Жизнь замечательных устройств

В 1630-х годах инженеры и архитекторы Италии столкнулись с неожиданной проблемой, которой, казалось, не было решения: все попытки закачать воду из рек и колодцев по системе труб оканчивались неудачей в том случае, если высота, на которую нужно было подать воду, была больше 18 браччий (браччия — единица расстояния, принятая в то время на территории Апениннского полуострова, 18 браччий составляет примерно 11 метров). Попытавшийся приложить свой разум к решению этой задачи Галилей, как оказалось потом, ошибся. По его мнению, невозможность подъёма воды на определённую высоту была связана с весом воды — точно также как слишком длинная верёвка должна разрываться под воздействием своего веса, столб воды, начиная с определенной длины и, как следствие, веса, тоже должен разрушиться. Такое предположение приводило к умозаключению, что столб более плотной ртути должен разорваться на меньшей высоте.

Где-то в 1640-м году доводы Галилея решил проверить Гаспаро Берти. На стене римского дворца он закрепил систему из свинцовых труб длиной 21 браччий. В верхней части водопровода Берти был размещён стеклянный сосуд колоколообразной формы, также сверху и снизу устройство было снабжено стопорными кранами. Система была заполнена водой до верхнего крана, после чего верхний кран закрыли, а нижний открыли. Естественно, через открытый нижний отсек трубы хлынула вода, но, вопреки ожиданиям большинства свидетелей (а может и устроителей) эксперимента, вода вылилась не вся, через некоторое время интенсивность потока ослабела, а в конце концов и просто остановилась. Какова была высота оставшегося столба? Правильно — тем самым 18 браччиям. Возник вопрос — насколько пуст отсек, располагающийся в верхнем отсеке системы? Пустота там или не пустота? Вакуум или не вакуум? Предположение о пустоте противоречило канонам естествознания того времени, опиравшимся на идеи Аристотеля о невозможности существования вакуума и догматам о вездесущности и всемогуществе Бога. Более того — результаты эксперимента не согласовывались и с доводами Галилея о возможности саморазрыва жидкости под действием своего веса. Находившийся довольно близко к обоснованию возможности существования вакуума Берти умер спустя пару месяцев после эксперимента, но тут в дискуссию о природе эксперимента о столбе жидкости высотой в 18 браччий вступил Эванджелиста Торричелли.

Торричелли родился на Севере Италии в городке Фаенца в 1608 году, в 1627 году он перебрался в Рим. В Вечном Городе Торричелли изучал математику — и самостоятельно, и под руководством Бенедетто Кастелли, друга и ученика Галилео Галилея. Вскоре Торричели и сам начал писать математические трактаты. Именно благодаря одному из таких трактатов — «Трактате о движении» (Trattato del moto) — в 1640 году на Торричелли обратил внимание стареющий Галилей и предложил ему объединить усилия в постижении природы вещей. Торричелли был учёным-энциклопедистом, сочетавшим черты теоретика и практика: он освоил изготовление стеклянных линз для микро- и телескопов и даже усовершенствовал артиллерийский угломер, увеличив тем самым эффективность прицеливания пушек того времени. В 1643 году вместе со своим другом и еще одним учеником Галилея — Винченцо Вивиани — он решил изучить «феномен 18 браччий», доказать существование пустоты и «…создать прибор для изучения перемен в воздухе…». Судя по записям и письмам, «мозговым центром» исследовательского тандема был Торричелли, который планировал эксперименты и проектировал конструкцию прибора, а Вивиани занимался стеклодувной работой и собственно выполнял запланированные эксперименты. Сейчас таким разделением труда никого не удивишь — это обычные отношения между научным руководителем научной работы и её исполнителем. Для того же времени такое разделение труда «один думает — другой делает» не было обычным: как правило, в те времена научный руководитель и наставник молодого естествоиспытателя прекращал лично участвовать в экспериментах только когда уже не мог делать это по физическим причинам — терял зрение и т. д.

