О воздухе
На протяжении целых тысячелетий воздух был для
человека непонятным даже загадочным веществом. Воздух нельзя было ни увидеть,
ни услышать, ни взвесить на руке, и в то же время человек чувствовал, что
какое-то неуловимое вещество существует рядом с ним: этим веществом дышат, его
ощущают, как ветер, оно встречается всюду, куда ни пойдешь, как «некий дух,
невидимый и вездесущий».
В VI в. до нашей эры греческий философ Анаксимен Милетский, раздумывая над сущностью вещей, пришел даже к выводу, что «все существующее происходит из воздуха, путем сгущения и разрежения его».
Древние натурфилософы, идя по стопам
Аристотеля, жившего в IV в. до нашей эры, считали воздух одним из четырех
основных элементов вселенной, наряду с водой, огнем и землей. Эти четыре
элемента, по мнению древних, соединяясь в различных сочетаниях, образуют все
видимое многообразие вселенной. Аристотель считал, что воздух окружает землю в
виде сферической оболочки, причем за этой оболочкой начинается новая сфера —
сфера огня. Наблюдая за сумерками и замечая, что темнота наступает не сразу
после захода солнца, Аристотель сделал вывод, что солнечные лучи отражаются от
верхней границы сферы воздуха. Он даже пытался определить высоту воздушного
покрова и утверждал, что она равна (по нашим мерам) 35 километрам.
Последователи Аристотеля возвели в нерушимый
закон его учение о четырех элементах. При этом они признавали за природой
разумно действующее начало и окутывали свое учение изрядной долей мистицизма.
Так, например, они учили, что природе свойственна «боязнь пустоты» — «хоррибл
вакуум», и поэтому она заполняет воздухом все, что не может быть заполнено
водой, землей или огнем. Эту теорию проповедовали и средневековые схоласты,
которые сами не были способны к творческой научной мысли. Теория «хоррибл
вакуум» оказалась очень удобной для объяснения многих явлений. Ветер дует —
значит, где-то воздуха оказалось недостаточно, а природа не терпит пустоты и
гонит туда воздух. Если опустить насос в воду и начать вытягивать поршень, вода
моментально устремится за поршнем, потому что природа не терпит пустоты. Так
теория «боязни пустоты», возведенная схоластами в непререкаемую истину,
сковывала умы человечества и в течение долгих столетий держала в плену людей,
которые пытались разгадать истинную причину атмосферных явлений.
Но вот в XVI в. в итальянском городе Флоренции
произошло событие, которому суждено было опрокинуть застоявшуюся догму
Аристотеля. В эпоху Возрождения Флоренция становится крупным культурным и научным
центром. Здесь жил Галилей со своими любимыми учениками — Торичелли и Вивиани.
Вместе с ними Галилей занимался исследованием воздуха и установил, что он
обладает весом: нагнетая воздух в сосуд, Галилей замечал, что сосуд становился
несколько тяжелее.
В 1640 г. во Флоренции был сооружен водяной
насос, с помощью которого хотели достать воду с большой глубины. Но вода,
следуя за поршнем, доходила лишь до известного уровня и, несмотря ни на какие
усилия, выше не поднималась. Загадочное явление поразило флорентийских ученых,
но даже великий Галилей не смог найти ему объяснения. Однако то, чего не
удалось сделать великому старцу, удалось его талантливому ученику и помощнику —
Торичелли.
Торичелли понял, что весомость воздуха,
открытая Галилеем, и есть тот ключ, который поможет раскрыть тайну
флорентийского колодца. Воздух весит, рассуждал Торичелли, следовательно, он
давит на поверхность жидкости и заставляет ее подниматься до известного уровня.
Этот уровень высок у воды, но если взять ртуть, которая в 13 раз тяжелее воды,
то уровень ее столбика должен быть ниже. Торичелли наполнил ртутью стеклянную
трубку и, зажав пальцем конец трубки, опрокинул ее в чашку, также наполненную
ртутью. Опыт подтвердил гениальную догадку Торичелли: ртуть опустилась и
остановилась на уровне 28 дюймов. Над этим уровнем оказалось пустое
пространство. Так была получена знаменитая Торичеллиева пустота, которая
обессмертила имя молодого ученого.
Известие о флорентийском насосе и работах
Торичелли привело в смятение схоластов. Эти работы разбивали излюбленную ими
теорию Аристотеля. Наспех было состряпано несколько схоластических объяснений
новому явлению. Было, например, заявлено, что «хоррибл вакуум» испытывает не
только природа, но и вода и вообще всякая жидкость. И если природа боится
пустоты и гонит воду вверх, вслед за поршнем насоса, то и вода, в свою очередь,
боится пустоты и не рискует «залезать» в нее дальше определенного уровня.
