Джон Дальтон и история атомизма XIX века

Автор текста: Friedrich Hohenstaufen

Версия на украинском

Остальные авторские статьи можно прочитать здесь

Говоря про материализм начала XIX века — мы говорим в основном о редукции психики к физиологии мозга. Будь это пример Кабаниса, или каких-то других физиологов, или может даже френологов по типу Галля. Уже не так часто вспоминается сенсуализм и утилитаризм, хотя это крайне важная философская основа для материалистической этики и теории познания. В этом случае обычно говорят про французскую школу последователей Локка в XVIII веке, как материалистическую версию сенсуализма; немного реже — про утилитаристов, по типу Бентама и Милля (потому что их просто не связывают с материализмом); но ещё гораздо реже, про французских «идеологов», просто потому, что о них ныне почти не знают. Но есть ещё одна крайне важная часть материализма — вопрос о том, что такое сама материя, из чего она состоит, как формируется различие между живыми организмами и мертвыми камнями. Частично с этими вопросами работали даже физиологи, а также близкие к ним зоологи, ботаники и т.д. Но если материалистично-настроенный биолог заявлял, что граница между живым и неживым, между растениями, животными и человеком, и вообще все возможные границы — это скорее условности, то даже такие авторы могли давать разные варианты ответа на вопрос, из чего же состоит та материя, которая переживает эти чисто-количественные трансформации. В совсем обобщенном виде на это было всего два ответа:

в одном случае материя представлялась как некая бесконечная глина, или кипящая жидкость, или ещё какое-то протяженное нечто, внутри которой нет никаких пустот. Все видимое разнообразие объяснялось просто разным состоянием этого гигантского «нечто» на разных его участках;
в другом случае материя представлялась как крошечный песок, разделенный пустотами, комбинации которого порождали всё большие и большие объекты. А видимое разнообразие объяснялось различием в этих комбинациях;

Первая теория материи называется континуалистской, от слова «континуум», непрерывное и единое пространство. А вторая теория называется корпускулярной, или дискретной, как бы намекая на разделенность, отдельные части. Чаще всего корпускулярная теория приобретает форму атомизма, хотя это и не обязательно. Обычно эти две версии материи отличаются тем, как с их помощью объяснять ощутимые качества вещей (цвета, запахи и т.д.), согласованность с математикой и наблюдаемыми явлениями. Как одна, так и вторая, имеют свои преимущества и недостатки. И чаще всего философы и ученые принимали теории материи-континуума, потому что такая версия оставляла значительно больше пространства для объяснений сложных вещей, при помощи фантазии. Она лучше согласуется с математикой, где допустимо деление любого пространства до бесконечности, и вообще любые произвольные манипуляции с величинами. Она лучше объясняет то, каким образом на больших расстояниях возможна передача звука и самых разных сил, включая гравитацию космических тел. Дискретные теории могли частично мимикрировать под квази-континуальные: например, почти убрать пустоты, и превратить мир в полотно из плотно прилагаемых друг к другу частиц. Сами частицы могли обладать качествами, чтобы объяснять как из красных частиц может формироваться красный объект. Более того, они могли делиться до бесконечности. Они также могли быть стихиями: огнем, водой, землей и воздухом. И вообще приобретать самые разные свойства, вплоть до некой формы одухотворенности, как «монады» у Лейбница.

Материалист мог принимать и континуальные формы материи, и корпускулярные, и точно также использовать обе формы мог любой идеалист. И как правило, континуальные представления склоняют их сторонников к особым формам логического мышления, в которых целое всегда важнее своих частей. Такой тип размышлений (холизм) приводит к множеству незаметных, но долгоиграющих последствий. Холист гораздо вероятнее примет этику коллективной ответственности, национализма, социализма и коммунизма. Он гораздо проще примет как должное, что отдельный человек просто обязан жертвовать собой ради блага общества, коллектива, или других общих идей, которые стоят выше него. Такой человек гораздо проще отнесется к мысли, что слова, обобщающие единичные предметы, это не просто удобные символы, а особые сущности, чье существование важнее, чем существование отдельных предметов, которые они называют. И поэтому даже убежденный материалист и борец с религиозным мракобесием, постоянно оказывается сбит с толку, и постоянно идет на уступки своим врагам, сам этого не замечая, в том случае, если сам он «холист» и поддерживает континуальные представления о материи, либо близкие к ним разновидности корпускуляризма.

Самой последовательной версией корпускуляризма становится атомизм. Представление о том, что материя состоит из принципиально неделимых частиц, не обладающих никакими качествами, и отличающиеся число количественными показателями. Эти атомы совсем просты и уж точно не обладают никакими духовными качествами. Из-за этого они проще сочетались с материализмом, как некой анти-спиритуалистической теорией. Да и психологически такое мышление позволяет проще избавиться от всех вышеперечисленных недостатков коллективности (или преимуществ, как посмотреть), и выстроить мировоззрение индивидуалистичное, либеральное и эгоистичное. Даже исторические так получалось, что атомизм прочно связывался с учением эпикурейцев, античной школы гедонизма. А сам гедонизм идеально сочетается с уже названной выше сенсуалистической и утилитарной гносеологией. И именно поэтому атомизм подвергался самым жестким преследованиям, и административными мерами изгонялся из науки, при чем даже в относительно недавнем XIX веке! Так, известнейший французский химик Бертло, будучи министром просвещения Франции, фактически законодательно запретил использовать слово «атом» в школьных и университетских учебниках химии. Французские студенты вплоть до начала XX века были вынуждены учить химию по запутанным формулам эквивалентов именно из-за позитивистского и континуалистского лобби.

Но кроме морального осуждения, последовательный материалистический атомизм имел ряд других недостатков, самые известные из которых, это — (1) трудности в объяснении действия на расстоянии; (2) возникновение качеств из первоначально бескачественного материала; (3) устойчивые сложносоставные формы, которые стабильно воспроизводятся, хотя сами по себе атомы движутся случайно и хаотично; (4) абстрактность самого понятия об атоме и невозможность увидеть его глазами; (5) отсутствие конкретных механизмов, которые бы сделали эту теорию практически применимой. И это ещё не все проблемы, которые связаны с допущением атомизма к концу XVIII века. Это всё делало атомизм уязвимым к критике, и его могли почти справедливо обвинять в отсутствии развития со времен античности. Последовательный атомизм этого типа действительно мало чем отличается от атомизма Эпикура. А как только кто-то пытается вносить изменения, то как правило рушится абсолютно весь логический каркас и подобный атомист перестает быть материалистом.

Даже знаменитые сторонники атомизма — Бойль и Ньютон, не было последовательными, и поэтому совмещали атомистические взгляды с экзотическими представлениями о религии и чудесных божественных силах, которые направляют атомы к правильным целям. И даже в такой форме атомизм не был легализирован окончательно, и одной только репутации знаменитых ученых считалось недостаточно. С этого времени обезвреженный и подавленный атомизм получил некоторое распространение среди химиков, но и то далеко не среди всех. Но опять таки, это была просто удобная гипотеза для того, чтобы вообразить механизм превращений вещества. В практику химика это не приносило никаких изменений. Поэтому даже когда Лавуазье и Пристли, в целом весьма материалистично-настроенные химики, делали свои открытия по поводу состава атмосферы — им не было необходимости принимать атомистическую теорию. И многие передовые химики Франции, наследники Лавуазье, не просто не были атомистами, но даже сознательно выступали против этой гипотезы. Но все таки, именно среди химиков, чьи открытия наконец-то приблизились к тому, чтобы сделать химию строго-количественной наукой, атомизм наконец-то получил новое, более научное и эмпирически подтверждаемое обоснование.

Фундамент химической революции:
От метафизики к весам

Так что, ближе к концу XVIII века (1780-1800) атомизм ещё не был тем, чем он станет после Дальтона, Берцелиуса, Авогадро, Канниццаро и Менделеева. У него ещё не было устойчивой таблицы атомных весов, ясного различия между атомом и молекулой, общей химической нотации, зрелой кинетической теории газов. Главное достижение этого двадцатилетия — создание эмпирического и количественного фундамента, без которого триумф атомизма в XIX веке был бы невозможен. Однако атомистические представления начинали проникать в науку даже раньше. Здесь достаточно вспомнить представления Ньютона и его последователей о том, что свет представляет из себя частицу, или хотя бы таких авторов середины XVIII века, как Бернулли (который уже пытался объяснить поведение атомов газа в замкнутом пространстве) или Ломоносов; ну и общую тягу французских философов к материалистическим идеям, которые они сами же нередко связывали с античным атомизмом и эпикурейской философией. Так что к началу 1780-х годов атомизм уже имел две линии:

Первая шла от механической философии XVII века: Гассенди, Бойль, ньютоновская корпускулярная традиция, попытки объяснять свойства тел через малые частицы, их форму, движение, сцепление, притяжение и отталкивание. Это почти классический, эпикурейский атомизм.
Вторая линия была более химической: представление о мельчайших «корпускулах» или «минимумах» вещества, которые практически не разлагаются дальше лабораторными средствами. В современной историографии эту вторую линию иногда называют «химическим атомизмом»: речь идёт не о метафизически абсолютно неделимых атомах, а об операционально последних частицах вещества, до которых доходит анализ.

Стоя на этой развилке, современный атомизм пойдет скорее по второму пути, и поэтому он значительно отличается от эпикурейского атомизма. И даже в физике, ещё в XVIII веке к старой механической корпускулярности прибавилась ньютоновская идея сил. Сам Ньютон мыслил атомизм ещё скорее в классическом смысле, как условный Лукреций, хотя и с допущениями гравитационных взаимодействий. На этой основе вскоре возникла целая серия попыток выстроить атомистическую теорию гравитации, чтобы объяснить феномен действия на расстоянии (когда Солнце влияет на орбиты планет, отдаленных гигантскими промежутками пустоты, что выглядит как телекинез и сомнительная магия). Эти теории часто называют по именам их главных сторонников – Фатио-Лесажа, и последователи подобных теорий продолжали свои попытки объяснить гравитацию через атомизм даже в первые десятилетия XIX века. Но вскоре идеи из ньютоновской физики смогли обернуть против материализма. Важной фигурой здесь был славянский ученый Руджер Бошкович (1711-1787), который ещё в 1758 году сформулировал очень экзотическую теорию. Бошкович отказался от материальных «твердых шариков» Демокрита. В его модели атом — это непротяженная материальная точка, являющаяся центром сил. На сверхмалых расстояниях между этими точками действует колоссальное отталкивание (что объясняет непроницаемость материи), на больших расстояниях — притяжение (гравитация), а на средних расстояниях силы колеблются. Эта модель оказала колоссальное влияние на Фарадея и Кельвина и подготовила физиков к восприятию атома как сложной силовой системы, а не просто куска твердого вещества. Последствия таких подходов сказываются на атомизме до сих пор, когда в XXI веке атом сводят к состоянию поля. В каком-то смысле можно сказать, что Бошкович был одним из предшественников теории поля, энергетизма и т.д.

Наверное самое главное химическое достижение конца XVIII века связано с именем Лавуазье (1743-1794). Он радикально укрепил количественный характер химии. Между 1770-ми и 1790-ми годами он систематически применял весы к химическим превращениям, и закрепил принцип сохранения массы в реакции: масса итоговых продуктов соответствует массе исходных веществ, вступивших в реакцию. Если в итоге масса и увеличивается, то за счет поглощения дополнительных веществ, например кислорода из воздуха. Для теории атомизма это имело фундаментальное значение, хотя сам Лавуазье относился к метафизическому атомизму скептически, считая рассуждения о невидимых корпускулах ненаучными.

«Если под именем элементов мы будем понимать неделимые молекулы, составляющие материю, то весьма вероятно, что мы их не знаем… Химия придет к своему совершенству, если мы откажемся от метафизических споров о первоначалах и будем считать элементами те вещества, которые мы не можем разложить доступными нам методами».