Спроектированную и сконструированную установку Торричелли подробно описал в письме к другому своему другу — Микеланджело Риччи. Устройство представляло собой несколько стеклянных трубочек различного диаметра, запаянных с одного конца. Трубки наполняли ртутью, зажимая пальцем, переворачивали запаянным концом вверх и помещали в резервуар, заполненный ртутью, где уже под слоем жидкого металла, открытый конец трубки высвобождался за счет того, что один из экспериментаторов, а конкретно Вивиани, убирал палец, затыкавший стекло (учитывая те обстоятельства, что к 17-му веку уже было накоплено достаточно эмпирических данных о том, что ртуть и её пары не очень полезны для человека, кажется, можно сформировать одну гипотезу о том, почему Торричелли предпочёл доверить проведение всех экспериментов своему ученику). Ртуть начинала вытекать из трубок, её уровень понижался, но при этом, независимо от диаметра трубки она останавливалась на высоте «одной браччии, четверти брачии и еще одного пальца», или, если использовать современную систему мер — примерно 760 миллиметров относительно уровня ртути в резервуаре. В самой же трубке оставалась пустота, которую мы сейчас называем «вакуум Торричелли». То, что это пустота, было убедительно доказано следующим образом: в резервуар с ртутью наливали воду, поднимали нижний не запаянный уровень стеклянной трубки из ртути до уровня воды, ртуть выливалась, а вот вода «…с ужасной силой…» засасывалась в трубку, заполняя её до самого верха. Одинаковый уровень ртути для трубок с разным диаметром опровергал идею Галилея о саморазрыве столба жидкости под действием собственного веса, и в письме, обращенном к Риччи, Торричелли сделал вывод о том, что ртуть не выливается из трубки обратно в сосуд потому, что атмосферный воздух давит на поверхность ртути в резервуаре.

Эти выводы итальянского мыслителя не согласовывались с общепринятыми в то время и считавшимися догмой представлениями Аристотеля о невесомости воздуха, более того, Торричелли первым попробовал рассчитать, сколько весит воздух. Оценив верхнюю границу атмосферы в 80 километров (в наше время граница атмосферы — линия Кармана — определяется как 100 км над уровнем моря), Торричели вычислил, что воздух должен быть в 400 раз легче воды (современные данные говорят о том, что плотность воздуха в 800 раз меньше плотности воды, ошибка Торричелли связана с тем, что он рассматривал, что плотность воздуха постоянна во всём воздушном столбе высотой 80 км). Торричелли первым заявил, что мы живём «…на дне океана из воздуха…».

Получив письмо Торричелли, Риччи достаточно быстро ответил ему, что, хотя концепция пустоты между атомами и была предложена еще в античности философами-эпикурейцами, с точки зрения теологов-современников Торричелли и Риччи была неправильной и еретической. Риччи также добавил, чтобы Торричелли не слишком возмущался подходом теологов привлекать Бога и его высшую волю к обсуждению любых вопросов, касающихся природных явлений, короче, советовал ему быть осторожнее, чтобы не повторить судьбу Галилея. Опасения Риччи можно было понять: при определенном желании, человека, разделяющего атомистические взгляды, причем именно эпикурейскую атомистику, уже более позднее по сравнению с атомизмом Демокрита учение, можно было признать виновным в ереси на основании решений Тридентского собора 1545 года. Дело в том, что эпикурейская атомистика была неприемлема для христианской доктрины вообще. Так, признание эпикурейской физикой вечности материи и объяснение происхождения мира из случайного движения атомов противоречило догмату о сотворении мира единым Творцом в согласии с разумным планом. Признание эпикурейской философией материальности и смертности души противоречило догмату бессмертия нематериальной души человека. С помощью атомистической физики нельзя было объяснить основные христианские таинства, по вопросу природы которых и принял решение Тридентский собор. Торричелли осторожно ответил Риччи в письме на возражения по научному существу интерпретации эксперимента, старательно избежав любого упоминания о церкви, предложив в конечном итоге Риччи встретиться и переговорить с глазу на глаз. Насколько известно, нигде, кроме письма к Риччи, Торричелли не описывал свои рассуждения о весе воздуха и пустоте, и в отличие от Галилея не писал трактатов на «скользкие» для Престола Ватикана темы, вероятно опасаясь повторить судьбу своего наставника (не следует забывать и то, что, возможно, на относительно мягкий приговор Галилею могло повлиять его знакомство с двумя Папами — Павлом V и Урбаном VIII, а у Торричелли столь влиятельных знакомых не было). Как бы то ни было, сообщив о создании барометра только в одном письме лишь одному человеку, Торричелли умер через три-четыре года после создания барометра в возрасте 39 лет.

