Менделеев
Шрифт:
Секрет менделеевского знания — колоссальный запас сведении о «внешности» элементов и их соединений. Тот запас, который позволил ему, минуя неизвестные тому веку законы микромира, создать систему элементов столь совершенную, что она сама стала ключом к «внутренней механике атомов», появившейся полстолетия спустя. И к чести Менделеева нужно сказать: он первым сделал попытку воспользоваться этим ключом. Стремясь через «внешнее» — атомные веса, химические соединения и т. д. — постичь «внутреннее» — силы сцепления, формы и размеры атомов и молекул, — Менделеев решил выяснить, чем отличается поведение реальных газов от идеального, введенного в науку еще в XVIII веке петербургским академиком Даниилом Бернулли. За идеальный Бернулли предлагал считать такой газ, атомы которого лишены собственного объема и не притягиваются друг к другу. Совершенно очевидно, что
За двадцать лет до него исследованием сжимаемости, газов занимался знаменитый А. Реньо. Относясь скептически к теориям, этот французский физик достиг в своих измерениях точности почти астрономической. Тысячи мелких предосторожностей, неутомимый контроль, громадные манометры, вдоль которых наблюдатель поднимался на платформе по рельсам, — все это создало Реньо славу непревзойденного измерителя. Испытав на своем уникальном оборудовании множество различных газов, Реньо убедился: до 30 атмосфер почти все они по мере увеличения давления сжимаются легче, чем идеальный газ. Например, чтобы в 20 раз уменьшить объем воздуха, давление нужно увеличить в 19,7 раза. Углекислоту сжать еще легче: двадцатикратное сокращение объема получается при увеличении давления в 16,7 раза. Один лишь водород — исключение из общего правила: чем выше давление, тем труднее его сжимать.
Спустя несколько лет австриец Н. Наттерер довел давление до 3600 атмосфер. И хотя точность его цифр ни в какое сравнение не идет с цифрами Реньо, они убедительно показали: при высоких давлениях все газы ведут себя как водород. Их сжимать тем труднее, чем выше давление. Так, при 3600 атмосферах объем воздуха уменьшился лишь в 800 раз, а водорода — в 1040 раз. Опыты Наттерера показали, что зависимость между сжимаемостью и давлением у реальных газов довольно запутанная. При больших давлениях газы сжимаются труднее, чем идеальный. При уменьшении давления наступает момент, когда реальный газ ведет себя как идеальный. Но если опуститься ниже этого давления, снова возникает отклонение — реальный газ становится более сжимаемым, нежели идеальный.
Таково было состояние учения о газах к началу 1872 года, когда в лаборатории Менделеева появился Петр Аркадьевич Кочубей, председатель Русского технического общества. Дмитрий Иванович в это время готовил статью «О сжимаемости газов». Кочубея заинтересовала тема менделеевского исследования. Как человек опытный, он сразу понял, какую огромную ценность для русской техники могут представить измерения газовых констант, проведенные таким скрупулезным экспериментатором, каков Менделеев. (Заметим, кстати, что и Реньо свои точнейшие опыты вел по заказу министра общественных работ Франции, понимавшего, как важно получить точные числовые данные для расчета паровых машин.) Поэтому Кочубей не просто одобрил планы Дмитрия Ивановича, но и добился, чтобы Русское техническое общество взялось финансировать работы, проводимые по этим планам. Этих средств хватило не только на то, чтобы закупить весьма ценное оборудование, но и привлечь к работе талантливых сотрудников: М. Кирпичева, И. Богусского, Ф. Капустина, И. Каяндера, В. Гемилиана и других. И уже в 1874 году в печати начали появляться первые сообщения о результатах этих работ.
Стремясь уяснить себе общую картину, Менделеев вывел новую формулу состояния газов, по которой, не производя никаких измерении, можно было легко и быстро установить, как зависит поведение различных газов от величины их молекулярного веса. Благодаря именно этой формуле Дмитрий Иванович направил свое внимание на самые легкие газообразные вещества, которые оказались наделенными значительно более яркими индивидуальными чертами, чем газы с большим молекулярным весом. И на склоне лет он с оправданной гордостью писал: «Считаю эту формулу (мною данную) существенно важною в физико-химическом смысле». Но конечно, самым неожиданным и удивительным результатом, полученным Менделеевым, было поведение газов при низких давлениях.
