В. СМИРНЯГИН и Е. ЦИТОВИЧ, Рисунки Л. СМЕХОВА
Две трети земной поверхности покрыты морями и океанами. Тысячи рек пересекают материки. Лёд и снег лежат на огромных пространствах земного шара. Все это вода. Водяные пары насыщают воздух. 360 тыс. кубических километров воды ежегодно испаряется с поверхностей морей и океанов. Вода входит в состав всякого живого организма, она содержится в растениях, тканях животных. Человек в клетках своего тела носит до 70% воды.
Ещё древнегреческие философы замечали, что без воды растения и животные гибнут; что многие вещества, попадая в воду, как бы исчезают, растворяясь в ней; что вода может превращаться в пар — «в воздух». Обобщая все эти наблюдения, греческий философ Фалес Милетский, живший в VI веке до н. э., пришёл к выводу, что «все происходит из воды, вода — начало всего».
Живя на берегах рек и морей, человек с незапамятных времён наблюдал различные явления, связанные с водой и её свойствами. Он привык к ним, постепенно научился ими пользоваться, но долгое время не мог найти им правильного объяснения. Далеко не сразу люди сумели понять причины даже такого сравнительно простого явления, как плавание в воде твёрдых тел.
Объяснить плавание тел пытался ещё великий философ древности Аристотель (IV век до н. э.). Он разделял все тела на две категории. Одни, составляющие большинство, тяготеют к центру Земли; другие же, наоборот, по мнению Аристотеля, якобы наделены особым свойством, которое заставляет их удаляться от центра Земли. Эти последние, как, например, дерево, пробка, воск, всплывают на поверхность, какой бы формой они ни обладали. Что же касается тел, тяготеющих к центру Земли, то они могут тонуть или плавать, в зависимости от их формы и количества воды. Так, комок глины потонет, а плоская чаша, сделанная из той же глины, будет плавать.
Первый учёный, который смог опровергнуть аристотелевскую ошибочную теорию плавания, был Архимед, живший в городе Сиракузах в 287— 212 гг. до н. э. Этот учёный, которого называют гениальным инженером древности, был прямой противоположностью замкнутому в своих философских измышлениях Аристотелю.
Однажды сиракузский царь Гиерон заказал мастеру золотую корону. Мастер принёс готовую корону, вес которой точно равнялся весу полученного им золота. До царя дошли слухи, что мастер все же утаил значительную часть золота, заменив его серебром. Придворным учёным было поручено выяснить это, не повредив короны. Задача оказалась трудной и заинтересовала даже Архимеда. Архимед знал, что золото тяжелее других металлов и если в короне действительно примешано серебро, то объем её должен быть больше, чем объем такого же по весу куска золота. Но как определить объем изделия, украшенного сложными узорами? Архимед упорно думал над этой задачей. Однажды, садясь в наполненную до краёв ванну, он заметил, что вода переливается через край тем больше, чем больше погружается в ванну его тело. Это сразу натолкнуло Архимеда на блестящую догадку. «Эврика! Эврика!» (Нашёл! Нашёл!) закричал он в восторге от своего открытия. Способ был найден. Достаточно было погрузить в сосуд, наполненный водой, корону, а затем кусок золота такого же веса и сравнить, сколько воды вытеснено в том и другом случае, чтобы сразу обнаружить разницу в их объёмах. Если корона вытеснит больше воды, значит и объем её больше. Другими словами, её удельный (т. е. относительный) вес меньше, чем у золота.
Трудно сказать, насколько этот рассказ соответствует действительности, но несомненно, что Архимед первый установил понятие удельного веса, а в связи с этим — и причины плавания тел. До нашего времени сохранился трактат Архимеда, в котором он с гениальной для того времени ясностью объясняет это явление. Архимед утверждает, что плавание тел зависит только от их удельного веса.
Трактат Архимеда, названный им «О плавающих телах», положил начало науке о свойствах жидкостей — гидростатике. В этом трактате Архимед вывел свой знаменитый закон о том, что всякое тело при погружении в воду теряет в своём весе столько, сколько весит жидкость, взятая в объёме этого тела.