Тем не менее, каким-то образом информация об экспериментах Торричелли выплыла наружу. Идеи существования пустоты и веса воздуха вызвали ажиотаж среди грамотной публики, и, в конечном итоге, правильность идей Торричелли и существование воздушного океана были подтверждены с помощью эксперимента, проведенного французскими учеными Мареном Мерсенном и Блезом Паскалем. Исследователи взяли два идентичных барометра, один из которых был размещён у подножия вулкана Пюи-де-Дом, а другой на его вершине, возвышавшейся примерно на полтора километра. Высота ртутного столба барометра, находившегося на вершине, была меньше высоты столба барометра у подножия, что говорило о том, что при движении вверх воздушный столб давит на резервуар с ртутью всё с меньшей и меньшей силой, оказывая более низкое давление. Это показало, что барометр Торричелли стал первым измерительным инструментом, позволившим изучить недоступную для изучения другими способами атмосферу. Фактически барометр Торричелли стал третьим измерительным прибором в истории человеческой цивилизации после средств измерения, предназначенных для определения расстояния и весов. И, хотя имя Торричелли больше ассоциируется у нас с физикой, а не с химией, его открытие оказалось судьбоносным и для этой науки — возможность измерения давления привела к созданию основных газовых законов, изучению химии газов. В истории естественных наук начинался этап, который сейчас известен как «пневматическая химия».

1661. Скепсис Роберта Бойля

В далёком 1660 году в Роберте Бойле вряд ли можно было заподозрить идеального кандидата на роль лидера в химической революции. Застенчивый человек с хрупким здоровьем, плохим зрением, к тому же ещё и заика. Гражданская война и смена правящего режима в Англии не дала ему завершить учёбу. И, хотя Бойль был человеком широких интересов, ранние его рукописи главным образом касаются вопросов словесности и теологии. Интерес к естественным наукам Бойль начал проявлять уже на третьем десятке, да и в то время химия заинтересовала его как способ поиска новых снадобий от своих многочисленных хворей. Но и в тот момент, когда он особенно активно занимался химией, об этих его упражнениях мало кто знал кроме близкого круга друзей.

Лишь благодаря настоятельным советам друзей, но всё равно при этом оставаясь в значительных сомнениях по поводу начинания, в 1661 году Бойль опубликовал свой труд «Химик-скептик» (The sceptical chymist). Конечно же сейчас, спустя три с половиной столетия после выхода в свет этой книги, многие из идей Роберта Бойля не выдержали проверку временем (чуть выше я уже упоминал, что химик-скептик описывал личный удавшийся эксперимент по трансмутации свинца в золото), да и не всегда связный, скорее разговорный текст трактата едва ли смотрелся бы сейчас в современной научной публикации. Но это, скорее, придирки — каждому из нас есть чему научиться по книге Бойля. Идея обязательной воспроизводимости научных результатов, отказ от устаревшей и туманной терминологии алхимии и «тайного знания» помог превратить «хему» и «алхимию» в ту самую химию, которая опирается на результаты экспериментов, доказывает свои воззрения с помощью опытов, какой мы знаем её в наши дни.

Роберт Бойль родился в 1627 году, он был седьмым сыном и четырнадцатым ребёнком в семье Ричарда Бойля, Первого Графа Корка. Мать Роберта, Катерина, вторая жена графа, умерла в 1630 году. Ричард Бойль, английский искатель приключений, сыгравший важную роль в британской колонизации Ирландии, когда-то давно прибыл в Дублин лишь со шпагой и кинжалом, имея в кошельке 27 фунтов (по нынешним меркам, правда, это было бы около 6000 фунтов). К моменту рождения Роберта Бойля он уже был графом Корка, Лордом-казначеем Ирландии и одним из богатейших землевладельцев Британии. Ричард Бойль послал Роберта и его старшего брата Френсиса учиться в школу Итона, где юноши провели четыре года, затем, в 1639 году молодые люди продолжили образование в Европе.

В 1642 году, когда Бойли учились в Италии, недовольные правлением Карла I Стюарта королевства Шотландии и Ирландии попытались устроить преждевременный Brexit из состава Единого Королевства, который в реалиях семнадцатого века вылился в очередную английскую гражданскую войну и (вот это было первый раз не только в Англии, но и в Европе) английскую революцию. Френсис немедленно вернулся из материковой Европы в Британию, где присоединился к своим старшим братьям, воевавшим на стороне короля, а Роберт перебрался учиться в Женеву, где провёл в учениях еще два года. В 1644 году семейство Бойлей стало испытывать финансовые трудности в оплате зарубежной командировки своего отпрыска, и Бойлю пришлось вернуться домой. Не достигнув возраста, годного для воинской службы и едва ли подходящий для неё по состоянию здоровья, он попросил убежища в доме своей сестры Екатерины, Виконтессы Ранелаг, которой тоже не было чуждо увлечение науками и идеями просвещения.

