Очищение естествознания от натурфилософских представлений

Третья научная революция, наряду с диалектизацией естествознания, явившейся ее сутью, включала и начавшийся в конце XVIII века процесс очищения науки от натурфилософских понятий и представлений.

Первым из таких представлений, подвергшихся пересмотру в свете новых научных данных, явилась теория флогистона. Ученые второй половины XVII–XVIII вв. для объяснения процесса горения привлекали некоторую субстанцию, своеобразное «начало горючести» – флогистон (от греч. «флогистос» – воспламеняемый, горючий). Считалось, что хорошо горят те тела, которые содержат много флогистона, и наоборот, тела, содержащие мало флогистона, должны гореть плохо. Натурфилософское учение о флогистоне занимало господствующее положение в химии более ста лет.

Наиболее полно это учение изложил в своей книге «Химические и физические опыты, наблюдения и размышления» немецкий химик Георг Эрнст Шталъ (1660–1734). С его точки зрения, флогистон – это легчайшая материальная субстанция земного происхождения, с помощью которой можно объяснить процессы горения, прокаливания, обжига и т. п. Развитие горного дела и металлургии, необходимость выплавки металлов и термической обработки изделий побуждали ученых и практиков уделять все больше внимания этим процессам. Считалось, что флогистон как особо легкая субстанция обладает способностью «отнять у вещества часть его веса» путем передачи своей летучести частицам этого вещества, которые затем осаждаются. Это типично натурфилософское, умозрительное представление подтверждало, как казалось, целый ряд общеизвестных фактов: осаждение сажи в дымовых трубах, серы в верхних частях реторты и т.п. Шталь полагал, что при медленном прокаливании металлов их плотность постепенно нарушается и флогистон получает возможность свободно улетучиваться. Если этот процесс происходит быстро, то флогистон захватывает с собой отдельные мельчайшие частички вещества, в результате чего наблюдается их последующее осаждение.

Флогистонная теория находилась в согласии со многими укоренившимися старыми воззрениями и прежде всего с пониманием горения как процесса распада вещества, что характерно было еще для взглядов Аристотеля. Опровергнуть эту теорию удалось лишь к концу XVIII века благодаря исследованиям, которые провел выдающийся французский ученый Антпуан Лоран Лавуазье (1743–1794). Его внимание привлекла одна из самых актуальных проблем химии того времени – проблема горения, восстановления и окисления металлов.

В 1774 году в своей книге «Небольшие работы по физике и химии» Лавуазье впервые выдвинул идею об участии атмосферного воздуха в процессах горения (кислород был тогда еще неизвестен). А три года спустя, в 1777 году, он развил эту идею в работе «Общее рассмотрение природы кислот и принципов их соединения». Лавуазье указал на то, что хотя теория флогистона и объясняет кое-что в явлениях горения и кальцинации, но ее нельзя признать удовлетворительной и принять как научную. Новая теория горения, выдвинутая Лавуазье, сводилась к следующим положениям:

1. тела горят только в «чистом воздухе».

2. «чистый воздух» поглощается при горении, и увеличение массы сгоревшего тела равно уменьшению массы воздуха.

3. металлы при прокаливании превращаются в «земли», горящие сера или фосфор, соединяясь с «чистым воздухом» и водой, превращаются в кислоты.

Так было установлено очень важное положение: увеличение массы обжигаемого металла происходит вследствие присоединения к нему определенной составной части воздуха. Лавуазье сделал также обобщающий вывод о том, что все кислоты состоят из радикала и окисляющего кислотообразующего начала – «оксигена», т.е. кислорода.

Несколько лет спустя Лавуазье окончательно выяснил главенствующую роль кислорода в своей теории. В трактате «Размышления о флогистоне», опубликованном в 1786 году, он решительно опроверг натурфилософскую флогистонную теорию.

Значительно позднее флогистона из науки было изгнано другое натурфилософское понятие – теплород; последнее долгое время играло важную роль в теории теплоты. Теплород мыслился в виде особой, фантастической «тепловой жидкости», которая, перетекая от одного тела к другому, обеспечивает процесс теплопередачи. Понимание теплоты как особой субстанции длительное время считалось общепризнанным в науке, и надо было иметь большое научное мужество, которое проявил выдающийся русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765), чтобы противопоставить концепции теплорода совершенно иное понимание тепловых явлений.

В своей работе «Размышления о причине теплоты и холода», опубликованной в 1750 году, Ломоносов подверг критике концепцию теплорода и обосновал кинетическую гипотезу теплоты. Гипотеза Ломоносова состояла в том, что теплота – это форма движения мельчайших материальных частиц (корпускул, или молекул). Их вращательное движение является причиной тепла. Основные положения развитой Ломоносовым кинетической гипотезы теплоты сводились к следующему: 1) молекулы (корпускулы) имеют шарообразную форму; 2) при более быстром вращении частиц теплота должна увеличиваться, а при более медленном – уменьшаться; 3) частицы горячих тел вращаются быстрее, более холодных – медленнее; 4) горячие тела должны охлаждаться при соприкосновении с холодными, так как это замедляет теплотворное движение частиц;

5) холодные же тела должны нагреваться при соприкосновении с горячими вследствие ускорения движения частиц.