Продолжая свои опыты, Торичелли заметил, что
уровень ртутного столбика не остается одинаковым, а подвержен постоянным
небольшим колебаниям. Полемизируя со схоластами, Торичелли язвительно отвечал
им, что если даже признать за природой какое-то разумно действующее начало, то
все же нельзя допустить, чтобы природа «менялась произвольно, подобно
кокетливой девушке». В самом деле, почему природа гонит вверх воду на 32 фута,
а ртуть — всего на 28 дюймов; почему уровень ртути в трубочке сегодня заметно
превышает 28 дюймов, а завтра падает до 27. Во всех этих явлениях Торичелли
находил строгую закономерность, основанную на том, что воздух весит и оказывает
давление.
Опыты Торичелли получили широкую известность.
Через несколько лет после них французский физик Паскаль проделал подобные же
опыты с водой и ртутью. Паскаль всячески разнообразил свои исследования,
стремясь установить точную зависимость между давлением воздуха и уровнем столба
жидкости.
Для удобства своих наблюдений Паскаль соорудил
водяной барометр. Это был довольно громоздкий инструмент. Ученый опустил
высокую трубку в бадью, расположенную перед домом. Наблюдения за барометром
Паскаль вел из окна третьего этажа. Водяной барометр оказался удобнее ртутного,
так как масштабы его были очень велики, и поэтому колебания водяного столба
можно было отмечать с большой точностью. Паскаль установил, что барометр может
иметь очень важное практическое значение, так как изменение давления воздуха предшествует
перемене погоды.
Паскаль пришел к выводу, что люди живут как бы
на дне воздушного океана. Он логически рассудил, что давление в верхних слоях
атмосферы должно быть меньше, чем в нижних, а поэтому и столбик ртути должен
там понизиться.
19 сентября 1648 г. шурин Паскаля, Перье,
помогавший ему в научных исследованиях, поднялся на гору Пюи-де-Дом у
Клермонта, высотой в 4300 парижских футов (около 1400 метров). Перье тащил за
собой громоздкий и тяжелый прибор Торичелли.
Время от времени Перье останавливался для
измерения давления. Оказалось, что столбик ртути действительно неизменно
понижался по мере восхождения на гору. Выводы Паскаля блестяще подтвердились.
Опыт французского ученого имел громадное
научное и практическое значение. В руках людей оказалось орудие, годное не
только для измерения давления воздуха, но и для того, чтобы с большой точностью
определять высоту. Прибор Торичелли, который Перье втащил за обой на гору,
послужил основой современного альтиметра.
*
Несколькими годами позже Паскаля произвел свои
опыты над разреженным воздухом магдебургский бургомистр Отто фон-Герике. Этот
исследователь, обладавший ясным критическим умом, проводил свои опыты с таким
искусством, что они превращались в подлинные зрелища и далеко разносили славу
магдебургского ученого.
Герике решил опытным путем получить пустоту и
соорудил для этого воздушный насос. 8 мая 1654 г. Герике впервые
продемонстрировал свои знаменитые опыты перед целым собранием горожан
Магдебурга. Он изготовил два больших медных полушария, которые плотно прилегали
друг к другу, образуя полый шар. Из шара через специальное отверстие,
снабженное краном, удалялся воздух. Затем кран закрывали. Атмосферное давление
так плотно прижимало полушария, что две упряжки по восемь лошадей, несмотря на
все усилия погонщиков, не могли оторвать полушария друг от друга. Но стоило
открыть кран и впустить внутрь воздух, как полушария разъединялись без всякого
труда.
Выкачивая воздух из-под стеклянного колпака,
Герике произвел целую серию интересных наблюдений. Он помешал под колпак все,
что могло служить материалом для опыта: зажженную свечу, живую мышь, плотно
завязанный пузырь, звонок, приводимый в движение часовым механизмом. По мере того,
как из-под колокола выкачивался воздух, свеча гасла, мышь умирала, сморщенный
пузырь раздувался и в конце концов лопался, звонок звенел все тише и становился
совсем неслышным. Это доказывало, что воздух необходим для горения, что
пустотой дышать нельзя, что в безвоздушном пространстве звук распространяться
не может. Это доказывало также, что воздух обладает большой упругостью и даже
малого его количества достаточно, чтобы раздуть пузырь, когда на него перестает
действовать внешнее давление.
Так же, как и Паскаль, Герике пришел к выводу,
что в верхних слоях атмосферы воздух более разрежен, чем в нижних, и доказал
это с присущей ему оригинальностью. Он закрыл кран полого сосуда и поднялся с
ним на гору. На высоте кран был открыт, и избыток воздуха со свистом вырвался
наружу. Перед спуском Герике снова закрыл кран сосуда, а когда он открыл его в
долине, воздух с таким же свистом устремился в сосуд.