Благочестие и интеллект Екатерины были известны во всем королевстве. Её лондонский особняк был местом встречи интеллектуалов, которые в гражданской войне в той или иной степени оказались на стороне Парламента. Политические связи сестры Роберта Бойля позже, после казни Карла I, во время правления Оливера Кромвеля позволили и ей, и Роберту откреститься от ряда своих родственников-лоялистов, хотя в то время Роберта Бойля не интересовала политика, гораздо более интересными и перспективными казались возможности знакомства с учёными-современниками.

В 1645 году Роберт покинул особняк сестры и поселился в скромном семейном доме в Уилтшире, но часто наведывался в Лондон в гости к сестре. В 1647 году он был представлен кружку учёных и философов, собравшемуся вокруг покинувшего Германию для учёбы в Кембридже и не вернувшегося на историческую родину Сэмюэла Хартлиба (многие историки химии и науки полагают, что кружок Хартлиба был предтечей Королевского научного общества Британии). Хартлиб и другие члены кружка видели будущее страны в хорошем образовании, а главной задачей образования считали улучшение материальных условий жизни. Главная цель мыслителей состояла в изучении физической вселенной с помощью эмпирических методов и в применении полученных знаний ни много ни мало во благо всего человечества.

Бойль быстро заразился общей идеей всеобщего блага, организовал домашнюю лабораторию и начал вести переписку с другими исследователями, хотя в его ранних письмах всё еще уделяется слишком много внимания проблемам теологии и взаимодействия религиозного опыта и научных знаний. После 1652 года, когда Бойль стал снимать апартаменты в Оксфорде, он начал заниматься исследованиями в области естественных наук более интенсивно. Так, в Оксфорде Бойль регулярно общался с кружком экспериментаторов, который собирался в доме математика Джона Уилкинса. Среди людей, с которыми Роберт Бойль познакомился в Оксфорде, были энциклопедист Кристофер Рен, английский архитектор и математик, который перестроил центр Лондона после великого пожара 1666 года, и будущий ассистент Бойля Роберт Хук. Хук сконструировал для Бойля усовершенствованный газовый насос, с помощью которого Бойль начал исследование физики газа. Результаты работы Бойля с газами были опубликованы в 1660 году в труде «Новые эксперименты по физико-механическому управлению струями воздуха», который после опубликования вызвал ряд дискуссий среди учёных современников Бойля. В этой работе было выведено универсальное соотношение между давлением, приложенным к газу, и объёмом газа, которое сейчас известно нам, как закон Бойля-Мариотта (в 1676 году, независимо от Бойля этот же газовый закон вывел французский аббат и один из основателей Парижской академии наук Эдм Мариотт).

Хотя Оксфорд оставался домом Бойля до 1668 года, он часто наведывался в Лондон, где в 1660 году посетил первое заседание Лондонского королевского общества по развитию знаний о природе. Девизом общества стало латинское выражение «Nullius in verba» («Ничего со слов»), этим девизом принималась идея членов кружка Готлиба о том, что доказательством в науке должны служить эксперименты, расчёты, но никак не слова авторитетов. В 1660 году в Британии произошла реставрация Стюартов, и, хотя возведённый на престол Карл II и сам был не чужд занятиям алхимией, попытка членов вновь созданного Королевского общества получить у него ассигнования на постройку исследовательского института закончилась неудачей — казна королевства была опустошена гражданской войной. С организацией института не получилось, но с 1665 года Королевское общество стало издавать, вероятно, первый в мире научный журнал — «Философские труды Королевского общества» (издается до сих пор), после чего и само общество, и его журнал стали площадкой для разнообразных научных споров. Одним из часто поднимавшихся вопросов в этих спорах была возможность наличия и сущность фундаментальных элементов, образующих сложные вещества, с которыми приходится сталкиваться в повседневной жизни.

