатом гораздо более сложного движения невидимых атомов, которые сталкиваются с пылинками и приводят их в движение. В своем представлении о природе, как рассказывает нам Теннисон, он

видел пылающие потоки атомов
И потоки ее бесчисленных вселенных,
Несущихся по безбрежной пустоте,
Чтобы вновь столкнуться друг с другом и создать
Одну за другой новые формы вещей
Навеки.

Неудивительно, что он попытался разорвать узы судьбы, заставив атомы отклоняться от своего курса в совершенно неопределенное время и в совершенно определенном месте, приписав им своего рода иррациональную свободу воли, которая, согласно его материалистической теории, является единственным объяснением той силы добровольного действия, которую мы сами осознаем.

Пока мы имеем дело только с двумя молекулами и располагаем всеми данными, мы можем рассчитать результат их встречи, но когда нам приходится иметь дело с миллионами молекул, каждая из которых имеет миллионы встреч в секунду, сложность проблемы, кажется, закрывает всякую надежду на законное решение.

Поэтому современные атомисты приняли метод, который, как мне кажется, является новым в отделе математической физики, хотя он уже давно используется в статистике. Когда рабочие члены секции F получают в руки отчет о переписи населения или любой другой документ, содержащий числовые данные по экономическим и социальным наукам, они начинают с распределения всего населения на группы, в соответствии с возрастом, уровнем доходов, образованием, религиозными убеждениями или уголовными приговорами. Число индивидуумов слишком велико, чтобы проследить историю каждого в отдельности, поэтому, чтобы сократить свой труд до человеческих пределов, они концентрируют свое внимание на небольшом количестве искусственно созданных групп. Различное количество индивидуумов в каждой группе, а не различное состояние каждого индивидуума, является основным показателем, на основе которого они работают.

Разумеется, это не единственный метод изучения человеческой природы. Мы можем наблюдать за поведением отдельных людей и сравнивать его с тем поведением, которое, согласно наилучшей существующей теории, можно было бы ожидать от их прежнего характера и нынешних обстоятельств. Те, кто практикует этот метод, стремятся улучшить свои знания об элементах человеческой природы, примерно так же, как астроном корректирует элементы планеты, сравнивая ее фактическое положение с тем, которое было выведено из полученных элементов. Изучение человеческой природы родителями и школьными учителями, историками и государственными деятелями следует отличать от изучения, проводимого регистраторами и табуляторами, а также теми государственными деятелями, которые полагаются на цифры. Первый можно назвать историческим, а второй — статистическим методом.

Уравнения динамики полностью выражают законы исторического метода применительно к материи, но применение этих уравнений подразумевает совершенное знание всех данных. Но самая малая часть материи, которую мы можем подвергнуть экспериментам, состоит из миллионов молекул, ни одна из которых никогда не станет индивидуально ощутимой для нас. Поэтому мы не можем установить действительное движение ни одной из этих молекул, так что мы вынуждены отказаться от строгого исторического метода и применить статистический метод для работы с большими группами молекул.

Данные статистического метода в применении к молекулярной науке — это суммы большого числа молекулярных величин. Изучая отношения между величинами такого рода, мы сталкиваемся с новым видом закономерности, закономерностью средних величин, на которую мы можем положиться вполне достаточно для всех практических целей, но которая не может претендовать на тот характер абсолютной точности, который принадлежит законам абстрактной динамики.

Таким образом, молекулярная наука учит нас, что наши эксперименты никогда не могут дать нам ничего больше, чем статистическую информацию, и что ни один закон, выведенный из них, не может претендовать на абсолютную точность. Но когда мы переходим от созерцания наших экспериментов к созерцанию самих молекул, мы покидаем мир случайностей и перемен и вступаем в область, где все определено и неизменно.

Молекулы соответствуют постоянному типу с точностью, которую невозможно найти в ощутимых свойствах тел, которые они составляют. Во-первых, масса каждой отдельной молекулы и все остальные ее свойства абсолютно неизменны. Во-вторых, свойства всех молекул одного вида абсолютно идентичны.

Рассмотрим свойства двух видов молекул — кислорода и водорода.

Мы можем получить образцы кислорода из самых разных источников — из воздуха, из воды, из горных пород всех геологических эпох. История этих образцов была очень разной, и если в течение тысяч лет разница обстоятельств могла привести к различию свойств, то эти образцы кислорода это продемонстрируют.

Таким же образом мы можем получить водород из воды, из угля или, как это сделал Грэм, из метеоритного железа. Возьмем два литра любого образца водорода, он соединится с одним литром любого образца кислорода и образует ровно два литра водяного пара.

Если бы за всю предыдущую историю существования любого из образцов, будь то заключенный в скалах, текущий в море или несущийся по неизвестным регионам вместе с метеоритами, произошла какая-либо модификация молекул, эти отношения больше не сохранились бы.

Но у нас есть и другой, совершенно иной метод сравнения свойств молекул. Молекула, хотя и неразрушимая, не является твердым жестким телом, но она способна к внутренним движениям, и при их возбуждении она испускает лучи, длина волны которых является мерой времени колебаний молекулы.