И все же, если химическая реакция не уничтожает материю, а переводит её из одного соединения в другое, тогда всё сильнее напрашивается представление о сохраняющихся материальных единицах или, по крайней мере, о сохраняющихся простых веществах, переходящих через реакции. Второе достижение Лавуазье — новая теория элемента. Он окончательно отказывается от флогистона и алхимических «начал». В «Элементарном курсе химии» (1789) он дал чисто операциональное определение химического элемента. Для него это вещество, которое невозможно разложить на более простые компоненты при помощи доступных методов. Он выделил 33 таких элемента, среди которых были кислород, азот, водород, сера и т.д. и т.п., включая даже свет и теплород, которые позже исключили, как ненаучные. Это резко отличалось от старой схемы четырёх элементов и переводило вопрос о составе вещества в лабораторную плоскость. Теория элементов получила смертельный удар после разложения старых стихий «воздуха» и «воды». Воздух перестал быть единым элементом и был разделён на кислородную и азотную части; вода перестала быть элементарным телом и была понята как соединение водорода и кислорода. Вокруг этих опытов, помимо Лавуазье, стояли Пристли, Шееле, Кавендиш, Мёнье и другие участники пневматической химии. Ещё за два года до этой публикации, т.е. в 1787 году — Гитон де Морво, Лавуазье, Бертолле и Фуркруа издали «Méthode de nomenclature chimique». Их новая номенклатура заставляла название вещества выражать его состав: оксиды, кислоты, соли, сульфаты, нитраты и так далее.

Параллельно возникает стехиометрическая линия. Ещё в далеком 1777 году Карл Фридрих Венцель (1740-1793) уже работал над количественными отношениями кислот и оснований; в 1792-1794 годах Иеремия Беньямин Рихтер (1762-1807) издаёт «Начальные основания стехиометрии» где вводит сам термин «стехиометрия», как искусство химических измерений, изучающее законы соединения веществ. Работа Рихтера превращала почти метафизическое «химическое сродство» в пространство числовых отношений. Он показал, что при образовании нейтральных солей разные кислоты и основания соединяются друг с другом в строго определенных, постоянных весовых соотношениях. Рихтер даже составил первые таблицы «эквивалентных весов». Это открытие впервые продемонстрировало математическую строгость химических реакций, что прямо намекало на существование дискретных единиц вещества с постоянной массой.

Ещё одна линия, напрямую связанная со стехиометрией — кристаллография. Рене-Жюст Гаюи (1743-1822) в «Essai d’une théorie sur la structure des crystaux» 1784 года разрабатывал теорию структуры кристаллов через «молекулы» или малые составные единицы, из которых через закономерное наложение и убывание строятся видимые формы. Он показывал, что макроскопическая геометрия кристалла может зависеть от регулярного расположения невидимых структурных единиц. Его теория соединяла минералогию, геометрию и корпускулярное представление о строении твёрдых тел. На прикрепленном ниже рисунке можно увидеть, насколько наглядно его геометрия визуализировала дискретность. Он доказывал, что если мы начнем мысленно раскалывать кристалл кальцита, мы всегда будем получать всё более мелкие, но строго одинаковые по форме параллелепипеды — то, что он назвал «интегрирующими молекулами» (molécules integrantes). Макроскопическая форма, например, скошенные углы, объяснялась тем, что эти невидимые «микроблоки» укладывались ступеньками. Это был сильнейший аргумент в пользу того, что внутри твердого тела скрывается строгий пространственный порядок дискретных единиц материи, а не сплошная «глина».

В самом конце XVIII века подобные рассуждения о структуре материи были значительно укреплены французским химиком Жозефом Луи Прустом (1754-1826), который, в ходе многолетних дискуссий с Клодом Бертолле, сформулировал один из фундаментальных законов химии — закон постоянства состава. Каждое определенное химическое соединение, независимо от способа его получения, состоит из одних и тех же элементов, причем отношения их масс постоянны. Например, как бы ни был получен карбонат меди (в лаборатории или найден в виде минерала малахита), соотношение меди, углерода и кислорода в нем всегда строго фиксировано. В начале XIX века это станет поводом для открытой полемики с Бертолле, который допускал переменный состав соединений, и придерживался континуальных представлений о материи. Пруст доказал дискретность в природе соединений, и в ближайшие годы после этого научное сообщество признало его правоту. Для атомистической концепции это означало, что соединения образуются путем сцепления целых, неделимых частиц. И отдельно здесь уже стоит поставить Уильяма Хиггинса (1763-1825), вместе с его дядей Брайаном Хиггинсом (1741-1818), чьи идеи Уильям подхватил и развил дальше. В 1789 году Уильям издал «A Comparative View of the Phlogistic and Antiphlogistic Theories». Книга вышла тогда же, когда и «Элементарный курс» Лавуазье, и здесь поддерживались идеи французского химика, и проводилась атака на сторонников теории флогистона (особой сущности, которая объясняла тепло в телах). Благодаря этой работе Хиггинса часто вспоминают как фигуру, которая до Дальтона использовала атомные представления применительно к химическому соединению, и ему даже приписывалась ранняя формулировка закона кратных отношений, хотя дальнейшая историография осторожнее относится к таким приоритетным заявлениям. В любом случае Хиггинс уже в 1789 году мог рассуждать о «последних частицах» кислорода, водорода, серы, азота и связывать разные соединения с различным числом таких частиц, и даже предвосхитил некоторые особенности их структуры, включая тепловую атмосферу, окружавшую отдельные атомы. В этот же период развивались зачатки кинетических представлений. Хотя тепло все еще считалось невесомым флюидом («теплородом»), такие ученые, как Жан-Антуан Нолле или авторы лесажевских моделей гравитации, продолжали развивать идеи о том, что газы состоят из упругих частиц, находящихся в движении и хаотически сталкивающихся друг с другом.

Наука подошла к рубежу веков с парадоксальной ситуацией. С одной стороны, были открыты строгие количественные законы (сохранения массы, постоянства состава, эквивалентов), которые требовали атомистического объяснения. С другой стороны, единой теории, которая связала бы эти законы с конкретными физическими атомами, еще не существовало. Попытка Хиггинсов не возымела успеха, и имела ещё много недостатков, которые не позволяли сделать её практически применимой в науке. Все эти разрозненные элементы ждали гения, который объединит их в систему. Этим гением в 1803 году станет Джон Дальтон.

Атомизм обретает вес и международный язык

В самом начале XIX века происходит событие, которое свяжет атомизм с совершенно новой силой — электричеством. Алессандро Вольта изобретает первый химический источник тока («Вольтов столб»). Более того, этот источник обладал свойствами постоянства, устойчивости, возможности регулировать силу напряжения. Это сразу же дало химикам новый метод разложения вещества. Практически моментально, в мае того же 1800 года, английские ученые Уильям Николсон и Энтони Карлайл собирают аппарат по чертежам Вольта и впервые осуществляют электролиз воды. Они обнаруживают, что под действием тока вода разлагается на два газа — водород и кислород, причем объем выделившегося водорода всегда ровно в два раза превышает объем кислорода. Это стало важным намеком на то, что атомы в соединениях удерживаются силами электрической природы, а сами соединения имеют строго дискретную, «штучную» структуру. Вскоре этот новый инструмент позволит расщеплять и множество других элементов, что приведет к многочисленным открытиям новых материалов. Чуть позже, в 1801-1802 гг. Джон Дальтон (1766-1844) активно исследует физические свойства газов. Пытаясь понять, почему газы в атмосфере (азот, кислород, углекислый газ) перемешиваются равномерно, а не расслаиваются по плотности, как это делают жидкости, он приходит к своей механической модели. Частицы одного газа отталкивают только себе подобные частицы, но «не замечают» частицы других газов. Дальтон формулирует закон парциальных давлений (закон Дальтона), согласно которому давление смеси газов равно сумме давлений каждого газа в отдельности, при тех же объемах и той же температуре. В 1802 году Дальтон и независимо от него Жозеф Луи Гей-Люссак — открывают закон теплового расширения газов, согласно которому все газы расширяются одинаково при одинаковом нагревании на один градус. Эти чисто физические исследования заставили Дальтона задаться вопросом: если газы ведут себя таким похожим образом, тогда чем же отличаются их частицы? И тут он приходит к выводу, что их главное различие — это масса и размер.

После этого Дальтон переносит свои физические догадки на химические реакции, и формулирует закон, который окончательно доказывает существование атомов — закон кратных отношений. Если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то массы одного из элементов, приходящиеся на одну и ту же массу другого элемента, относятся как небольшие целые числа. Пример Дальтона: изучая оксиды азота, он замечает, что на одну и ту же массу азота в разных оксидах приходится строго пропорциональное количество кислорода (в соотношении 1:2:4). Это невозможно объяснить непрерывным строением материи — только тем, что к одному атому азота присоединяется один, два или четыре целых атома кислорода. И уже 21 октября 1803 года на заседании Манчестерского литературно-философского общества Дальтон зачитывает доклад, к которому прилагает первую в истории таблицу относительных атомных весов (включавшую 6 элементов и 15 соединений). За единицу и эталон Дальтон принял массу самого легкого атома — водорода. В этой системе ещё полно ошибок, но это всё равно выход теории на совсем другой уровень. Без принятия атомизма становится трудно понять, почему именно от разных пропорций исходных элементов создаются разные итоговые вещества. И как раз к тому времени, будущие атомисты Берцелиус и Вильгельм Хизингер публикуют исследование (1803) о действии вольтова столба на соли и некоторые основания, а Клод Луи Бертолле издаёт «Essai de statique chimique» (1803), которая всё ещё исполнена в духе полемики с Прустом и против идей о дискретности.

Это один из главных контекстов, без которого трудно понять силу Дальтона и Пруста. Бертолле не был просто отсталым противником новой химии. Он пытался мыслить химическое действие динамически: через массу действующих веществ, сродство, условия реакции, растворимость, избыток одного вещества над другим. Поэтому он сопротивлялся идее, что химические соединения всегда имеют строго постоянный состав. К тому же, он был чуть ли не главным наследником Лавуазье, крупнейшим химиком в мире, другом знаменитого Лапласа. Но даже несмотря на свой колоссальный научный авторитет, Бертолле проиграл системе Дальтона-Пруста. События развиваются все стремительнее. В 1804 году шотландский химик Томас Томсон (1773-1852) посещает Дальтона в Манчестере. Ознакомившись с его лабораторными журналами и идеями об атомных весах, Томсон мгновенно осознает масштаб открытия и становится главным популяризатором дальтоновского атомизма в академической среде. В печати наконец-то выходит статья Дальтона «О поглощении газов водой и другими жидкостями» (1805). Мировая научная общественность впервые получает доступ к печатной таблице атомных весов. Начинаются бурные дискуссии. К слову, главные ошибки Дальтона не были случайными; они проистекали из его фундаментального теоретического допущения, которое вошло в историю как «правило наибольшей простоты». Поскольку Дальтон не знал реального количества атомов в молекуле, он постулировал, что если два элемента образуют только одно известное соединение, то это соединение обязательно является бинарным, т.е. состоит из одного атома каждого вида. Вода была единственным надежно изученным соединением водорода и кислорода, поэтому Дальтон решил, что её формула — HO (а не H₂О). Одновременно в 1805 году Александр фон Гумбольдт (1769-1859) и Гей-Люссак (1778-1850) уточняют объёмный состав воды: водород и кислород соединяются приблизительно в отношении 2:1 по объёму. Позднейшие источники отмечают, что Гумбольдт и Гей-Люссак в 1805 году установили именно эту пропорцию, а уже в 1808 году Гей-Люссак расширит подобные наблюдения до общего закона объёмных отношений газов. Но для атомизма здесь возникает напряжение. Дальтон строит атомные веса прежде всего по весовым отношениям и правилу простоты. Гей-Люссак движется к объёмным отношениям. Позднее это столкнёт дальтоновский атомизм с объёмной химией газов, и только потом уже Авогадро попытается разрешить проблему через различение атома и молекулы. Но в 1805 году это ещё только намечается.