Чтобы понять, в чём состояла новизна и прогрессивность идей Роберта Бойля, следует упомянуть, что его основным противником, как и противником многих естествоиспытателей того времени был весьма серьёзный авторитет — Аристотель, естественнонаучные идеи которого, надо отдать должное, были весьма прогрессивны для его времени, но по прошествии почти двух тысяч лет безнадёжно устарели. Космология Аристотеля-Птолемея трещала от ударов «Коперникианской ереси», открытий Кеплера и Галилея, но его учение о четырёх первоэлементах ещё было общепринятой концепцией. Более того — существование четырёх первоэлементов можно было наглядно доказать. Обычно это делалось так: поджигали кусок свежесрубленного дерева, который горел, выделяя пламя (первоэлемент — огонь), влагу (первоэлемент — вода) и пары (первоэлемент — воздух), а после сгорания оставалась зола (первоэлемент — земля).

Такое доказательство вполне устраивало многих учёных мужей того времени, которых ничего не заботило кроме логичности объяснения и красивой с точки зрения риторики демонстрации; а сжигание древесины позволяло продолжать ценить Аристотеля как величайшего мастера логики всех времён и народов. Однако люди, которых заботила не столько теория и стойкость системы логических доказательств, а, скорее, практика: непосредственно работавшие с изменяющимися веществами ремесленники — красильщики, гончары, винокуры и металлурги — интуитивно догадывались о том, что свести объекты их ремесла к четырём аристотелевским первоэлементам вряд ли можно. Тем не менее, поскольку эти уважаемые люди не были обучены ни логике, ни риторике, окажись они за кафедрой тогдашнего университета, они не смогли бы связно изложить свои взгляды на природу вещей, ну а поскольку они относились к ограниченному в те времена в правах третьему сословию, вероятность предоставления ученой трибуны была нулевой.

Алхимики, сообщество которых было ещё более замкнутым и секретным, тоже не во всём разделяли идеи Аристотеля, особенно те, кто считал, что им удалось разработать способ превращения металлов в золото. Бойль считал большую часть мошенниками, дурачившими почтенную публику, но при этом не то чтобы не исключал возможность превращения металла в золото, но и сам пытался получить драгоценный металл, ближе к концу жизненного пути даже сообщив о том, что достиг заветной цели носителей тайного знания (об этом упоминалось в одной из предыдущих глав).

Бойль не относил себя ни к алхимикам, ни к представителям научно-преподавательского истеблишмента того времени, ни, конечно, к ремесленникам. Он был одним из представителей нового «гибридного» поколения учёных своего времени — мыслителей-практиков, которые не только штудировали древние тексты и могли расшифровывать даже самые сложные алхимические метафоры, но при этом ещё и отлично владели экспериментальным мастерством и чувствовали себя свободнее в лаборатории (ну а лаборатории они организовывали в своих собственных домах). Самой интересной задачей Бойль считал разработку новых лекарственных средств — ту область химии, революционные изменения в которой произошли за столетие благодаря Филиппу Ауреолу Теофрасту Бомбасту фон Гогенхайму, более известному как Парацельс, и его последователям-ятрохимикам.

Последователи Парацельса часто обвиняли университетские медицинские школы и городские гильдии аптекарей в некомпетентном монополизме, считая, что их лекарства приносят больше вреда, чем пользы. «Монополисты от традиционной медицины» того времени, в свою очередь, обвиняли последователей Парацельса в пренебрежении врачебных канонов, составленных ещё Гиппократом и Галеном, но при этом скрепя сердце признавали, что иногда запрещенные снадобья ятрохимиков работали лучше тех разрешенных средств, которые готовили «сертифицированные» аптекари из гильдий. Временные и бессистемные успехи ятрохимиков были связаны с тем, что последователи Парацельса считали, что лекари в первую очередь должны полагаться на результаты наблюдения и опыт, а не на труды мыслителей, живших сотни и тысячи лет назад. Правда, следует отметить, что ятрохимики — современники Бойля, как и Йоханнес Баптиста ван Хельмонт, голландец, по трудам которого Бойль знакомился с трудами Парацельса, — принимали парацельсковскую идею о важности эмпирического подхода, не разделяя при этом его теории на строение всего сущего. Парацельс отвергал идеи Аристотеля о четырёх первоэлементах — ему были ближе идеи Гебера, которые, правда, успели слегка измениться. К 17-му веку алхимики-герменевтики считали первоэлементами не только философскую серу — принцип горючести и философскую ртуть — принцип текучести, но и философскую соль — принцип твёрдости и негорючести. Любопытно, но ятрохимики, как и приверженцы Аристотеля, считали, что их вариант строения мира можно доказать с помощью огня.