С помощью спектроскопа можно сравнить длины волн различных видов света с точностью до одной десятитысячной части. Таким образом было установлено не только то, что молекулы, взятые из каждого образца водорода в наших лабораториях, имеют одинаковый набор периодов колебаний, но и то, что свет, имеющий такой же набор периодов колебаний, исходит от солнца и от неподвижных звезд.

Таким образом, мы убеждаемся, что молекулы той же природы, что и молекулы нашего водорода, существуют в тех далеких регионах или, по крайней мере, существовали в то время, когда излучался свет, с помощью которого мы их видим.

Из сравнения размеров зданий египтян и греков следует, что у них была общая мера. Таким образом, даже если бы ни один древний автор не зафиксировал тот факт, что эти два народа использовали один и тот же локоть в качестве стандарта длины, мы могли бы доказать это на основании самих зданий. Мы также можем с полным основанием утверждать, что в то или иное время материальный эталон длины был перевезен из одной страны в другую или что обе страны получили свои эталоны из общего источника.

Но в небесах мы обнаруживаем по их свету, и только по их свету, звезды, настолько удаленные друг от друга, что ни одна материальная вещь никогда не могла перейти от одной к другой, и все же этот свет, который является для нас единственным доказательством существования этих далеких миров, говорит нам также, что каждый из них состоит из молекул того же типа, что и те, которые мы находим на Земле. Например, молекула водорода, будь то на Сириусе или на Арктуре, совершает свои колебания точно в одно и то же время.

Поэтому каждая молекула во всей Вселенной несет на себе отпечаток метрической системы так же отчетливо, как метр Парижского архива или двойной королевский кубит Карнакского храма.

Никакая теория эволюции не может объяснить сходство молекул, поскольку эволюция обязательно подразумевает непрерывные изменения, а молекула не способна ни расти, ни распадаться, ни порождаться, ни разрушаться.

Ни один из процессов, происходящих в природе с момента ее зарождения, не привел к малейшему различию в свойствах какой-либо молекулы. Поэтому мы не можем приписать ни существование молекул, ни идентичность их свойств действию какой-либо из причин, которые мы называем естественными.

С другой стороны, точное соответствие каждой молекулы всем другим такого же рода придает ей, как хорошо сказал сэр Джон Гершель, существенный характер изготовленного изделия и исключает мысль о том, что она вечна и существует сама по себе.

Таким образом, строго научный путь привел нас к точке, на которой наука должна остановиться. Не то чтобы наука была лишена возможности изучать внутренний механизм молекулы, которую она не может разобрать на части, так же как и исследовать организм, который она не может собрать. Но, прослеживая историю материи, наука останавливается, когда уверяет себя, с одной стороны, что молекула была создана, а с другой — что она не была создана ни одним из процессов, которые мы называем естественными.

Наука некомпетентна рассуждать о создании самой материи из ничего. Мы достигли крайнего предела наших мыслительных способностей, когда признали, что, поскольку материя не может быть вечной и самосуществующей, она должна быть создана.

Только когда мы созерцаем не материю саму по себе, а ту форму, в которой она существует, наш разум находит нечто, за что он может зацепиться.

То, что материя как таковая должна обладать определенными фундаментальными свойствами — существовать в пространстве и быть способной к движению, что ее движение должно быть постоянным, и так далее, — это истины, которые могут быть, если мы что-то знаем, такого рода, которые метафизики называют необходимыми. Мы можем использовать наше знание таких истин для целей дедукции, но у нас нет данных для рассуждений об их происхождении.

Но то, что в каждой молекуле водорода должно быть именно столько материи и не больше, — факт совершенно иного порядка. Мы имеем здесь особое распределение материи — коллокацию, если воспользоваться выражением доктора Чалмерса, — вещей, которые, как нам нетрудно представить, были расположены иначе.

Форма и размеры орбит планет, например, не определяются никакими законами природы, а зависят от конкретного распределения материи. То же самое можно сказать и о размерах Земли, из которых был выведен стандарт так называемой метрической системы. Но эти астрономические и земные величины значительно уступают по научной значимости тому самому фундаментальному из всех эталонов, который лежит в основе молекулярной системы. Как мы знаем, действуют естественные причины, которые стремятся изменить, если не уничтожить, все расположения и размеры Земли и всей Солнечной системы. Но хотя в течение веков на небесах происходили и еще могут произойти катастрофы, хотя древние системы могут разрушаться, а из их руин развиваться новые, молекулы, из которых построены эти системы, — камни фундамента материальной вселенной — остаются нерушимыми и неизношенными.

Они и по сей день остаются такими же, какими были созданы, совершенными в количестве, мере и весе, и по неизгладимым символам, запечатленным на них, мы можем узнать, что те стремления к точности измерений, истине в высказываниях и справедливости в действиях, которые мы причисляем к нашим самым благородным качествам как людей, присущи нам потому, что они являются неотъемлемыми составляющими образа Того, Кто в начале сотворил не только небо и землю, но и материалы, из которых состоят небо и земля.