Пока Дальтон развивает химический атомизм, в Лондоне молодой профессор Королевского института Гемфри Дэви (1778-1829) развивает его физическую сторону. В своей знаменитой Бейкерианской лекции 1806 года он доказывает, что химическое сродство элементов (то, что заставляет атомы соединяться, эдакая избирательная гравитация, модное объяснение, которое любили идеалисты в химии) — это не просто механические «крючки», а электрическое притяжение разноименно заряженных частиц. Таким образом Дэви закладывает основу электрохимического атомизма. В ближайшие годы Дэви будет одним из главных врагов Дальтона. Он будет использовать все возможные средства, и попытается сначала оспорить приоритет Дальтона в открытиях, вспомнив про семейство Хиггинсов, а затем и вовсе поддержит мнение, что атомистические представления о структуре материи не является необходимым и принимается только как удобная модель для расчетов. Но это тоже будет развито позже.

Поскольку сам Дальтон не спешил выпускать свою большую книгу, первое подробное и систематическое изложение атомной теории появляется в третьем издании учебника Томаса Томсона «Система химии» (System of Chemistry, 1807). Именно из этой книги об атомизме Дальтона узнает большинство европейских ученых, включая Йёнса Якоба Берцелиуса. Тогда же, в октябре 1807 года Гемфри Дэви осуществляет исторический эксперимент. Пропуская мощный ток через увлажненные твердые щелочи (едкий калий и едкий натр), которые до этого считались неделимыми элементами, он впервые изолирует два новых металла — калий и натрий. Это снова раздвинуло границы делимости вещества, и дало немного больше убедительности теоретикам атомизма. Так что к этому моменту атомизм уже полностью вооружился. Ученые получили: (1) Математический критерий атомарности, под видом закона кратных отношений; (2) Первую систему относительных весов, привязанную к водороду; (3) Понимание того, что атомы удерживаются вместе электрическими силами.

1808 год можно считать официальным днем рождения химического атомизма как целостной концепции. Выходит первая часть первого тома фундаментального труда Джона Дальтона «Новая система химической философии» (A New System of Chemical Philosophy). В ней он подробно излагает постулаты своей теории: неделимость атомов, их качественная идентичность для одного элемента, и различие масс для разных элементов. Вместо букв Дальтон использует геометрические знаки (кружки с точками, штрихами), чтобы наглядно показывать, как атомы сцепляются в «сложные атомы», т.е. в молекулы, хотя само это слово не используется. В том же году французский физик Гей-Люссак формулирует закон, что при химических реакциях газы сочетаются друг с другом в простых объемных отношениях. Например, 2 объема водорода (2H₂) соединяются с 1 объемом кислорода (O₂), образуя 2 объема водяного пара (2H₂O). И казалось бы, что открытие Гей-Люссака блестяще подтверждает атомизм. Но Дальтон категорически отвергает этот закон! Простые объёмные отношения хорошо соответствовали духу дальтоновской теории, потому что снова показывали числовой порядок в химическом соединении. Но они плохо согласовывались с дальтоновским правилом простоты, и его нежеланием признавать, что молекулы простых газов могут состоять из двух или нескольких одинаковых атомов. Если два объёма водорода соединяются с одним объёмом кислорода и дают воду, то без различения атомов и молекул — формула воды, относительный вес кислорода и само понимание газовой реакции оказываются запутанными. В 1809 году Гей-Люссак официально публикует свои мемуары об объемных отношениях газов, закрепляя экспериментальный приоритет французской школы физико-химиков, а вскоре выходит вторая часть первого тома «Новой системы» (1810) Дальтона, где он продолжает развивать свою систему, игнорируя критику. Примерно тогда же Гемфри Дэви доказывает, что «окисленная соляная кислота» на самом деле является простым химическим элементом, не содержащим кислорода. Он называет его хлором. Это наносит сокрушительный удар по теории Лавуазье, который считал кислород обязательным «родителем» всех кислот, и заставляет атомистов пересматривать формулы огромного класса соединений.

Гениальный выход из тупика, в который зашли Дальтон и Гей-Люссак, находит итальянский физик Амедео Авогадро (1776-1856). В своей статье в «Journal de Physique» (1811) он выдвигает смелую гипотезу: в равных объемах любых газов при одинаковых температуре и давлении содержится одинаковое число частиц. Главное новшество Авогадро в том, что он вводит четкое различие между «элементарными частицами» (атомами) и «составными частицами» (молекулами). В отличии от него, по Дальтону молекулы не были чем-то особенным, они тоже были атомами, т.е. мельчайшей частицей вещества, после разделения которой вещество теряет свои свойства и исчезает. Правда и сам Авогадро, подобно Дальтону, тоже использует только один термин, но уже не атомы, а молекулы, разделяя их на разные типы:

Molécule élémentaire (элементарная молекула) — то, что мы сейчас называем атомом химического элемента.
Molécule constituante (составляющая молекула) — молекула простого газа (например, O₂).
Molécule integrante (интегрирующая молекула) — молекула сложного вещества (например, H₂O).

Окончательно современная терминология будет принята только к 1860 году. Но даже при сохранении значительной путаницы определений, теперь получалось, что газы не обязательно состоят из одиночных атомов. Водород, кислород, азот — это двухатомные молекулы (H₂, O₂, N₂). Два объема водорода и один объем кислорода дают именно два объема пара, так как общее число молекул уменьшается пропорционально, а не нарушает законы пространства. Так бы и было, если бы химики приняли теории Авогадро сразу же после их выхода, но как мы увидим немного дальше, здесь произошла значительная заминка.

В 1812 году химики всё увереннее говорят об элементах, атомах, весах и пропорциях. С другой стороны, они ещё не знают, является ли множество элементов окончательным. В 1812 году Дэви публикует «Elements of Chemical Philosophy», и допускает, что некоторые «неразложенные вещества» могут быть различными формами одной материи, или в будущем сведены к меньшему числу элементов. Эта линия затем перейдёт к Прауту, о чем будет сказано немного дальше. Это был очередной подкоп Дэви пот классический атомизм в стиле Дальтона. В этом же году уже упоминаемый нами выше шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус (1779-1848) становится главной фигурой мировой химии. Он берет на себя задачу навести идеальный порядок в атомных весах, и формулирует теорию электрохимического дуализма, который до него уже разрабатывался Дэви. Берцелиус утверждает, что каждый атом обладает двумя электрическими полюсами, но один из них всегда доминирует. Кислород — это самый электроотрицательный элемент, калий — самый электроположительный. Химическая реакция получается нейтрализацией противоположных зарядов. Эта модель на десятилетия станет главным объяснением того, почему атомы вообще удерживаются вместе. Ещё через год, т.е. в 1813 году Берцелиус совершает языковую революцию в науке. Он предлагает отказаться от неудобных геометрических рисунков Дальтона, и вводит современные химические символы — первые буквы латинских названий элементов (H, O, C, N, Fe и т.д.). Количество атомов в соединении он сначала обозначал надстрочными индексами, которые позже превратились в привычные нам подстрочные. Химия наконец-то получила международный алфавит. Хотя справедливости ради, подобные попытки делал даже предшественник Дальтона по созданию нового атомизма – Хиггинс, а метод изображения в стиле Дальтона продолжал встречаться в работах разных химиков ещё многие десятилетия.

К сожалению, идеи Авогадро были проигнорированы почти на целых 50 лет. Современники (включая Дальтона и Берцелиуса) проигнорировали его, посчитав его идеи слишком умозрительными. Удивительным образом Дальтон и Берцелиус пришли к похожему выводу из двух совсем разных предпосылок. У Дальтона была железная физическая причина, основанная на передовой науке его времени — теории теплорода. Как и почти все ученые того времени, Дальтон считал, что каждый атом окружен массивной «атмосферой» теплорода (калорика). Само существование газообразного состояния объяснялось тем, что эти тепловые атмосферы отталкиваются друг от друга. Для Дальтона мысль о том, что два одинаковых атома (например, два атома кислорода) могут соединиться в одну молекулу (O₂), была физически абсурдной. Как они могут слиться, если их тепловые оболочки обязаны отталкиваться со страшной силой?Именно вера в материальный теплород заставила Дальтона защищать свое «правило простоты» и объявить закон Гей-Люссака эмпирической ошибкой, а вместе с тем и отказаться от идей Авогадро. Но реальным «могильщиком» гипотезы Авогадро стал не кто иной, как Берцелиус и его теория электрохимического дуализма. Берцелиус утверждал, что атомы соединяются, потому что один заряжен положительно, а другой отрицательно (как магниты). Из этого прямо следовало, что два одинаковых атома не могут соединиться друг с другом. Кислород отрицателен. Если два атома кислорода встретятся, они оттолкнутся. Молекула O₂ невозможна. Поскольку Берцелиус был непререкаемым патриархом химии, его электрохимическая модель полностью заблокировала логику Авогадро. Ученые просто не понимали, какая сила может удержать вместе два одинаково заряженных атома в молекуле водорода или азота. Потребовалось полвека и рождение органической химии, чтобы понять, что связь может быть не только ионной (электростатической).

Первый кризис атомистики

Может это теперь уже не так очевидно, но новшество Берцелиуса, несмотря на свои удобства, имело один серьезный недостаток. Хотел он этого или нет, но таким образом он делал атомы более абстрактными, лишал их геометрической телесности, и этим играл на руку анти-материалистической интерпретации атомизма. Не стоит заблуждаться на счет того, что атомизм триумфально победил в 1808-14 годах. Бертолле был не единственным врагом дискретных представлений, и слишком многим бросилось в глаза, что этот новый атомизм играет на руку эпикурейцам и материалистам. Нужно было предпринимать что-то, чтобы не сохранять подобной лазейки для восстановления безбожных теорий. И попытки предпринимаются. Первый удар произошел со стороны физики, как раз там, где можно было ожидать самых опасных форм атомизма. Исторически классический атомизм Нового времени (от Ньютона до Дальтона) всегда шел рука об руку с корпускулярной теорией света. Считалось, что свет — это поток летящих материальных частиц (корпускул). Но в 1810-1820-х годах этот фундамент был полностью уничтожен волновой революцией, которую возглавили Томас Юнг (1773-1829), Доминик Франсуа Араго (1786-1853) и, главным образом, Огюстен Жан Френель (1788-1827). Стоит ли говорить, что тот же Араго был товарищем Бертолле и Гумбольдта, и явно был недоволен атомизмом, разрушающим благодаря своей дискретности поэтически привлекательные представления о единстве природы, в духе романтического пантеизма.

Френель математически безупречно доказал, что явления интерференции и дифракции света невозможно объяснить полетом корпускул. Свет ведет себя как поперечная волна. Но волна не может распространяться в абсолютной пустоте (вакууме) эпикурейцев и дальтонистов. Волне физически необходима среда, материальный носитель колебаний. Так в науку вернулся Светоносный Эфир — гигантский, всепроникающий, непрерывный космический океан. Причем, поскольку световые волны оказались поперечными, Эфир должен был обладать свойствами не газа или жидкости, а абсолютно твердого, упругого тела (вроде бесконечного космического желе), не имеющего внутри себя никаких пустот. Наглядным символом поражения корпускулярной теории стало знаменитое «пятно Пуассона» (1818). Симеон Дени Пуассон (1781-1840), пытаясь высмеять волновую теорию Френеля, математически вывел из неё абсурдное следствие: если направить свет на круглый непрозрачный экран, то в самом центре его тени на стене должно возникнуть яркое светлое пятнышко. Араго немедленно провел эксперимент и обнаружил это яркое пятно именно там, где предсказала математика Френеля. Континуализм праздновал победу, а для физического атомизма это была катастрофа. Даже такие стойкие борцы за механистическую картину мира, как Лаплас, который до последнего защищал атомизм, в 20-е годы XIX века признал поражение. Некоторые его ученики продолжали пытаться объяснять волновую природу через корпускулярные теории, но как правило у них ничего не выходило. Возникало глубокое противоречие. Если всё пространство Вселенной плотно забито непрерывной, твердой, упругой субстанцией Эфира, то как сквозь неё могут лететь твердые шарики Дальтона, не испытывая ни малейшего трения? Почему планеты не тормозят на своих орбитах? Ответ волновой физики первой половины века: дискретные механические атомы это избыточная фантазия, а мир континуален.