Во взглядах на строение вещества Бойль не был согласен с ними обоими — ни с Аристотелем, ни с Парацельсом. Однако пока в его сознании кристаллизовались собственные идеи, политическая жизнь Англии кружилась водоворотом. В 1658 году умер казнивший Карла I лорд-протектор Оливер Кромвель, и до реставрации Стюартов и коронации Карла II не было понятно, станет ли Англия монархией или республикой. В эпоху больших перемен, когда каждый социальный институт Британии мог измениться всерьёз и надолго, университетская система не была исключением. Только смерть Кромвеля и реставрация монархии не дали открыть новый университет в Дарэме и закрыть при этом университеты в Кембридже и Оксфорде (единственный в истории британских университетов период, когда Кембридж и Оксфорд забыли обычное соперничество и единым фронтом пытались сорвать открытие вуза-конкурента и своё закрытие). Впрочем, у старейших учебных заведений Британии и без перспективы закрытия хватало проблем: парламент Кромвеля вменил в обязанность профессорам Кембриджа и Оксфорда подтверждать свою квалификацию (Academiarum examen) независимо от их прошлых успехов, а также постановил ввести в обязательную учебную программу университетов новые дисциплины, в том числе и основы ятрохимии Парацельса. Кого-то планирующееся изменение учебного стандарта обрадовало, кого-то расстроило (что касается проверки знания преподавателей, думаю, это не обрадовало никого). Догадываюсь, что читатели, имеющие отношение к средней или высшей школе нашего времени, могут примерно представить себе состояние наших коллег из далекого семнадцатого века, а с другой стороны мы должны понимать, что обязательное тестирование преподавателей и быстрое изменение учебных планов — далеко не ново, и при каждом изменении социально-политического уклада в любом государстве, в любую эпоху образование рано или поздно начинает ощущать эти изменения.

Скептицизм Бойля в отношении идей Аристотеля и Парацельса вылился в его самый главный труд. К счастью, «Химик-скептик» был написан Бойлем как попытка примирения двух противоположных лагерей химиков-теоретиков — принадлежащих к лагерю сторонников Аристотеля и последователей Парацельса. Книга написано очень корректно — уже в предисловии Бойль пишет, что человек, который хочет стать другом правде, не должен становиться врагом учтивости. Идея стилистики книги Бойля во многом повторяет стилистику Галилеевских «Диалогов о двух системах мира»: в ней безымянный рассказчик повествует об очень вежливой научной дискуссии, в которой участвует четыре человека. Книга начинается с того, что два участника диалога — сторонник Аристотеля Темистиус и приверженец учения Парацельса Филопонус — кратко излагают свои представления о мире, но быстро умолкают. Наиболее горячей является дискуссия между скептиком Карнеадесом и Элеутериусом — прямодушным естествоиспытателем. В конце концов, беседа четырёх человек превращается в монолог-лекцию Карнеадеса. Говоря о сути элементов всего сущего, Карнеадес (его устами, конечно же, говорит сам Бойль) приводит два довода. Первоначально, приводя множество экспериментальных примеров, он доказывает, что ни четыре первоэлемента Аристотеля, ни три первоэлемента Парацельса не могут дать адекватное объяснение сути процессов, происходящих тогда, когда сложные вещества взаимодействуют с огнём или сильными кислотами. Карнеадес-Бойль показывает, что процессы горения и растворения веществ в кислотах скорее могут приводить к образованию новых соединений, а не простых и не смешанных ни с чем тел, предполагая, что никакие комбинации ни трёх, ни четырёх первоначал не могут дать то богатство веществ, которое уже было известно к тому времени.

Второй тезис Карнеадеса был более спекулятивен и более опасен с теологической точки зрения. Бойль был уверен, что настоящими составными частями любого тела или вещества являются мельчайшие частицы — атомы, которые «…различаются только размером, формой, текстурой и характером движения…». Идеи атомизма были предложены в античности Левкиппом и Демокритом и позже развиты Эпикуром, но поскольку эпикурейский атомизм отрицал существование божественных и сверхъестественных сил, обвинение в атомистской ереси было очень опасно и, как правило, ничего хорошего обвиненному не предвещало (в одно время даже существовала версия, правда ничем не подтвержденная, что знакомый с Галилеем Папа Урбан сделал так, чтобы Галилея обвинили только в коперникианстве, но не в эпикурейском атомизме, иначе Галилей вполне мог повторить судьбу Джордано Бруно).