*
Наблюдения над воздухом и пустотой, которыми
занялись ученые после Торичелли, позволяли пока определять только некоторые
физические свойства воздуха; химический же состав его был по-прежнему неизвестен.
Что такое воздух? Сложен ли его состав, или же воздух является неделимым
элементом, который даже и не стоит пытаться разложить на составные части, как
об этом непререкаемо заявляли схоласты?
Ничем не заполненная пропасть почти двух тысячелетий
отделяла Средние века от времен Аристотеля, учение которого церковные схоласты
возвели в догму. Но в то время, как Западная Европа переживала «темное царство
темных людей», пытливая человеческая мысль продолжала жить на другом конце
континента.
В середине VIII в. нашей эры одни из китайских
мудрецов пытался разгадать состав воздуха. Он придумал свою оригинальную
теорию, которую изложил в дошедшей до нас книге «Мао Коа». Воздух, по мнению
китайского мудреца, состоит из двух начал: одно из них — «Янг» — является
совершенным, сильным и преобладающим; другое — «Ин» — слабым, несовершенным и
имеющим подчиненное значение. «Янг» является стойким началом и не вступает ни в
какие соединения, наоборот, «Ин» редко встречается в чистом виде и легко
соединяется с другими веществами. Различные тела при накаливании вступают в
соединение с «Ином» воздуха, и тогда в воздухе накопляется «Янг».
Несмотря на своеобразное изложение, теория
китайского мудреца содержала зерно истины — мысль о сложном составе воздуха.
Легко понять, что «Янг» китайского мудреца соответствует азоту, а «Ин» —
кислороду воздуха.
Китайский философ как бы предвосхитил идею великого
Леонардо да Винчи, жившего много позднее, в эпоху Возрождения. В конце XV в.
Леонардо да Винчи пришел к выводу, что в воздухе заложены два основных начала,
так как в процессе горения и дыхания воздух расходуется не целиком, а только
частично. Однако замечательное утверждение Леонардо да Винчи прозвучало
одиноко. Прошло еще сто с лишним лет, прежде чем стало рушиться схоластическое
учение о воздухе как неделимом элементе.
*
В начале XVII в. современник Торичелли и
Паскаля, голландский химик Ван-Гельмонт, открыл и описал два новых газа,
которые резко отличались от атмосферного воздуха. Это был углекислый газ,
названный им «лесным», и метан, названный «жирным», или «горючим». До
Ван-Гельмонта единственным известным газом был воздух. Все другие газы, получающиеся
при горении и испарении, также считали воздухом. Открытие голландского химика,
который впервые ввел в науку понятие о газах, очень помогло дальнейшим
исследователям разгадать природу воздуха.
*
В 1675 г. английский врач Джон Майов
опубликовал большое исследование о составе воздуха. Он доказал, что в атмосфере
содержится некая составная часть, и дал ей название «селитряно-огненного
воздуха». Джон Майов предугадал роль кислорода, указав, что открытая им
составная часть воздуха в равной степени участвует в горении и в дыхании.
В то время, когда люди, казалось, были уже
близки к разгадке состава воздуха и происходящих в нем явлений, возникает так
называемая «флогистонная» теория. Эта теория, детально разработанная в начале
XVIII в. немецким химиком Сталем, далеко увела ученых в сторону от истинного
пути.
Последователи Сталя считали, что каждое
способное гореть тело содержит в себе некое горючее начало — флогистон. В
процессе горения флогистон выделяется из тела и уходит в воздух. Чем больше
флогистона накопляется в воздухе, тем хуже протекает горение, вот почему в
закрытом сосуде горение быстро прекращается.
В XVIII в. теория флогистона получила широкое
распространение. Правда, многие явления оставались неясными, и химикам
приходилось постоянно «подновлять» эту теорию всевозможными поправками и
дополнениями.
В 1748 г. великий русский ученый Ломоносов в
своей диссертации «О причинах тепла и холода» объясняет процессы горения,
совершенно не прибегая к флогистонной теории. Ломоносов повторил опыты английского
химика Роберта Бойля, который прокаливал металлы в закрытых сосудах и замечал,
что вес металлов при этом увеличивался. Бойль не сумел найти правильного
объяснения этому явлению, Ломоносов же прямо высказывает мысль, что «к
накаленному телу... приходит во время обжигания какая-то другая материя...»
Однако замечательные выводы Ломоносова, опрокидывающие флогистонную теорию, не
получили признания. Клика немецких профессоров, засевшая в Российской Академии
наук, похоронила эти «измышления русского самоучки».
