Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство
Шрифт:
Осознав нрав странного аттрактора, представители столь полярных наук, объединившись, сумели укротить его и поставить на службу человечеству. Однако подробно речь о нем впереди.
Познакомившись с важнейшими открытиями современности, читатель подойдет к пониманию важнейшего положения материалистической философии о единстве законов, действующих в природе и отраженных в науке, этом слепке с законов природы. Читатель убедится: в единстве законов, общих для самых различных явлений природы, заключены необозримые резервы для прогресса науки и техники.
Сегодня набирает силу особый метод исследования природы, основанный на глубокой общности процессов, внешне весьма разных, относящихся к разнообразным областям науки, но допускающих описание их свойств при помощи сходных математических уравнений.
Ученый, воспринявший этот метод мышления и обладающий опытом в одной
Книга «Единство» ставит целью воспитание современного научного мышления у молодого человека, только вступающего в самостоятельную жизнь, чтобы помочь ему шагнуть выше и дальше предшественников на пути прогресса.
ВЕЛИКИЙ ЗАКОН
Главная цель естественных наук — раскрывать единство сил природы.
ГЛАВА 1
Симметрия и химия
Симметрия и химия
Когда речь заходит о симметрии, в памяти сразу возникают четкие формы листьев, цветов, кружевных узоров, архитектурных сооружений, словом, бросающаяся в глаза внешняя симметрия предметов. Мало кто задумывается о том, что симметрия здания зачастую следствие многократного повторения одинаковых квартир. А симметрия кристалла основывается на внутреннем порядке взаимного расположения атомов, ионов, молекул.
Законы симметрии играют ведущую роль в понимании строения веществ. Пожалуй, первым, осознавшим, что внешний порядок в природных явлениях определяется непознанным внутренним порядком, был великий химик Дмитрий Иванович Менделеев.
Знание не является эквивалентом науки. Началом превращения знания в науку, в научное знание, является классификация — упорядочение признаков предметов и явлений. Далее идет выявление связи между признаками и сущностью.
Если придерживаться этой точки зрения, то первый шаг, превращающий химию в науку, сделал гениальный универсал Михаил Васильевич Ломоносов. Он понял, что частицы сложных тел — корпускулы — состоят из элементов — молекул, а те в свою очередь образованы первичными элементами — атомами. Ломоносов сумел заглянуть в глубинную суть вещей, сформулировал закон сохранения вещества и закон сохранения движения. Борясь с теорией теплорода, он пришел к кинетической теории теплоты. Существенный вклад в классификацию химических элементов сделал французский ученый Антуан Лоран Лавуазье. Один из основателей химии, он классифицировал свыше тридцати веществ по аналогиям их химических свойств. Но он не утверждал, что все они простые вещества. Нет, он предвидел в будущем, что «земли» (окислы) перестанут причислять к простым элементам потому, что, как он писал, «они не обладают стремлением к соединению с кислородом, и я склонен думать, что… они уже пересыщены им».
Лавуазье независимо от Ломоносова пришел к закону сохранения вещества и, несомненно, мог пойти много дальше. Но… он занимал должность генерального откупщика, и во время Французской буржуазной революции его гильотинировали как врага и грабителя народа.
Следующий вклад в классификацию химических элементов сделал в 1829 году И. В. Дёберейнер, друг Гёте, фабрикант химических товаров, которого так увлекла тайна, скрытая в изготавливаемых на его предприятиях товарах, что он стал профессором химии. Он разложил своеобразный пасьянс из химических элементов: сгруппировал элементы по три с учетом аналогии химических свойств и расположил их в порядке увеличения атомного веса. И во многих случаях обнаружил поразительную закономерность: атомный вес среднего элемента близок к среднему арифметическому от атомных весов соседей. Такие триады составляют сера, селен, теллур; хлор, бром и йод; кальций, стронций и барий. Конечно же, тут проявилась какая-то закономерность. Эта «игра» в элементы вдохновила многих химиков. Известны и другие попытки подобной классификации.
Решающий шаг в этом увлекательном деле сделал петербургский профессор химии Менделеев. Он не ограничился классификацией элементов. Но попытался вскрыть связь их признаков со свойствами, определяемыми внутренним строением. Ему удалось установить неведомую ранее периодичность изменения физических и химических свойств элементов по мере увеличения их атомного веса. На этой основе он сформулировал закон, позволивший обнаруживать и исправлять ошибки в общепринятых в то время значениях атомных весов некоторых элементов. Опираясь на этот закон, он предсказал существование и даже свойства ряда элементов, в то время еще неизвестных.