Тем не менее, в середине семнадцатого века классические труды античных атомистов были переведены, напечатаны и уже служили поводом для обсуждения учёными мужами своего времени, например, французским астрономом Пьером Гассиенди, правда клирики всех христианских конфессий всё ещё относились к атомизму враждебно. Тем не менее, набожный (хотя временами и мысливший неортодоксально) Бойль, который финансировал перевод Евангелий на многие языки, в том числе турецкий и гаэльский (язык коренных обитателей Ирландии), не видел причины того, почему Всемогущий Господь не мог бы создать Вселенную, состоящую из атомов, предполагая, как в своё время Демокрит, Левкипп, Эпикур и Вергилий, что атомы соединяются друг с другом пазами и выступами, крючочками и петельками — примерно так, как сейчас мы можем собирать замки и космические корабли из модулей конструктора Lego. Сейчас в нашем атомном (и субатомном) «конструкторе Lego» больше модулей, чем виделось Бойлю, но следует отметить, что корни наших современных представлений о строении Вселенной лежат в работах Роберта Бойля.

Бесспорно, что Бойля стоит помнить не только как теоретика, работы которого в Возрождение вернули концепцию атомизма в естественные науки. Глубокое понимание Бойлем химии было в большей степени следствием его экспериментального мастерства, чем результатом чтения трудов мыслителей древности и расшифровки гильдейских рецептов красильщиков, гончаров и металлургов. Бойль имел привычку повторять свои эксперименты до тех пор, пока не добивался идеального воспроизведения результатов, в своих работах он равно честно и подробно описывал успехи и провалы своих опытов. В отличие от современных ему алхимиков и ятрохимиков Бойль начал вести предназначенные для публики описания экспериментов простым и недвусмысленным языком, что в настоящее время, строго говоря, является обязательным требованием любого научного журнала и кажется само собой разумеющимся. Некоторые из его экспериментов, описанные в «Химике-скептике», знакомы современным студентам и школьникам. Например, подумав, что удобная классификация веществ должна строиться на различии кислот, щелочей и нейтральных соединений, Бойль описал ряд красителей, цвет которых меняется в кислотных, основных и нейтральных растворах, сделав шаг по направлению к разработке надёжных кислотно-основных катализаторов.

В наше время многие читатели могут счесть книгу Бойля трудной для восприятия: её бессистемная структура очень сильно отличается от линейного повествования, принятого в современной учебной литературе, а многим сформулированным в книге выводам не хватает чёткого обоснования. Правда, после прочтения пары страниц из любого алхимического трактата наш современник может понять, что сложность восприятия — вещь относительная. Именно с «Химика-скептика» принято отсчитывать начало эры появления и развития современной химии, науки, которая развивается и по сей день.

1766. Газы Кавендиша

Общепринятый термин «инертные» или «благородные» газы при должном воображении позволяет себе представить аргон и его соседей в виде лениво-вальяжных аристократов.

Такая ассоциация оправдана, хотя и не лишена иронии: первый учёный, обнаруживший существование инертных газов, относился к аристократической среде, но отнюдь не был лениво-вальяжным. Более того, его научная деятельность была настолько активна и результативна, что его считают вторым по значению британским учёным (в хорошем смысле этого слова, а не в плане всем известного словосочетания) после сэра Исаака Ньютона.

Генри Кавендиш был внуком двух герцогов — с отцовской стороны герцога девонширского, а с материнской — герцога кентского. Будучи младшим сыном младшего сына, он был вне главной линии наследования по обеим линиям, но имел вполне неплохой доход. Большинство младших отпрысков аристократических семей делали карьеру в колониях, армии, на церковном поприще, становились покровителями литераторов и художников или просто вели праздную и безбедную жизнь, однако Кавендиш решил посвятить себя физике и химии.

Отец Генри Кавендиша, Чарльз, был учёным-любителем и членом Королевского научного общества. Чарльз убедился, чтобы Генри получил хорошее образование, отправив его учиться в лондонскую школу Хекни, известную своими прогрессивными идеями, а не в аристократически выдержанный Итон. По окончании Хекни Кавендиш три года изучал математику в Кембридже, после чего присоединился к научному обществу Лондона. Генри Кавендиш стал членом Королевского общества в 1760 году, а в 1765 году был избран членом его Совета.