И пока физики выстраивали непрерывный эфир, химики обнаружили, что дальтоновские атомы абсолютно бесполезны для повседневной лабораторной работы. Уже в 1814 году Уильям Хайд Волластон (1766-1828) предложил альтернативу, которая на сорок лет затормозила развитие атомистики в Европе — теорию химических «эквивалентов». Волластон заявил, что мы не можем увидеть атомы, мы не знаем их форму, и мы обречены вечно спорить о том, состоит ли вода из HO, H₂O или HO₂. Всё, что у нас реально есть на весах — это пропорции вытеснения. Тогда зачем вообще строить метафизические гипотезы, если можно ввести понятие эквивалента — массы элемента, которая соединяется с одной условной весовой частью эталона (например, кислорода или водорода). Волластон заявляет:

«Нам не нужно верить в физические атомы Дальтона, нам достаточно использовать весовые эквиваленты».

Это положило начало мощному расколу XIX века на физических атомистов и химических эквивалентистов. Эту линию яростно поддержал Гемфри Дэви, который утверждал, что дальтоновские шарики лишь путают студентов, а химия должна оставаться строгой операциональной наукой, фиксирующей только факты. Мощнейший удар по атомам вскоре после этого нанес немец Леопольд Гмелин (1788-1853), который положил систему эквивалентов в основу своего монументального, многотомного «Handbuch der Chemie» (1817). Всё это происходит параллельно с атаками волновой теории. Гмелин установил эквивалентные веса:

Водород (H) = 1
Кислород (O) = 8
Углерод (C) = 6

В системе Гмелина формула воды записывалась как HO, а углекислого газа — CO₂ (но с весом углерода равным 6). Эта система была настолько удобной для практических расчетов на весах и в коммерческой фармации, что немецкие и британские университеты вплоть до 1850-х годов официально запрещали использовать в учебниках дальтоновские атомные веса (O=16, C=12). Атомизм был изгнан в серую зону полулегальных гипотез. А вскоре после этих двух сильнейших ударов, эмпирический скепсис ученых получил мощное философское обоснование в лице создателя позитивизма Огюста Конта (1798-1857). В своем фундаментальном курсе позитивной философии (1826-30) Конт сформулировал жесткий критерий научности. Настоящая «положительная» наука должна полностью отказаться от метафизических вопросов о скрытых «сущностях» и «первопричинах» вещей. С точки зрения позитивизма, дальтоновские атомы были типичным пережитком донаучной, метафизической стадии мышления, попыткой объяснить наблюдаемый мир при помощи невидимых, недоказуемых призраков. Конт утверждал, что наука должна лишь фиксировать математические законы отношений между феноменами (явлениями). Законы постоянства состава Пруста и эквивалентов Рихтера — это позитивное знание. А рассуждения о том, что за этими законами стоят неделимые телесные сферы — это ненаучная мифология. Под влиянием Конта во Франции сформировалась целая школа блестящих химиков-антиатомистов, считавших веру в атомы признаком интеллектуальной отсталости.

Примерно тогда же, когда на сцене появляется теория эквивалентов (1814), Берцелиус публикует таблицу атомных масс для 41 элемента, как некий прообраз будущей таблицы Менделеева. В отличие от Дальтона, который принял за единицу водород (H = 1), Берцелиус берет за основу кислород (O = 100). За счет фантастической точности своих анализов он исправляет грубые ошибки Дальтона (например, у Дальтона атомный вес кислорода был равен 7 вместо 16 из-за неверной формулы воды как HO). В 1814 году появляется и второй вариант авогадровской линии — письмо Ампера к Бертолле о пропорциях, в которых тела соединяются согласно числу и расположению молекул. Ампер заново формулирует гипотезу Авогадро о равном числе молекул в равных объёмах газов, и пытается дополнить её молекулярной моделью соединений. Но идея Авогадро-Ампера в 1814 году снова остается почти не замечена. В 1815 году появляется первая мечта о сложной структуре атома. Английский врач и химик Уильям Праут (1785-1850) анонимно публикует статью, в которой анализирует известные на тот момент атомные веса. Он замечает, что если за единицу принять массу атома водорода, то атомные веса всех остальных элементов с поразительной точностью оказываются целыми числами (например, углерод — 12, азот — 14, кислород — 16). Из этого Праут делает фундаментальный вывод, что все химические элементы на самом деле не являются абсолютно неделимыми. Они представляют собой конденсации одного-единственного первичного вещества — водорода, который он назвал протилом. Хотя Берцелиус резко раскритиковал Праута за подгонку данных, ведь у некоторых элементов, вроде хлора, вес получался дробным — 35.5, эта гипотеза предвосхитила открытие протона и изотопов в XX веке и не давала покоя физикам и химикам на протяжении всего девятнадцатого столетия.

Так что к 1815 году атомистическая теория полностью победила на практике: химики пишут формулы буквами Берцелиуса и считают пропорции по таблицам атомных весов. Однако в теории наметился глубокий раскол: физики и радикальные химики верят в реальные неделимые сферы Дальтона; позитивисты (школа Волластона) требуют считать атомы лишь удобной математической фикцией и использовать «эквиваленты»; а идеи Авогадро, способные примирить физику газов и химию элементов, остаются невостребованными.

Иллюстрация эксперимента Пуассон-Араго (есть русские субтитры)

Пространственная архитектура и кризис электрохимии

Тем временем в мире происходят и другие значительные изменения, играющие на руку врагам материалистических теорий. Окончательно рушится империя Наполеона, политически Европа погружается в период реакции, и в культуре нарастает влияние романтизма, спиритуализма и религии. В 1816 году французский физик Андре-Мари Ампер (1775-1836) публикует работу, в которой ещё дальше развивает идеи Авогадро. Он делает попытку заглянуть внутрь молекулы с точки зрения геометрии. Он попытался скрестить гипотезу Авогадро с кристаллографическими идеями Гаюи. Теперь Ампер предполагает, что молекулы газов состоят из отдельных атомов, которые удерживаются вместе в вершинах правильных геометрических многогранников (тетраэдров, октаэдров и кубов). По мнению Ампера, форма этих невидимых многогранников напрямую определяет, в какую кристаллическую решетку соединение выпадет в осадок. Это была одна из первых в истории науки попыток связать атомизм со структурной геометрией материи. Также стоит отметить, что Ампер был одним из поздних идеологов (радикальные сенсуалисты), который со временем сместился в идеализм, из-за влияния религии и немецкой философии, а под конец жизни, ещё до Огюста Конта, попытался составить собственную философию науки, с попыткой выстроить научные области по иерархическому принципу. Через год после этого немецкий химик Иоганн Вольфганг Дёберейнер (1780-1849) делает эмпирическое открытие, которое через полвека приведет к созданию Периодического закона. Он замечает, что если взять три химически сходных элемента — кальций, стронций и барий — то атомный вес среднего (стронция) удивительно точно равен среднему арифметическому весов двух крайних. Чуть позже он обнаруживает такую же закономерность для триад «сернистых» (сера, селен, теллур) и «солеродных» (хлор, бром, иод) элементов. До Дёберейнера атомные веса Дальтона и Берцелиуса казались хаотичным набором случайных чисел. «Триады» впервые намекнули, что между массой атома и его химическим характером существует глубокая, строгая математическая взаимосвязь.

1818 год становится эмпирическим триумфом Берцелиуса. Он публикует обновленную, колоссальную по масштабу таблицу атомных весов, рассчитанную по его «кислородной» шкале (O = 100). Она включала данные для 45 элементов и формулы более чем 2000 соединений. Чтобы понять титанический масштаб этой работы, представьте, что Берцелиус лично, вручную спроектировал и провел тысячи сложнейших химических анализов, создавая новые типы лабораторной посуды и методов очистки веществ. Его точность была феноменальной. Определенный им атомный вес кремния, например, отличался от современного менее чем на 0.5%. Теперь научный мир получил надежнейший фундамент для расчетов. Но следующий год принесет один из крупнейших прорывов десятилетия, благодаря двум фундаментальным открытиям. Французские физики Пьер Луи Дюлонг (1785-1838) и Алексис Тереза Пти (1791-1820) обнаруживают поразительную закономерность при исследовании теплоемкости твердых тел, в основном металлов. Произведение удельной теплоемкости элемента на его атомный вес оказалось величиной практически постоянной для всех исследованных образцов: с ∙ M ≈ 6.4 кал/(моль ∙ ℃). Это означало, что теплоемкость одного изолированного атома одинакова для всех элементов. Нагревание куска свинца и куска железа требует разной энергии только потому, что в одном грамме свинца атомов меньше, чем в грамме железа. Химики наконец-то получили независимый физический метод верификации атомных масс. Если весовые анализы оставляли сомнения (например, непонятно было, какова формула оксида (MeO или Me₂O₃), закон Дюлонга-Пти однозначно указывал на истинный атомный вес металла. Параллельно с ними молодой немецкий химик Айльгард Мичерлих (1794-1863) вдруг обнаруживает, что соединения с совершенно разной химической природой, но с одинаковым количеством атомов в молекуле, кристаллизуются в абсолютно идентичных геометрических формах. Классическим примером стали соли фосфорной и мышьяковой кислот. Берцелиус мгновенно оценил масштаб открытия и назвал это явление изоморфизмом (равноформием). Он сразу же применил его для определения атомного состава: если структура кристалла неизвестного вещества совпадает со структурой известного, значит, их атомные формулы аналогичны по своей архитектуре. Без этих двух открытий колоссальная таблица Берцелиуса 1826 года (которая станет развитием таблицы 1818 года) не была бы столь точной и авторитетной, и попытки вычислять вес атомов были бы слишком умозрительными и уязвимыми для критики.

В 1820 году происходит попытка кинетического прорыва, первая со времен попыток Бернулли в 1738 году. Английский физик-самоучка Джон Герапат (1790-1868) отправляет в Лондонское королевское общество работу, в которой пытается возродить кинетическую теорию газов. Он математически описывает теплоту как результат движения и столкновения атомов. Однако президент общества Гемфри Дэви жестко отвергает статью, посчитав ее спекулятивной, поскольку в то время в физике безраздельно доминировала теория «теплорода» — невесомого флюида, окутывающего атомы, да и потому, что как уже указывалось выше — Дэви был эквивалентистом и боролся против атомизма. Правда, в расчетах Герапата были и математические ошибки, которые тем более упростили отказ. Так что физический атомизм газов был заблокирован еще на три десятилетия. Продолжая свои исследования, в 1821 году Мичерлих открывает явление диморфизма, способности одного и того же вещества с неизменным атомным составом (например, кристаллической серы) кристаллизоваться в двух совершенно разных геометрических формах в зависимости от температуры. Это стало окончательным доказательством того, что физические свойства макротел зависят не только от массы и типа входящих в него атомов, но и от пространственного расположения частиц относительно друг друга. Один и тот же набор атомов, упакованный иначе, дает принципиально иное вещество.

После открытий Дальтона, Гей-Люссака, Авогадро, Берцелиуса, Дюлонга-Пти и Митчерлиха химики получили несколько разных способов говорить о строении вещества: атомные веса, эквиваленты, объёмные отношения газов, теплоёмкости, изоморфизм, кристаллические формы, электрохимический дуализм. Хотя, конечно, под влиянием эквивалентизма и позитивизма всё это подается как удобные формулы, не имеющие никакого притязания на понимание реального строения вещества. В 1823 году великий английский физик Майкл Фарадей (1791-1867) проводит серию исторических экспериментов по сжижению газов (хлора, углекислого газа, аммиака), комбинируя высокое давление и охлаждение. До этого считалось, что газы («постоянные газы», такие как кислород или азот) принципиально неконденсируемы. Модель Дальтона предполагала, что атомы газов окружены огромными упругими оболочками из невесомого флюида — теплорода, которые отталкивают атомы друг от друга. Успех Фарадея доказал, что при сближении атомов между ними начинают действовать мощные силы взаимного притяжения (когезии). Это нанесло сильный удар по теории теплорода и приблизило ученых к кинетическому пониманию газов. Но сразу отметим, что Майкл Фарадей не был классическим атомистом. Он критиковал традиционные представления о неделимых «твердых» атомах, и отрицал существование пустоты. Вместо материальных частиц Фарадей разделял концепцию точечных центров сил (известную как атомизм Бошковича), а позже стал одним из основоположников теории поля.