Теория флогистона продолжала крепко держать в
своей власти умы ученых. Когда в 1773 г. шведский ученый Шееле, а вслед за ним
английский химик Пристли сумели получить кислород, даже это открытие не
поколебало порочной теории. Ученые назвали новый газ дефлогистированным
воздухом. Они полагали, что этот газ отличается от атмосферного воздуха лишь
тем, что содержит крайне мало флогистона и поэтому с большой жадностью
поглощает флогистон из различных тел и вызывает усиленное горение их.
Только французскому ученому Лавуазье удалось в
конце XVIII в. окончательно разбить теорию флогистона. Ему удалось внести
полную ясность в вопрос о том, что представляет собой воздух и какое участие
принимает он в горении, дыхании и многих других процессах природы.
Лавуазье повторил опыты Бойля и Ломоносова с
прокаливанием металлов в закрытых ретортах. Он обнаружил, что общий вес
продуктов горения не менялся, но оставшийся в реторте воздух терял в своем весе
ровно столько, на сколько утяжелялся подвергнутый прокаливанию металл.
Даже и после этих опытов защитники
флогистонной теории пытались отстаивать свои позиции, утверждая, например, что
флогистон обладает «отрицательным весом», но Лавуазье последовательно и логично
опровергал все их доводы.
Для великого химика было ясно, что при горении
не тело отдает в воздух некое якобы содержащееся в нем горючее начало, а
наоборот, какая-то составная часть воздуха соединяется с горящим телом. С
помощью классического приема Лавуазье даже определил содержание в воздухе
этого, как он называл, «оксигена», т. е. окислителя. В чан, наполненный водой,
ученый поместил чашечку с горящим фосфором и накрыл ее колпаком. После того как
весь оксиген (т. е. кислород) соединился с фосфором, горение под колпаком
прекратилось, а вода поднялась на ⅕ его объема. Остальные ⅘ воздуха
были непригодны для горения и дыхания, поэтому Лавуазье назвал оставшийся газ
«нитрогениум» — безжизненный.
Свои замечательные, очень сложные и точные
опыты французский химик вел по строгому, заранее намеченному плану,
рассчитанному на много лет вперед. Лавуазье ясно представлял себе грандиозность
предстоящего ему дела, но, как писал он в своем дневнике: «Важность предмета
заставила меня приняться за всю эту работу».
Более десяти лет Лавуазье исследует и
вычисляет, накопляет факты и обобщает их. Наконец он решает, что настало время
подвести итоги. В 1786 г. он резко выступил против флогистонной теории и
похоронил ее под тяжестью неопровержимых фактов.
Многочисленные ученые всего мира продолжали
развивать теорию Лавуазье и уточняли его исследования о составе воздуха. В
конце XIX в. ученые считали уже окончательно установленным, что атмосферный
воздух содержит около 79% азота, 21% кислорода и небольшое количество водяного
пара и углекислого газа. Но вот в 1893 г. разнеслась весть, что английский
физик Рамзай открыл в воздухе новый тяжелый газ, содержание которого доходит
почти до 1%. Этот газ был назван аргоном, что значит «ленивый», потому что он
не вступает ни в какие соединения с другими элементами.
В дальнейшем Рамзаю с помощью других ученых
удалось обнаружить и выделить еще ряд газов, входящих в состав атмосферного
воздуха в самых ничтожных долях. Так были открыты гелий, криптон, неон и
ксенон. Содержание в воздухе этих газов выражается тысячными долями процента.
*
В наше время люди окончательно завоевали
нижний и самый важный слой воздушного океана, так называемую тропосферу. В этом
слое, высота которого достигает 10—12 километров от поверхности земли,
протекает вся органическая жизнь и все важнейшие атмосферные явления: дожди, ветры,
грозы. Выше начинается область крайне разреженного воздуха, так называемая
стратосфера, простирающаяся до 70—80 километров.
Еще выше стратосферы начинается область
чрезвычайно разреженных газов. Наблюдения за падающими звездами и северными
сияниями показали, что эта область простирается до 300 и даже до 700
километров.
Если бы плотность воздуха была одинакова,
высота атмосферы была бы равна примерно 8 километрам. Однако, как мы видим,
атмосферный воздух не имеет резко выраженной границы. Чем выше от земной
поверхности, тем более разреженной становится атмосфера и, наконец, плавно
переходит в межпланетное пространство.
Тропосфера долгое время была пределом человеческого проникновения в высоту. Чтобы узнать, что происходит выше этой оболочки, какая там температура, какие газы и какова их плотность, человек посылал в разведку только шары-зонды с привешенными к ним научными приборами. Лишь в самые последние годы люди на шарах-стратостатах преодолели границу тропосферы, и человек проник в новые, никогда еще им не виданные области. Так началось завоевание стратосферы. Пока на этих высотах побывали только немногие, и среди них в первых рядах стоят отважные советские исследователи-стратонавты, люди новой, социалистической, самой передовой в мире науки.
Комментариев нет:
Отправить комментарий