К 1869 году Менделеев продвинулся в понимании значения периодического изменения свойств химических элементов так далеко, что решил опубликовать полученные результаты. Название статьи «Соотношение свойств с атомным весом элементов» отражало ее основное содержание. Главный результат работы выражен следующим образом: «Элементы, расположенные по величине их атомного веса, представляют явную периодичность свойств», речь идет о таких химических свойствах, как валентность, и таких физических свойствах, как атомные объемы элементов и удельные веса простых веществ. Под простыми веществами, конечно, понимаются те, что содержат только один элемент. Уже в первом варианте таблицы элементов Менделеев оставил пустые места. Там, по его глубокому убеждению, должны стоять еще не открытые элементы. Он также изменил расположение в таблице кобальта и никеля, теллура и йода, считая, что их атомные веса определены ошибочно, потому что они не соответствуют свойствам этих элементов. Последующие более точные измерения подтвердили правильность его мнения.
Менделеев не ограничился тем, что выявил закон. Он продолжал работать над уточнением периодической системы элементов. Однажды он осознал, что химические свойства элементов повторяются: каждый восьмой и восемнадцатый элемент обладают аналогичными свойствами. Проверив свою догадку, он убедился в том, что существуют два периода (8 и 18) повторения свойств элементов.
В 1871 году Менделеев публикует статью, содержащую уточненную таблицу периодических свойств элементов. Он расположил их в восьми столбцах и одиннадцати строках. Эта таблица давала ключ к пониманию химических свойств известных элементов. Но этим не исчерпывались полученные результаты. В той же статье прозорливый ученый очень подробно описал свойства нескольких неизвестных элементов. Трем из них он дал названия: экабор, экаалюминий и экасилиций. Приставка «эка» указывала на аналогию с элементами, стоящими в таблице сверху. Тогда же Менделеев описал химические свойства неизвестных в то время аналогов марганца, теллура, цезия, бария, тантала. Кроме того, он исправил атомные веса и валентности некоторых элементов, руководствуясь тем, что прежние величины противоречат закону, выраженному его таблицей. Так, он приписал индию валентность 3 вместо принятой прежде 2. Установил, что атомный вес индия вдвое превышает принятый, и потому поместил его в VI группу элементов.
Догадки русского ученого вдохновили химиков-экспериментаторов из разных лабораторий мира на поиск новых веществ. Вскоре, в 1875 году, француз де Буабодран открыл предсказанный Менделеевым экаалюминий и дал ему название галлий. Швед Л. Нилсон в 1879 году выделил скандий, по свойствам совпавший с экабором. А в 1886 году выдающийся химик-аналитик из Саксонии К. Винклер получил германий. Характеристики этого нового элемента с поразительной точностью совпали с характеристиками экасилиция.
Вот как выглядели характеристики предсказанного и открытого элемента. В скобках — числа, предсказанные Менделеевым для экасилиция. Рядом — полученные Винклером для германия. Атомный вес: (72) и 72,60. Валентность: (4 и ниже), 4 и 2. Атомный вес: (13) и 13,5. Удельный вес (5,5) и 5,36. Свойства высшего окисла: молекулярный объем (22) и 22,2; удельный вес (4,7) и 4,703. Свойства высшего хлорида: удельный вес (1,9) и 1,874. Свойства типичного металлоорганического соединения: удельный вес (0,96) и 0,99; температура кипения (160°) и 163,5°. Расхождения не превышали погрешностей измерений. Предвидение Менделеева оказалось точным.
Этот пример показывает, что периодическая система Менделеева действительно отражает глубокий закон природы. И, как надлежит истинному научному закону, позволяет точно предсказывать количественные результаты будущих экспериментальных исследований.
Однако нельзя сказать, что у химиков вовсе не было хлопот с размещением в таблице вновь открываемых веществ.
В 1894 году англичане лорд Роберт Джон Рэлей (сын знаменитого физика Джона Уильяма Рэлея) и Уильям Рамзай обнаружили в воздухе неизвестный ранее странный газ. Он не вступал в химическое соединение ни с одним из известных элементов. Для нового газа, названного вследствие его химической инертности аргоном, не оказалось места в периодической системе элементов. Это вызвало волнение среди химиков. К тому времени все признали периодический закон Менделеева и с успехом пользовались его таблицей в работе. И вот странный случай: газ существует, а места ему в таблице элементов нет. Как это понять?