В 1824-25 годы разворачивается один из самых драматичных сюжетов в истории химии, который привел к тесному сотрудничеству двух немецких гениев: Юстуса фон Либиха (1803-1873) и Фридриха Вёлера (1800-1882). Молодой Либих, работая в Париже у Гей-Люссака, исследует соли взрывоопасной гремучей кислоты (фульминаты) и определяет состав гремучего серебра. В это же время в Стокгольме у Берцелиуса молодой Вёлер исследует соли мирной циановой кислоты и определяет состав цианата серебра. Когда Берцелиус сопоставил их данные, выяснилось, что оба вещества имеют абсолютно идентичный элементный состав: на один атом серебра приходится по одному атому углерода, азота и кислорода (AgCNO). При этом гремучее серебро взрывается от малейшего прикосновения, а цианат серебра стабилен и имеет совсем другие химические свойства. До 1824 года ещё господствовала догма Дальтона, что свойства вещества определяются исключительно тем, какие атомы и в каком количестве в него входят. Открытие Либиха и Вёлера доказало, что свойства вещества кардинально зависят от пространственного расположения и порядка сцепления атомов. Атомизм впервые стал качественным, архитектурным. Сам термин «изомерия» для этого явления Берцелиус введет чуть позже, в 1830 году.

Следующий удар по атомизму происходит из рук его защитника. В конце 1820-х годов молодой и амбициозный французский химик Жан-Батист Дюма (1800-1884) решил спасти атомизм. Он разработал изящный метод определения атомных весов по плотности паров. Логика была проста: если, согласно гипотезе Авогадро, в равных объемах газов содержится одинаковое число частиц, то, взвешивая газы, мы узнаем истинные веса их атомов. В самых простых случаях с газами всё получалось почти идеально. Но природа устроила Дюма жестокую ловушку. Когда он измерил плотность паров фосфора, серы, мышьяка и ртути при высоких температурах, результаты оказались катастрофическими: атомный вес фосфора оказался вдвое больше ожидаемого. Сера показала утроенное значение. Ртуть, наоборот, выдала результат в два раза меньше «нормы». Дюма не знал, что молекулы серы в парах состоят из 6 или 8 атомов (S₆, S₈), а фосфора — из четырех (P₄), и поэтому он пришел к выводу, что сама атомная гипотеза глубоко порочна. Атомы, которые должны быть неделимыми, в его опытах будто бы дробились или слипались сами собой. Это привело Дюма к полному разочарованию, он капитулировал и полностью перешел на позиции теории эквивалентов, нанеся атомизму тяжелейший удар изнутри самого химического сообщества. Этот кризис заставил многих химиков временно отвернуться от атомизма обратно к прагматичным «эквивалентам» Волластона, а спустя 10 лет Дюма даже напишет:

«Если бы это было в моей власти, я бы стёр слово «атом» из науки, убежденный, что оно уходит далеко за пределы опыта, а в химии мы никогда не должны идти дальше опыта».

Примерно тогда же, в 1827 году шотландский ботаник Роберт Браун (1773-1858) исследует под микроскопом пыльцу растения Clarkia pulchella, взвешенную в воде. К своему изумлению, он обнаруживает, что мельчайшие крупинки пыльцы совершают непрекращающееся, совершенно хаотичное зигзагообразное движение. Чтобы исключить биологический фактор, Браун проводит эксперименты с растолченными в пыль минералами, стеклом, углем и даже куском гранита из египетского сфинкса. Движение повторялось везде. В 1827 году никто (включая самого Брауна) не смог дать этому феномену адекватного физического объяснения. Лишь в конце века станет ясно, что Браун стал первым человеком, который «увидел» следствие существования молекул. Крупинки пыльцы двигались оттого, что испытывали несбалансированные тепловые удары со стороны невидимых, дискретных молекул воды. Это явление назовут Броуновским движением. В этом же году выходит третья и последняя часть фундаментальной работы Дальтона — «Новая система химической философии» (1808-1827). Целая эпоха в истории атомизма закрывается.

Намного более значимым для атомизма становится 1828 год. Фридрих Вёлер совершает эпохальный эксперимент. Пытаясь получить в лаборатории неорганическую соль — цианат аммония (NH₄CNO), он выпаривает ее раствор и обнаруживает, что вещество перегруппировалось (изомеризовалось) в белые кристаллы мочевины (CO(NH₂)₂). Мочевина — типичный продукт животного метаболизма. До 1828 года сторонники теории витализма утверждали, что органические вещества невозможно синтезировать в пробирке, так как для их создания нужна мистическая «жизненная сила» (vis vitalis), присущая только живым организмам. Вёлер доказал, что между органической и неорганической материей нет пропасти. Органические молекулы — это точно такие же конгломераты атомов, подчиняющиеся тем же законам механики, валентности и весовых отношений, что и минералы. Атомистическая теория получила мандат на полную колонизацию органической химии. Но как и в других подобных случаях, первая публикация нового явления ещё не сразу разрушила всю систему витализма, и понадобится ещё около 20-ти лет, чтобы улучшенные эксперименты нанесли сокрушительный удар, для которого Вёлер только подготовил почву и, так сказать, пробил первую брешь в крепости врага.

И вот теперь Берцелиус, вооружившись открытиями Дюлонга, Пти и Мичерлиха — публикует итоговую, невероятно выверенную таблицу атомных весов, основанную на многолетних перекрестных проверках законов стехиометрии, изоморфизма и теплоемкости. В этой таблице формулы большинства важнейших оксидов и солей приняли свой окончательный, современный вид. Итак, к этому моменту стало очевидным, что:

Два вещества могут состоять из одних и тех же атомов, но различаться их геометрическим расположением (изомерия).
Атомы в органических соединениях ведут себя по тем же законам, что и в неорганических.
Физика подошла к порогу кинетической теории (сжижение газов, фиксация броуновского движения), но пока не имеет математического аппарата, чтобы связать движение атомов с макросвойствами тел.

Период с 1829 по 1837 год вошел в историю науки как время жесткого столкновения между эмпирической практикой и фундаментальной теорией. С одной стороны, химики научились с филигранной точностью подсчитывать атомный состав сложнейших органических молекул. С другой стороны, ведущие умы эпохи начали сомневаться в физической реальности атомов Дальтона, поскольку механизмы их сцепления оставались загадкой, а ведущая электрохимическая теория того времени зашла в тупик. Этот период примечателен тем, что атомизм получил мощнейшую количественную поддержку со стороны физики электричества. В 1829 году Дёберейнер официально публикует свою работу «Попытка группировки элементарных веществ на основе их аналогии». Это зафиксировало первый серьезный шаг к поиску закономерностей среди атомных весов. Идея о том, что масса атома определяет его химическое «поведение», перестала быть случайной догадкой и обрела математическое подтверждение в виде триад (например, литий — натрий — калий). Через год после этого Берцелиус, анализируя накопленные данные, включая работы Либиха и Вёлера, официально вводит в науку термин изомерия (от греческого «равная доля»). Он концептуально разделяет явления, когда вещества имеют одинаковый состав, но разные свойства. Выделяет собственно изомерию (разная структура при одинаковом весе) и полимерию (одинаковое соотношение атомов, но разная общая масса молекулы, например, этилен и бутилен). И теперь понятие «структуры» конгломерата атомов окончательно узаконено на высшем академическом уровне.

К 1829 году относится и ранняя работа Томаса Грэма (1805-1869) о диффузии газов. Позднее из этой линии вырастет закон Грэма (1831), связывающий скорость диффузии с плотностью газа. Это была физическая ветвь, родственная раннему Дальтону и Герапату: газ всё больше понимался как совокупность частиц, скорость движения и проникновения которых зависит от массы, плотности и молекулярной природы вещества. В 1831 году Юстус фон Либих совершает прорыв, который превратил органический атомизм из элитарного искусства в массовую лабораторную практику. Он изобретает калиаппарат (Kaliapparat) — пятишариковый стеклянный прибор для улавливания углекислого газа, образующегося при сжигании органики. Образец органического вещества сжигался, выделившийся углекислый газ поглощался раствором гидроксида калия в этих стеклянных шарах. По изменению веса шаров химик с высочайшей точностью определял массу углерода. При этом время анализа сократилось с нескольких дней до пары часов, а точность возросла многократно. Химики всего мира получили инструмент для мгновенного и безошибочного определения «брутто-форм» — то есть точного числа атомов углерода, водорода и кислорода в любом органическом соединении, и это в итоге приведет к кризису электрохимии.

В последующие несколько лет Майкл Фарадей проводит серию опытов, которые связали атомизм с электричеством на строгом математическом уровне. Он формулирует два закона электролиза и вводит фундаментальную терминологию: ион, катод, анод, электролит. Фарадей доказал, что масса вещества, выделившегося на электроде, строго пропорциональна количеству пропущенного электричества, а при одинаковом количестве тока массы выделяющихся элементов пропорциональны их химическим эквивалентам. Как мы уже говорили выше, сам Фарадей, будучи сторонником динамического атомизма Бошковича, скептически относился к «материальным шарикам» Дальтона. Однако его законы стали железным аргументом для будущих поколений: они прямо указывали, что электричество дискретно, а каждый атом переносит строго определенную, неделимую «порцию» или «квант» электрического заряда.

1834 год принес важнейшие вехи как для физической, так и для химической ветвей теории. Французский физик Бенуа Поль Эмиль Клапейрон (1799-1864) объединяет законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Шарля в единую математическую систему. Он выводит уравнение состояния идеального газа, которое в современной записи выглядит как: PV = nRT. Для атомизма это уравнение стало фундаментальной макроскопической рамкой. Спустя двадцать лет физики-кинетики (Крёниг, Клаузиус) будут доказывать реальность молекул именно через попытки вывести это уравнение Клапейрона чисто механическим путем, через расчет ударов миллиардов невидимых атомов о стенки сосуда.

В химическом атомизме Жан-Батист Дюма и Эжен Пелиго исследуют древесный спирт и формулируют «теорию радикалов». Они доказывают, что устойчивая группа атомов (в данном случае метил) способна без изменений переходить из одного химического соединения в другое, ведя себя в реакциях точно так же, как ведет себя одиночный неделимый атом элемента. Молекула начинает восприниматься не просто как куча атомов, а как устойчивый союз «блоков» и «деталей». Поэтому 1835-1837 годы характеризуется как новая волна кризиса и нарастания скептицизма. Атомистическая теория сталкивается с мощным внутренним противоречием, которое на время затормозило ее развитие. Дюма обнаруживает, что в органических соединениях (например, в уксусной кислоте) можно заместить водород хлором, но общие химические свойства молекулы и ее геометрия при этом принципиально не изменятся. Это открытие нанесло смертельный удар по теории электрохимического дуализма Берцелиуса. Согласно его модели, атомы удерживались вместе только притяжением противоположных зарядов: электроположительный водород не мог быть заменен электроотрицательным хлором без мгновенного разрушения всей молекулы. Но теперь, на практике было показано, что молекула выживала.