Однако кинетическая гипотеза Ломоносова, созданная в середине XVIII века, не смогла в то время переломить сложившийся стереотип научного мышления. Натурфилософское учение о теплороде просуществовало еще почти целое столетие.

Некоторые экспериментальные работы конца XVIII – первой половины XIX века (опыты Б. Томпсона – графа Румфорда, демонстрировавшие выделение тепла при высверливании канала в пушечном стволе, опыты по получению теплоты трением английского исследователя Дэви и др.) свидетельствовали о связи теплоты с механическим движением, однако большинство ученых, работавших в области физики тепла, упорно усматривали в этом нечто совсем иное: проводя аналогию с электризацией тел трением, они утверждали, что трение способствует выжиманию теплорода из тела. Только в середине XIX века, когда был открыт закон сохранения и превращения энергии, физики окончательно отказались от теплорода и вернулись к кинетической концепции теплоты, успешно разрабатывавшейся Ломоносовым еще за сто лет до открытия этого закона.

Появление закона сохранения и превращения энергии помогло опровергнуть еще одно натурфилософское представление о так называемой «жизненной силе» организма. Учение, основывавшееся на этом натурфилософском представлении, получило наименование витализма. Его сторонники полагали, что живой организм функционирует благодаря наличию в нем особой «жизненной силы». Тем самым физиологические процессы исключались из сферы физических и химических законов и обусловились этой мифической, таинственной «силой». Такое положение в биологии продолжалось до тех пор, пока Роберт Майер, который, как было сказано ранее, являлся врачом, своими наблюдениями показал, что живой организм управляется естественными физико-химическими законами и прежде всего законом сохранения и превращения энергии.

Работы ряда ученых XIX века в области электромагнетизма (о которых подробнее будет сказано в следующем разделе) привели к отказу от таких натурфилософских понятий, как электрическая и магнитная жидкости. На основе новых представлений об электричестве и магнетизме французский физик Андре Мари Ампер (1775–1836) первым пришел к выводу об отсутствии в природе каких-либо электрических или магнитных жидкостей (как положительных, так и отрицательных). Введение в учение об электричестве и магнетизме натурфилософского понятия жидкостей соответствовало тогдашнему механистическому подходу, пытавшемуся решать любые физические вопросы с помощью субстанций и действующих между ними простых сил. Работы Ампера и других исследователей привели к тому, что субстанциональное понимание электромагнитных явлений было заменено принципиально новым понятием электромагнитного поля.

Последним натурфилософским представлением, продержавшимся дольше всех других натурфилософских понятий, был мировой эфир.

Концепцию мирового эфира – гипотетической среды, заполняющей все мировое пространство – признавали все физики XIX века. Этому в особенности способствовала победа, одержанная в середине XIX века волновой теорией света над корпускулярной. Причина этой победы заключалась в том, что волновая теория давала объяснение дифракции света, т.е. отклонению световых волн, происходящему при распространении света вблизи краев непрозрачных тел. При прохождении сквозь узкие отверстия, щели и т. п. Но принятие волновой теории приводило в то же время к мысли о существовании субстанции, в которой световые волны распространяются. В этом случае все хорошо согласовывалось с механическими представлениями об окружающем мире, еще очень характерными для большей части XIX века.

В связи с этим следует отметить, что известный английский ученый Дж. Максвелл (о котором еще будет сказано ниже) незадолго до своей смерти направил письмо астроному Тодду, в котором указывал на принципиальную возможность экспериментального определения движения Земли относительно эфира. Правда, такой прибор должен был обладать очень высокой чувствительностью, которую Максвелл считал технически недостижимой. В 1880 г. (после смерти Максвелла) указанное письмо было опубликовано. А в следующем 1881 году молодой американский ученый Альберт Абрахам Майкелъсон (1852–1931) уже производил опыты с такого рода прибором.

Результаты своего опыта Майкельсон опубликовал в том же 1881 году в статье «Относительное движение Земли и светоносного эфира». Однако никакого относительного движения фактически обнаружить не удалось. В 80-х годах XIX века Майкельсон неоднократно повторял свои опыты, используя все более совершенную и точную аппаратуру. Результат был все тот же: обнаружить «светоносный эфир» не удавалось. Об этом вновь было заявлено в совместной статье Майкельсона и Морли «Об относительном движении Земли и светоносного эфира», опубликованной в 1887 году.

С уходом из науки концепции мирового эфира завершилась эпоха натурфилософии, понятия и представления которой в течение длительного времени занимали господствующее положение в науке. Как бы подводя итог этому длительному периоду в истории естествознания, Ф. Энгельс писал: «Дать... общую картину природы было прежде задачей так называемой натурфилософии, которая... заменяла неизвестные еще ей действительные связи явлений идеальными, фантастическими связями и замещала недостающие факты вымыслами, пополняя действительные пробелы лишь в воображении. При этом ею были высказаны многие гениальные мысли и предугаданы многие позднейшие открытия, но не мало было также наговорено и вздора. Иначе тогда и быть не могло. Теперь же, когда нам достаточно взглянуть на результаты изучения природы диалектически, т.е. с точки зрения их собственной связи... теперь натурфилософии пришел конец. Всякая попытка воскресить ее не только была бы излишней, а была бы шагом назад».