Научные интересы Генри Кавендиша были широки — в них входили математика, астрономия, метеорология и физика. Его первая научная публикация, которая впервые была опубликована тремя частями в 1766 году и принесла ему медаль Королевского общества по развитию знаний о природе. В ней было описано то, что Кавендиш назвал «искусственным воздухом» — газообразные вещества, которые высвобождаются из твердых веществ при их нагревании или взаимодействии с кислотами.

В те времена натурфилософы предполагали, что воздух, содержащийся в атмосфере, представляет собой единственный элемент. И до Генри Кавендиша некоторым химикам удавалось выделять и изучать образцы других «воздухов», но их химическую природу не удавалось установить и понять. Кавендишу удалось разработать и применить уникальные методы сбора и хранения высвобождающихся в результате химической реакции газов, эти методы позволили измерить объёмы и массу этих газов.

Часть работы Кавендиша, опубликованной в 1766 году, была посвящена «негорючему воздуху», который выделялся при растворении металлов в кислотах (сейчас мы называем его водородом). И до Кавендиша исследователи, включая Роберта Бойля, наблюдали выделение этого газа и сообщали о его горючести, однако Кавендиш впервые изучил этот газ количественно, оценив, что он примерно в 11 раз менее плотный, чем воздух. Также он обнаружил, что одинаковые по массе навески цинка, железа или олова, независимо от того, были ли они растворены в «соляном духе» (соляной кислоте) или «разбавленном купоросном масле» (серной кислоте) приводят к выделению «негорючего воздуха, хотя и в разных количествах».

На основании этих наблюдений и изменений Кавендиш сделал разумный (но, как показало дальнейшее развитие химии, ошибочный) вывод о том, что негорючий воздух является составной частью цинка, железа или олова, той составной частью, которая высвобождается под воздействием кислот. Возможно, он подозревал, что «воздух», выделяющийся из металлов, представляет собой чистый флогистон, огнетворный элемент, который, как предполагалось в то время многими химиками, существует во всех горючих веществах.

Вторая часть труда Кавендиша была посвящена «связанному воздуху» (углекислому газу). К тому времени уже было известно, что нагревание мела или известняка для получения негашёной извести (её, в свою очередь, применяли для получения цемента и строительного раствора), приводит к выделению «воздуха», вдыхание которого было смертельно опасным. Впервые этот «воздух» в 1750-е годы изучил Джозеф Блэк, который исследовал медицинские свойства белой магнезии (основного карбоната магния — [Mg(OH)]₂CO₃). Блэк показал, что «связанный воздух», образующийся при нагревании известняка, идентичен «воздуху», выделяющемуся при взаимодействии минеральных кислот с мелом или «воздуху», образующемуся при сбраживании сахаров. Кавендиш с высокой точностью повторил эксперименты, собирая «связанный воздух» над слоем ртути (растворимость, пусть и ограниченная, углекислого газа в воде не давала собирать этот газ над водой). Кавендиш определил, что плотность «связанного воздуха» в 1.57 выше, чем плотность воздуха обычного (это очень близко к привычному нам соотношению плотностей углекислого газа и воздуха, которое составляет 1.65), а также оценил количество газа, образующегося при действии кислот на карбонаты и гидрокарбонаты. Так, он определил, что 1000 весовых частей мрамора позволяет получить 407 или 408 весовых частей углекислого газа (если провести расчет сейчас, мы вычислим, что на 1000 грамм чистого карбоната кальция должно выделиться 440 грамм углекислого газа, но нужно учесть, что мрамор не является чистым карбонатом кальция, да и измерительные приборы 20–21 века совершеннее приборов, доступных исследователям 18 века).

Третья часть труда Кавендиша была посвящена видам «воздуха», образующимся в результате ферментации, а также при гниении животной и растительной биомассы. До него этими вопросами занимался шотландский химик и медик Дэвид МакБрайд, который обнаружил углекислый газ среди паров, испускаемых гниющей плотью или растительным материалом. Однако Кавендишу удалось обнаружить среди этих паров еще один газ, который не выделялся при взаимодействии кислот с металлами или карбонатами. Обнаруженный Кавендишем газ главным образом представлял собой метан.