После того как Дюма доказал возможность замещения водорода хлором в уксусной кислоте без изменения её основных свойств, он наносит решительный удар по электрохимической теории Берцелиуса. В 1839 году Дюма формулирует первую теорию типов (унитарную систему). Он утверждает, что молекула — это единое, цельное здание, где свойства определяются не электрическими зарядами атомов, а их позицией в общей структуре. Если заменить один элемент на другой в том же «узле» кристаллической или молекулярной решетки, химический тип соединения сохранится. В 1840 году французский химик Шарль Жерар (1816-1856) публикует критические статьи, поддерживающие Дюма. Начинается ожесточенная многолетняя дискуссия. Старая гвардия во главе с Берцелиусом до последнего защищает идею о том, что атомы делятся строго на «плюс» и «минус», но натиск фактов органической химии становится неостановимым. Унитарный атомизм побеждает дуалистический. И если даже Дюма изначально строил теорию типов через «механическую» аналогию (архитектура здания), то Жерар же пошел дальше и объявил, что мы вообще не можем знать реальное расположение атомов в молекуле, а все наши формулы — это лишь «типы реакций». Из-за этого Дюма и Жерар в начале 1840-х даже остро конфликтовали. Их союзу и общему признанию унитарной системы поможет чуть позже Огюст Лоран, который выступил мостом между геометрическим подходом Дюма и расчетным подходом Жерара.

Классический аппарат Джоуля для определения механического эквивалента теплоты. Источник: mikroman6 / Getty Images

И снова наступило временное разочарование в теоретическом атомизме. Понятия «атом», «молекула» и «эквивалент» всё ещё оставались запутанными, и многие химики, вслед за Дюма и Жераром, начали утверждать, что атомы — это лишь удобные вымышленные знаки на бумаге для ведения баланса в реакциях, и что искать их реальную физическую форму просто ненаучно. Наука замерла в преддверии полного пересмотра химической архитектуры. В последующие годы химия перенесла фокус внимания с вопроса «из каких элементов состоит вещество?» на вопрос «как именно атомы расположены в пространстве?». И пока химики перестраивали архитектуру молекул, физики кардинально пересмотрели природу межатомного пространства. Происходят и новые значимые открытия, и одно из самых главных относится к 1842 году, когда немецкий врач и физик Юлиус Роберт фон Майер (1814-1878) теоретически обосновывает закон сохранения энергии. Не менее важным становится открытие 1843 года, когда английский физик Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889) экспериментально измерил механический эквивалент теплоты. Опыты Джоуля с использованием представленной установки (где опускающиеся грузы вращали лопасти в сосуде с водой, нагревая её за счет трения) окончательно доказали, что тепло — это не флюид («теплород»), окружающий атомы. Скорее тепло является формой энергии, как кинетическая энергия движения самих атомов и молекул. С этого момента физика газов и термодинамика получили зеленый свет для математического описания теплоты как хаотического полета микрочастиц.

В 1843-45 годы французские ученые Шарль Жерар и Огюст Лоран совершают критически важную реформу атомных весов, которая вывела химический атомизм из затянувшегося тупика и путаницы формул. Они заметили, что формулы органических веществ, используемые школой Берцелиуса, неоправданно удвоены (например, для углекислого газа писали C₂O₄ вместо CO₂, а для воды — HO вместо H₂O). Это происходило потому, что эквивалентные веса углерода и кислорода принимались за 6 и 8 вместо 12 и 16. Наконец-то Жерар возвращается к концепции Авогадро и Ампера, и жестко разграничивает понятия:

Атом — наименьшее количество элемента, существующее в соединениях.
Молекула — наименьшее количество вещества, способное к самостоятельному существованию в газовой фазе.
Эквивалент — чисто эмпирическая пропорция замещения.

Жерар принимает атомные веса C=12, O=16, S=32 и переписывает формулы сотен органических соединений, приведя их к общему знаменателю. Это упорядочивание вызвало яростное сопротивление консерваторов, но заметно упростило расчеты. Теперь атомизм становится снова немного более точным и его сторонники приобретают уверенность. Вскоре она ещё усиливается. До 1848 года атомисты воспринимали молекулы преимущественно как плоские, двухмерные схемы. Не в последнюю очередь в результате длительной борьбы против «шариков» Дальтона. Но тогда двадцатишестилетний французский микробиолог и химик Луи Пастер (1822-1895) совершает открытие, которое заставило ученых мыслить в трех измерениях. Изучая соли виноградной (паравиноградной) кислоты, которая была оптически неактивной, Пастер замечает под микроскопом, что кристаллы натриево-аммониевой соли имеют асимметричные грани. Более того, эти грани закручены в разные стороны — одни вправо, другие влево. Пастер вручную, с помощью пинцета, разделяет эти кристаллы на две кучки. Когда он растворил каждую кучку отдельно и пропустил через них поляризованный свет, выяснилось, что один раствор вращает плоскость поляризации вправо, а другой — влево (на точно такой же угол). Из этого Пастер сделал фундаментальный вывод, что оптическая активность растворов вызвана не формой макроскопического кристалла, а асимметрией самой молекулы. Это стало неопровержимым доказательством того, что атомы внутри молекулы организованы в строгую трехмерную пространственную конфигурацию, способную обладать зеркальной асимметрией (хиральностью).

К концу 40-х годов концепция типов Жерара получает блестящее экспериментальное развитие, заложившее основу для теории валентности. В 1849 году французский химик Шарль Адольф Вюрц (1817-1884), действуя щелочами на изоциановые эфиры, синтезирует первые органические производные аммиака — метиламин и этиламин. Он доказывает, что эти газы построены по «типу аммиака» (NH₃), где один атом водорода замещен на органический радикал. А ещё через год английский химик Александр Уильям Уильямсон (1824-1904) в ходе знаменитых опытов по синтезу простых эфиров доказывает, что спирты и эфиры построены по «типу воды». В спирте один водород заменен на радикал (например, этил), а в эфире — оба водорода. Значение открытий Вюрца и Уильямсона состоит в том, что тип воды (H₂O) продемонстрировал, что центральный атом кислорода обладает способностью прочно удерживать и связывать вокруг себя два других атома или радикала. Тип аммиака (NH₃) показал, что атом азота способен удерживать три элемента. Наука вплотную подошла к осознанию того, что атомы обладают строго фиксированной емкостью насыщения, т.е. валентностью (в то время сам Жерар называл это явление атомностью).

Великое примирение

Период с 1851 по 1860 год стал «золотым десятилетием» атомизма. Именно в эти десять лет разрозненные химические гипотезы и эмпирические правила соединились в строгую, математически выверенную и логически безупречную систему. Атомизм одержал две колоссальные победы: (1) в химии была открыта валентность и создана теория строения, (2) а в физике родилась молекулярно-кинетическая теория газов. Финальной точкой этого периода стал первый в истории международный научный конгресс, зафиксировавший тотальный триумф атомистического мировоззрения. Итак, в 1852 году английский химик Эдуард Франкленд (1825-1899), изучая металлоорганические соединения (например, диметилцинк), замечает строгую закономерность в том, какое количество радикалов или атомов могут присоединять к себе металлы. В статье, представленной Лондонскому королевскому обществу, он вводит понятие «соединительной способности» элементов. Франкленд заявляет:

«Каким бы ни был характер соединяющихся атомов, притягивающая сила беспристрастного элемента (если можно так выразиться) всегда удовлетворяется одним и тем же числом этих атомов».

Это открытие, позже названное валентностью, превратило атом из абстрактной сферы в упорядоченный «центр химических связей». Стало ясно, что каждый атом обладает фиксированным числом единиц сродства. Между 1856 и 1857 годами происходит триумф физического атомизма. Физика окончательно отказывается от статичных моделей газов, где атомы неподвижно висели в «облаках теплорода», и переходит к динамике. Сначала немецкий физик Август Крёниг (1822-1879) публикует краткую статью по кинетической теории газов. Он математически моделирует газ как совокупность атомов, движущихся с огромной скоростью и идеально упруго ударяющихся о стенки сосуда. Это позволило ему легко вывести закон Бойля-Мариотта из чистой механики. Затем Рудольф Клаузиус (1822-1888) развивает идеи Крёнига в масштабную физическую теорию в труде «О роде движения, который мы называем теплотой» (1857). Клаузиус вводит революционные усложнения: молекулы газов совершают не только поступательное движение, но также вращаются и колеблются. Он впервые рассчитывает среднюю скорость движения молекул (для кислорода при 0 °C она составила более 400 метров в секунду). Дело в том, что простая модель Крёнига (где атомы — просто летящие твердые точки) давала неверные результаты при расчете удельной теплоемкости газов. Если бы энергия тратилась только на поступательный полет, газы нагревались бы быстрее, чем показывал эксперимент. Клаузиус понял, что часть тепла «прячется» внутри молекулы, т.е. уходит на ее раскручивание и колебание атомов друг относительно друга (внутренние степени свободы). Это окончательно превратило физический атом из неделимой точки Бошковича в сложную динамическую систему. Теперь физический атомизм получил математический аппарат, и макроскопическое давление газа стало прямым следствием суммарных микроскопических ударов движущихся молекул.

В 1859-1860 годах немецкий химик Роберт Бунзен (1811-1899) и физик Густав Кирхгоф (1824-1887), работая в Гейдельбергском университете, создают метод спектрального анализа. Используя усовершенствованную Бунзеном газовую горелку (дававшую высокотемпературное, но практически бесцветное и несветящееся пламя) и призменный спектроскоп Кирхгофа, ученые обнаружили, что раскаленные пары каждого изолированного элемента испускают строго определенный, индивидуальный набор ярких цветных линий. Наука получила уникальный оптический «отпечатк пальца» конкретного атома. Для атомистического мировоззрения это открытие имело колоссальные последствия сразу в трех измерениях: (1) Кирхгоф сопоставил яркие линии испускания земных металлов с темными линиями поглощения в солнечном спектре и доказал, что на Солнце присутствуют те же самые атомы, что и на Земле, в частности, натрий, железо, магний и водород. Это нанесло сокрушительный удар по догматическому позитивизму Огюста Конта, который еще в «Курсе позитивной философии» безапелляционно заявлял, что человечество навсегда обречено оставаться в неведении относительно химического состава небесных тел. Атомизм внезапно приобрел статус универсального космического закона. Кирпичики материи оказались тождественными во всей Вселенной; (2) То, что атом испускал свет не сплошной стеной (как твердое тело), а в виде дискретных, строго фиксированных длин волн, наглядно демонстрировало, что динамика внутри самого атома подчиняется строжайшему математическому порядку. Спектральный анализ показал, что атом это не мертвый статичный шарик, а сложная колебательная система (что спустя полвека станет эмпирическим фундаментом для квантовой модели Нильса Бора); (3) Метод мгновенно превратился в самый чувствительный инструмент поиска новых элементов, позволяя обнаруживать следы неизвестных атомов там, где традиционный весовой анализ пасовал. Уже в 1860 году Бунзен и Кирхгоф по характерным синим линиям открывают в минеральных водах цезий, а в 1861 году по ярко-красным линиям — рубидий.

Органическая химия совершает колоссальный рывок благодаря осознанию уникальных свойств углерода. Немецкий химик Фридрих Август Кекуле (1829-1896) постулирует, что углерод является четырехвалентным элементом. Он относит его к тому же типу, что и метан (CH₄). В 1858 году Кекуле и независимо от него шотландец Арчибальд Скотт Купер совершают еще один фундаментальный шаг. Они заявляют, что атомы углерода обладают уникальной способностью связываться друг с другом в длинные цепи. Купер делает важнейший вклад в визуальный язык науки. Он предлагает обозначать химическую связь между атомами линией (штрихом). Химические формулы на бумаге из бесформенных строчек превращаются в архитектурные чертежи молекул.

Дворец Карлсруэ и его сады в Германии, конец XIX века.