После опытов Реньо считалось, что чем разреженнее реальный газ, тем ближе он к идеальному. Дмитрий Иванович со своими сотрудниками установил, что это положение не соответствует действительности и что все газы без исключения при значительном разрежении приближаются к твердым и жидким телам по своей способности сжиматься. Это
Трезвые, практичные основоположники механики справедливо полагали, что невозможно представить себе движение без материального носителя, движения, в котором движется ничто. И с тех пор как великие механики Гюйгенс и Ньютон обратили свое внимание на оптические явления, в науке утвердились две теории, объяснявшие движение света. Ньютон считал свет потоком частиц — корпускул, летящих сквозь пустое мировое пространство. Гюйгенс же считал световой луч волной, распространяющейся в особой среде, заполняющей все мировое пространство. Эта среда, получившая название светового эфира, оказалась в центре особого внимания ученых с 1854 года…
Около двухсот лет соседствовали, конкурируя, две видимым образом исключающие друг друга теории света — корпускулярная и волновая. Но постепенно вторая брала верх над первой, и в 1854 году, когда Л. Фуко прямым измерением показал, что теория истечения опровергается опытом, волновая теория восторжествовала окончательно. И ее торжество сделало мировой эфир центральным вопросом науки во второй половине XIX века.
Поведение сильно разреженных газов навело Дмитрия Ивановича на мысль об эфире. Их необычное отклонение от поведения идеального газа, по мере того как понижается давление, представлялось ему переходом к световому эфиру, наполняющему межпланетное и межзвездное пространство. Много лет спустя, когда световым эфиром начали заниматься такие ученые, как лорд Кельвин, Г. Лоренц, В. Крукс, Менделеев так писал об идеях, которые он разрабатывал в 1874 году: «Если… представим себе, что газы способны разрежаться лишь до определенного предела, достигнув которого (подобно твердым телам) мало меняют свой объем с уменьшением давления, то… станет понятным переход атмосферы в верхних ее пределах в однообразную эфирную среду… В этой области сильно разреженных газов наши представления ничтожны… а их восполнение обещает многое уяснить в природе. К трем состояниям вещества (твердому, жидкому и газовому), быть может, должно прибавить еще и четвертое — эфирное (как предлагал уже Крукс), подразумевая под ним вещество в крайнем возможном для него разрежении».
И все-таки эта важная и интересная работа не была доведена до конца. Внешне все выглядело буднично, как обычные неурядицы: «Бросил, я опыты по многим причинам, а главное: 1) Кирпичев, главный сотрудник, помер; 2) Гемилиана — другого — сам я устроил в Варшаву; 3) Ф. Я. Капустин уехал в Кронштадт; 4) Богусский уехал в Варшаву и т. д. — лишился помощников, а денег давали мало, претензий же заявляли (Львов, Кочубей, Гадолин) много, а я тогда решил жениться во второй раз, и время было мало». Но, думается, не из-за этих неурядиц Дмитрий Иванович охладел к изучению газов. По справедливому мнению исследователя менделеевского творчества А. Макарени, Менделееву, с его широтой интересов, с его стремлением проникнуть в глубинные тайны материи, просто не хватало «знаний эпохи» и технических средств. «Он выдвигал проблемы, для решения которых требовались «усилия» различных наук, но последние различались своей теоретической и экспериментальной оснащенностью; их точность была далеко не одинаковой… Вместо целеустремленного проникновения в глубь материи Д. И. Менделееву приходится выбирать другой путь — путь многоплановых исследований вширь».
Но какие бы причины ни побудили Менделеева оставить работу над газами, он сам всегда высоко ценил полученные результаты. «Когда работа… при многократном повторении показала явные и неожиданные отступления от Бойль-Мариоттова закона в разреженном воздухе, я решился это сообщить. Это оправдалось потом с разных сторон… но и по сих пор на этот значительный факт обращают мало внимания — а жаль, он важен теоретически. Считаю эту свою работу значительною».
«Над нашей квартирой были аудитории, выходившие в длинный коридор, тянувшийся во всю длину университета, — вспоминает Ольга, дочь Дмитрия Ивановича, — и утром я в детской слышала несшийся сверху равномерный шум сотен ног. Этот шум напоминает мне теперь отдаленный шум моря или леса, а тогда я знала, что отец мой сегодня читает лекцию».