В то время как Кекуле строит углеродные цепи, в европейской химии царит хаос. Разные лаборатории используют разные атомные веса (для одного и того же вещества существовало до 10 вариантов совершенно разных формул). Так продолжается до тех пор, пока итальянский химик Станислао Канниццаро (1826-1910) не опубликует брошюру «Краткое изложение курса химической философии» (1858). Канниццаро берет за основу забытую гипотезу своего соотечественника Амедео Авогадро (1811) и доказывает, что она идеально разрешает все противоречия. Канниццаро совершил переворот тем, что предложил определять атомный вес элемента через его молекулярный вес в газообразном состоянии. Он показал, что нужно взять массу равных объемов разных газов (по закону Авогадро), найти вес их молекул, а затем посмотреть, какая наименьшая масса данного элемента входит во все эти летучие соединения. Это число и будет истинным весом атома. Тем самым он наводит жесткий математический порядок, и четко разделяет понятия «атом» (неделимый участник реакций) и «молекула» (свободно летающая группа атомов). На следующий год великий шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) обращает внимание на то, что миллиарды летающих атомов в газе постоянно сталкиваются и меняют свои скорости. Физика больше не может рассчитывать траекторию каждого атома в отдельности, теперь нужен статистический подход. Максвелл выводит закон распределения молекул по скоростям (распределение Максвелла). Он доказывает, что в состоянии равновесия большинство молекул движется с некоторой средней «наивероятнейшей» скоростью, но всегда есть небольшая доля очень медленных и очень быстрых частиц. Так атомизм впервые становится вероятностной и статистической наукой.

И вот, наступает грандиозный финал в этой долгой истории институализации атомизма. С 3 по 5 сентября 1860 года в немецком городе Карлсруэ собирается Первый международный конгресс химиков, на который съехались 140 ведущих ученых мира (включая Кекуле, Бутлерова, Менделеева, Дюма и Бородина). Их цель состоит как раз в том, чтобы прекратить хаос с атомными весами. Главным героем съезда становится Станислао Канниццаро. Он страстно защищает свои идеи, а в конце конгресса делегатам раздают его брошюру. Увидев этот простой метод, Лотар Мейер позже даже писал:

«У меня как бы пелена упала с глаз, исчезли все сомнения, и взамен явилось чувство ясной уверенности».

Конгресс принял исторические решения, официально зафиксировавшие окончательное и строгое разделение понятий атома и молекулы; а также единую систему атомных весов, основанную на водородной единице (H=1, O=16, C=12). Все формулы вроде HO для воды были окончательно признаны ошибочными и заменены на H₂O. Атомистическая теория вышла из кризиса абсолютным победителем. Физика доказала реальность атомов через математическую модель теплоты и давления, а химия обрела единый международный язык, четкие атомные веса и понимание валентности. Путаница прекратилась. На этот монолитный фундамент в следующее десятилетие встанут теория химического строения Бутлерова и Периодический закон Менделеева.

Триумф атомизма и вторая волна критики

Опираясь на решения конгресса в Карлсруэ, ученые перестали спорить о весах и вплотную занялись внутренней архитектурой молекул и глобальной систематизацией самих атомов. Постепенно атомизм приобретал предсказательную силу, способную открывать новые элементы «на кончике пера». 19 сентября 1861 года на съезде немецких естествоиспытателей и врачей в Шпейере российский химик Александр Бутлеров (1828-1886) читает исторический доклад «О химическом строении веществ». До Бутлерова считалось, что истинное расположение атомов внутри молекулы познать невозможно, а формулы это лишь условные схемы реакций. Бутлеров заявляет, что химическое строение вполне познаваемо, и что каждая молекула обладает строго определенным, фиксированным каркасом из связей между атомами. Он объясняет, почему вещества с одинаковым составом имеют разные свойства. Всё дело в порядке сцепления. Четырехвалентный углерод может связываться в прямые цепочки или разветвленные. Теория химического строения дала химикам точную карту для конструирования новых молекул.

Поняв, что атомы имеют четкие веса и валентности, ученые в разных странах начинают искать глобальный закон, связывающий все элементы вместе. В 1862 году французский геолог Александр Эмиль де Шанкуртуа (1820-1886) располагает элементы по спирали на цилиндре в порядке возрастания их атомных весов. Он замечает, что сходные элементы часто оказываются друг под другом, и формулирует вывод: «свойства элементов суть свойства чисел». Но его работа осталась незамеченной из-за сложного геологического языка и отсутствия графической таблицы. Чуть позже английский химик Джон Ньюлендс (1837-1898) замечает, что при упорядочивании элементов по весу, свойства каждого восьмого элемента напоминают свойства первого (как ноты в музыкальной октаве). Научное сообщество высмеяло Ньюлендса за «поиск музыки в химии», поскольку в его таблице было много натяжек, сближающих химические элементы с музыкальной грамотой. В 1864 году немецкий химик Юлиус Лотар Мейер (1830-1895) в книге «Современные теории химии» публикует таблицу из 28 элементов, сгруппированных по их валентности, и в порядке возрастания атомных масс. Это был огромный шаг вперед, но таблица охватывала далеко не все известные элементы.

1865 год приносит атомизму два новых фундаментальных открытия, одно в органической химии, другое в молекулярной физике. Фридрих Август Кекуле разрешает главную головоломку органической химии того времени — структуру бензола (C₆H₆). Согласно валентности, бензол должен был быть крайне нестабильным и реакционноспособным веществом, но на практике он вел себя на редкость инертно. Кекуле понимает, что цепочка из шести атомов углерода замкнута в циклическое кольцо с чередующимися одинарными и двойными связями. По легенде, эта идея пришла к нему во сне, когда он увидел змею, кусающую себя за хвост. Это открытие открыло путь к промышленному синтезу красителей, лекарств и взрывчатых веществ. Второе важнейшее открытие делает австрийский физик Иоганн Йозеф Лошмидт (1821-1895). Он совершает то, что Дальтон считал принципиально невозможным. Используя математический аппарат кинетической теории газов Клаузиуса и Максвелла, он впервые вычисляет реальный физический размер молекул воздуха. Лошмидт определил, что диаметр молекулы газа составляет величину порядка 10^-8см (один ангстрем). Также он рассчитал количество молекул в единице объема идеального газа при нормальных условиях — фундаментальную константу, которую сегодня называют числом (или постоянной) Лошмидта. Атомы окончательно перестали быть умозрительной абстракцией, теперь у них появились точные геометрические размеры в метрической системе.

Финалом этого десятилетия стал величайший триумф в истории химического атомизма. 1 марта 1869 года российский химик Дмитрий Менделеев (1834-1907) рассылает ведущим ученым свой первый набросок единой системы элементов. В отличие от своих предшественников, Менделеев объединил элементы не просто по валентности или сходству, а на основе фундаментального критерия — неразрывной связи между атомным весом элемента и его химическими свойствами. Немного позже Лотар Мейер публикует статью, где представляет график зависимости атомного объема (отношения атомного веса к плотности в твердом состоянии) от атомного веса. График имел четкую волнообразную, циклическую форму, блестяще подтверждая физическую периодичность свойств атомов. Этот график имел колоссальное значение для физического крыла атомистов. До него таблица Менделеева казалась чисто «химической» классификацией, удобным каталогом реакций и валентностей. Кривая Мейера наглядно показала, что периодичность это фундаментальное физическое свойство самого атома. Щелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Cs) всегда оказывались на самых пиках этих «волн», а впадины занимали тяжелые металлы из центра таблицы. Этот график буквально визуализировал пульсацию физических свойств материи по мере роста массы атома.

Уже в ноябре 1870 года Менделеев представляет статью, где идет на невиданный для науки риск. Чтобы сохранить периодичность, он оставляет в своей таблице пустые клетки, и на основе окружающих элементов в мельчайших деталях описывает свойства трех еще не открытых атомов, дав им временные имена:

Экаалюминий (будущий галлий)
Экабор (будущий скандий)
Экасилиций (будущий германий)

Менделеев предсказал не просто их существование, а их точный атомный вес, плотность, температуру плавления и формулы их оксидов. Когда в последующие десятилетия эти элементы были открыты в лабораториях, точность предсказаний Менделеева потрясла научный мир.

График зависимости атомных объемов от атомных весов по Лотару Мейеру.

Период с 1871 по 1880 год ознаменовался окончательным переходом атомизма из статуса «наиболее вероятной гипотезы» в статус фундаментальной объяснительной и предсказательной силы науки. В химии атомизм обрел полноценное третье измерение — геометрию молекул в пространстве. В 1874 году молодой голландский химик Якоб Генрик вант-Гофф (1852-1911) и француз Жозеф Ашиль Ле Бель (1847-1930) независимо друг от друга создали стереохимию. Вант-Гофф предложил радикальную геометрическую модель. Четыре валентности углерода направлены не на плоскости, а к вершинам правильного тетраэдра. Это мгновенно объяснило пространственную изомерию и оптическую активность, открытую ещё Пастером. Атом углерода перестал быть точкой на бумаге, он обрел жесткую трехмерную форму. В физике статистическая механика Людвига Больцмана (1844-1906) связала тепловые законы Вселенной (второе начало термодинамики и рост энтропии) с хаотическим танцем невидимых частиц. Энтропия растет просто потому, что система атомов статистически стремится перейти от порядка к наиболее вероятному беспорядку.

Хотя уже тогда первые эксперименты с вакуумными трубками заложили мину замедленного действия под главное положение классического атомизма — догму о неделимости атома. Речь идет об Уильяме Круксе (1832-1919) и его экспериментах с катодными лучами в глубоком вакууме (1879). Крукс обнаружил, что в трубке летит поток каких-то загадочных заряженных частиц, и предположил, что он открыл «лучистую материю» (четвертое состояние вещества) — некий ультра-атомистический субстрат, из которого состоят сами атомы. Это была прямая дорога к открытию электрона Томсоном в 1897 году, но даже здесь уже видно, что многие ученые того времени ищут какие-то лазейки, чтобы ниспровергнуть саму логику атомизма, и ищут громкие газетные фразы, которые покажут, что мир состоит из чего-то более тонкого, невообразимого и сложного.

В период с 1881 по 1890 год наблюдается парадокс. С одной стороны, химический атомизм праздновал абсолютный триумф. Эмпирические предсказания сбывались с аптекарской точностью, а теории растворов развивались с невероятной скоростью. С другой стороны, сам физический факт существования атомов подвергся мощнейшей философской атаке. Передовая физика того времени, увлеченная термодинамикой, попыталась полностью изгнать «гипотетический атом» из научной картины мира. При чем мощнейшие атаки начались раньше, ещё в то время, когда Менделеев распространял первые версии своей таблицы. Химический атомизм Менделеева побеждал на практике, но физики зашли в тупик из-за волновой теории света. Если свет это волна, ему нужна среда (эфир). Но если эфир существует и он непрерывен, то как сквозь него летают миллиарды твердых дальтоновских атомов, не испытывая никакого трения и не тормозя планеты?

Поэтому физики первой величины продолжали поиски альтернатив «мертвым дальтоновским шарикам». Никуда не исчезал позитивизм и эквивалентизм, хотя они значительно ослабли в 60-е годы. Но появляются и новые попытки! Уильям Томсон, лорд Кельвин (1824-1907), вдохновленный работами Гельмгольца о дымовых кольцах и гидродинамике вихрей, в 1867 году предлагает гипотезу вихревого атома (vortex atom). Суть этой теории проста, и она базируется на волновой теории света. Мирового вакуума нет, всё пространство заполнено сплошным, непрерывным, лишенным трения флюидом — эфиром. А то, что мы называем «атомами» — это просто устойчивые вихревые кольца (бублики или узлы) внутри этого самого эфира. Их свойства зависят от формы колец, а также от частоты их вибрации. Аналогии с современными теориями поля или теорией струн, как мне кажется, слишком очевидны, чтобы останавливаться здесь на их пояснении. Эта модель на тридцать лет заворожила многих физиков, потому что она возвращала нас к континуализму, но при этом объясняла дискретность! Вихрь в идеальной жидкости не может исчезнуть или распасться сам по себе, вот вам и «неделимость» атома. Получалось, что различные химические элементы это просто разная топология узлов этих эфирных вихрей (водород это простое гладкое кольцо; кислород это вихрь, завязанный в бесконечную восьмерку; углерод это сложный трехлистный узел).

К 1880–1890-м годам триумфальное развитие термодинамики привело к созданию новой философско-научной школы — «энергетизма», которая нанесла второй сильнейший удар по атомизму после Кельвина. Лидерами этого направления стали будущий нобелевский лауреат Вильгельм Оствальд (1853-1932), немецкий физик Георг Гельм (1851-1923) и выдающийся французский математик и физик Пьер Дюгем (1861-1916). Их главный тезис заключался в том, что классическая механика устарела. Попытка объяснить мир через соударения невидимых атомов это вульгарный антропоморфизм. В сентябре 1895 года на съезде немецких естествоиспытателей Оствальд прочитал свой знаменитый манифест с очень красноречивым названием: «Преодоление научного материализма». Оствальд утверждал, что материя это иллюзия, чисто умозрительный конструкт. Атомы были нашим ментальным костылем, галлюцинацией механистической философии Нового времени. На самом деле всё, что нам дано в опыте и экспериментах, так это энергия и её трансформации. То, что мы считаем «ударом атома», это просто передача кинетической энергии. Оствальд призывал сжечь механические чертежи молекул и описывать мир исключительно через баланс энергетических потоков. С математической точки зрения энергетисты были вооружены безупречными уравнениями термодинамики Клаузиуса и Гиббса (1839–1903 гг.). Фундаментальный закон термодинамики:

dU = TdS — pdV

В этом уравнении, описывающем любое физико-химическое изменение во Вселенной, нет ни одного атома. Здесь есть только внутренняя энергия (U), температура (T), энтропия (S), давление (p) и объем (V). Зачем химику или физику выдумывать гипотетические шарики Дальтона, если можно рассчитывать термодинамические потенциалы чистой энергии, получая идеальные предсказания для лаборатории? Тогда же Дюгем во Франции создал «математическую термодинамику», которая полностью игнорировала молекулярное строение вещества, описывая растворы и фазовые переходы как непрерывные энергетические поля.

Модели вихревых атомов углерода, кислорода и водорода по лорду Кельвину (1867 г.)

Философским тараном в руках анти-атомизма конца XIX века стал австрийский физик и философ Эрнст Мах (1838-1916). Он довел позитивизм Конта до абсолютного предела, создав философию эмпириокритицизма. Мах утверждал, что единственная реальность, доступная человеку — это наши собственные чувственные ощущения (цвета, запахи, пространственные формы, звуки). Мир состоит не из предметов и атомов, а из комплексов ощущений, и поэтому наука это не поиск «объективной истины», а лишь инструмент для экономии мышления. Атом с точки зрения Маха — это типичное «ментальное вспомогательное средство» (Denkbehelfe), удобная математическая фикция, инструмент для стенографии опыта, вроде геодезических линий на карте. На картах есть изолинии, но никто не ищет их в земле. На заседаниях Венской академии наук, когда коллеги-физики начинали рассуждать о свойствах молекул, Мах с ехидной улыбкой прерывал их своим знаменитым вопросом: «Haben Sie mal einen gesehen?» («А вы видели хотя бы один?»). Не стоит также забывать про французского химика Бертело, который на посту министра народного просвещения (в 1886–1887 годах) использовал административный ресурс, утверждая учебные программы, министерские циркуляры и списки рекомендованных учебников. Из них последовательно вычищалась атомно-молекулярная теория, а вместо неё насаждалась система химических эквивалентов (которую Бертело считал строго эмпирической, свободной от «гипотетических» атомов). Слово «атом» французские студенты знали, но в официальных ответах на экзаменах были обязаны использовать формулы эквивалентов, иначе рисковали провалиться.

Этот тотальный прессинг со стороны Маха, Оствальда и Дюгема создал в конце XIX века удушающую атмосферу для ученых, веривших в физическую реальность частиц. Людвиг Больцман, величайший теоретик статистического атомизма, в предисловии к своим «Лекциям по теории газов» (1898) с глубокой горечью писал, что он чувствует себя одиноким защитником гибнущей идеи, бессильным перед модой на энергетизм, которая захлестнула Европу.

Как свет снова становится корпускулярным

Последнее десятилетие XIX века перевернуло научные представления о мироздании. На протяжении девяноста лет атом, послушный законам Дальтона и Менделеева, представлялся ученым монолитным, твердым и абсолютно неделимым «кирпичиком» материи. Однако за эти десять лет физика заглянула внутрь этого кирпичика и обнаружила там сложнейшую, полную динамики систему. Позитивисты во главе с Эрнстом Махом, утверждавшие, что атомы не более, чем математическая фикция, к 1908 году будут полностью разгромлены каскадом экспериментальных открытий, цепочка которых началась ещё в 90-е годы XIX века.

Сначала ирландский физик Джордж Джонстон Стоуни (1826-1911) публикует работу, в которой предлагает термин «электрон» для обозначения минимальной, неделимой порции электрического заряда. Стоуни вывел эту величину еще в 1874 году на основе законов электролиза Фарадея, но именно в 1891 году концепция обрела свое бессмертное имя, хотя сам носитель этого заряда в свободном виде пока еще не был пойман в лаборатории. В 1894 году английские ученые лорд Рэлей (Джон Уильям Стретт, 1842-1919) и Уильям Рамзай (1852-1916) совершают открытие, потрясшее химический мир. Рэлей заметил странную аномалию. Азот, выделенный из атмосферного воздуха, неизменно оказывался тяжелее, чем азот, полученный химическим путем из соединений. Объединив усилия, ученые удалили из воздуха весь кислород, азот и углекислый газ, обнаружив крошечный остаток неизвестного газа. Он обладал фантастической инертностью, не реагировал ни с одним веществом. Его назвали аргоном (от греческого «ленивый»). Сначала Менделеев посчитал аргон аллотропной модификацией азота, ведь в его таблице не было места для элемента с нулевой валентностью. Однако вскоре Рамзай докажет, что они открыли целую новую группу элементов, так называемые благородные газы, которые идеально замкнули периоды таблицы.

8 ноября 1895 года в Вюрцбургском университете Вильгельм Конрад Рентген (1845-1923) исследует поведение катодных лучей в вакуумных трубках Крукса. Обернув трубку плотным черным картоном и включив ток, он замечает в темноте странное свечение экрана из платиноцианистого бария, лежавшего на столе далеко от установки. Рентген понимает, что из трубки исходит новое, всепроникающее излучение, которое он назвал X-лучами (X-Strahlen). Для атомизма это открытие стало важнейшим косвенным сигналом: внутри вакуумных трубок при бомбардировке вещества происходят какие-то скрытые процессы, заставляющие атомы испускать мощные энергетические волны, способные проходить сквозь материю. На следующий год после этого французский физик Анри Беккерель (1852-1908), вдохновленный открытием Рентгена, решает проверить, не испускают ли фосфоресцирующие урановые соли X-лучи после облучения солнечным светом. Из-за пасмурной погоды в Париже в конце февраля Беккерель убирает урановую соль, завернутую в черную бумагу, в ящик стола, положив её прямо на завернутую фотопластинку. 1 марта он решает на всякий случай проявить пластинку и приходит в изумление: на ней отпечатался четкий, яркий силуэт урановых кристаллов. Атомы урана, без всякого внешнего воздействия (света или нагрева), спонтанно и непрерывно испускали мощную энергию. Но в этом была и опасность для атомизма, фундаментальный постулат которого, а именно идея о вечном, пассивном и неизменном атоме, вдруг дал глубокую трещину.

30 апреля 1897 года директор Кавендишской лаборатории Джозеф Джон Томсон (1856–1940) выступает с докладом на заседании Королевского института, где объявляет об открытии первой субкомпоненты атома. Томсон усовершенствовал трубки Крукса, создав в них глубокий вакуум, что позволило ему впервые четко отклонить катодные лучи не только магнитным, но и электрическим полем. Измерив отношение заряда частиц к их массе, он обнаружил, что эти «корпускулы» (как он их поначалу назвал) примерно в 2000 раз легче самого легкого из известных атомов — атома водорода. Более того, эти частицы оставались абсолютно одинаковыми, из какого бы металла ни изготавливался катод. Теперь атом был признан сложной структурой, содержащей внутри себя электроны — универсальные отрицательно заряженные субчастицы. В 1898 году Мария Склодовская-Кюри (1867-1934) и Пьер Кюри (1859-1906), исследуя урановые руды, обнаруживают, что некоторые отходы производства излучают гораздо сильнее, чем чистый уран. В ходе титанического труда по переработке тонн руды они открывают два новых радиоактивных элемента — полоний (названный в честь родины Марии — Польши) и радий («лучистый»). Они формулируют вывод, что радиоактивность это не молекулярное, а глубоко внутреннее атомное свойство элемента, и оно не зависит от того, находится ли атом в чистом виде или в составе сложного химического соединения, подвергается ли он заморозке или сжиганию.

И вот, в 1899 году молодой новозеландский физик Эрнест Резерфорд (1871-1937), работая в Монреале, исследует проникающую способность излучения урана и доказывает, что оно неоднородно. Он разделяет его на альфа-лучи (тяжелые, легко поглощаемые частицы с положительным зарядом) и бета-лучи (высокоскоростные электроны); а уже 14 декабря 1900 года, на заседании Берлинского физического общества — Макс Планк (1858-1947) представляет формулу излучения абсолютно черного тела. Чтобы избавиться от математических противоречий, он вынужден предположить, что энергия испускается и поглощается не непрерывно, а дискретными порциями — квантами. Величина этой порции определяется новой константой, названной постоянная Планка (h). Теперь дискретность, или же атомарность, вновь перекинулась с самой материи на энергию и свет.

Таким был тот колоссальный путь, который атомизм прошел за сто лет, завершившись грандиозным концептуальным переворотом:

В начале века (1803 год): Атом Дальтона — это неделимый, бесструктурный твердый шар, различимый лишь химическим весом.
В середине века (1860-е годы): Атом Бутлерова и Менделеева — это геометрический центр валентных сил, занимающий четкое место в периодической системе в зависимости от своей массы.
В финале века (1900 год): Атом признан сложнейшим микромиром. Он делим, имеет измеряемые геометрические размеры, содержит в себе электроны и обладает колоссальными запасами внутренней энергии, которая спонтанно вырывается наружу при радиоактивном распаде.

Эра классического атомизма завершилась. Наука вплотную подошла к созданию первых планетарных и квантовых моделей атома, которые определят облик уже двадцатого столетия. И чтобы логически завершить эту историю, мы зайдем немного на поле XX века. Во-первых, важно подчеркнуть, чтобы не возникало недопониманий, что в 1899-1900 годах Макс Планк не считал, что свет состоит из корпускул. Планк был консерватором и до конца жизни обожал волновую теорию. В его модели 1900 года дискретно (порциями) свет только излучается и поглощается атомами (осцилляторами) стенок черного тела. Но сам полет света в пространстве Планк по-прежнему считал непрерывной электромагнитной волной в эфире. Свет настоящему стал корпускулярным только в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн опубликовал свою революционную статью по фотоэффекту. Именно Эйнштейн заявил, что порциями обладает не только механизм излучения, сам свет состоит из локализованных в пространстве квантов энергии, которые позже назовут фотонами. Кроме того, в период с 1905 по 1908 год произошли два события, поставившие точку в вековом споре атомистов с энергетистами. В 1905 году Эйнштейн дал строгую математическую теорию броуновского движения, рассчитав его на основе молекулярно-кинетической теории, а в 1908 году французский физик Жан Перрен провел титанические микроскопические эксперименты, полностью подтвердившие формулы Эйнштейна. Он буквально подсчитал число Авогадро через прыжки крупинок гуммигута. Именно в 1908 году, признав результаты Перрена, величайший анти-атомист Вильгельм Оствальд публично сдался. Хотя ещё в 1895-м его аргументативно разгромил Больцман, опираясь ещё на до-эйнштейновские представления о физике. Мах остался в одиночестве. В предисловии к новому изданию своего учебника химии Оствальд открыто написал:

«Я убедился, что мы получили экспериментальные доказательства дискретной природы материи, которые атомная гипотеза искала напрасно в течение сотни лет».

ECHAFAUD