Труды Архимеда были забыты последующими учёными. Гидростатика разделила судьбу многих других отраслей точного знания. Столетия церковного засилья задержали развитие научной мысли. Средневековые схоласты возвели в непоколебимую догму учение Аристотеля.
Только в 1686 г. фламандский учёный Стевин в опубликованной им книге «Начала гидростатики» снова пытается внести ясность в вопрос о причинах плавания тел. Хотя в этой книге нет упоминания об Архимеде, но, по существу, Стевин воскрешает и развивает все мысли, изложенные в трактате древнего учёного. Он не только строго математически объясняет причины плавания и погружения тел, но исследует также давление жидкости на дно и стенки сосудов. Выводя свои теоремы, Стевин думает и об их практическом применении. В специальном дополнении к книге он подробно разъясняет, как определить степень погружения судна в речной и морской воде, как рассчитать давление на стенки шлюзов, при каких условиях нагруженные корабли будут сохранять свою плавучесть, на какой высоте должна быть палуба судна и до какой степени её можно загрузить войском, чтобы судно не потеряло своей устойчивости.
Однако влияние фламандского учёного было ещё слишком слабо, чтобы преодолеть сопротивление схоластов. Спустя несколько десятков лет спор о плавании тел возгорелся с новой силой. На этот раз в него вступил великий учёный Галилей, написавший в 1612 г. свой знаменитый трактат «Рассуждение о телах, пребывающих в воде, и о тех, которые в ней движутся». Споры Галилея с схоластами носили исключительно ожесточённый характер. Это и заставило его, как он пишет в предисловии, избрать письменное изложение — «способ, несравненно лучший, нежели словесный спор, при котором тот или другой, а чаще оба диспутанта, чрезмерно увлекаясь и от увлечения возвышая голос, не слушают друг друга...»
К этому времени последователям Аристотеля — схоластам — приходилось уже вступать в серьёзные бои, чтобы отстоять свои позиции от наступления учёных-новаторов. При этом схоласты сами делали попытки встать на путь опытов и исследований, чтобы подогнать их под своя теории. Так пытался действовать и некий сеньор Буонамико, выступивший против закона Архимеда: ссылаясь на проделанные им «опыты», Буонамико хотел доказать, что плавание тел не зависит от их веса. В числе доводов его были и самые нелепые соображения. Так, например, он указывал, что полено не будет плавать в корыте, в котором налито немного воды. Но если воду долить, то полено всплывёт. Значит, говорил Буонамико, Аристотель прав, утверждая, что плавание зависит от количества воды. Буонамико приводил и другой «опыт». Пустой сосуд держится на поверхности воды, но, если разбить его, т. е. изменить его форму, он пойдёт ко дну; отсюда делался вывод, будто Аристотель прав, говоря, что плавание зависит от формы тел, а не от их веса.
Один из самых серьёзных доводов Буонамико заключался в следующем. Во времена Галилея было уже известно, что охлаждение тел сопровождается сжатием. Следовательно, лёд должен быть плотнее воды, а значит и тяжелее. «Почему же он плавает?» —спрашивал Буонамико и отвечал: потому, что имеет широкую и плоскую форму.
Буонамико заявлял также, что Архимед неправ уже потому, что он противоречит Аристотелю. Галилей решительно и смело выступил против этого слепого преклонения перед непреложным авторитетом Аристотеля, заявив: «Там, где дело идёт о законах природы, тот или другой авторитет теряет силу убедительности, уступая место силе разума». С исключительной добросовестностью и точностью Галилей приводит в порядок все запутанные схоластами вопросы, доказывая, что плавание тел зависит только от их удельного веса; в частности, Галилей логически опровергает утверждения Аристотеля и Буонамико о том, что некоторые тела наделены особым принципом — удаляться от центра Земли — и поэтому всплывают на поверхность. Если бы это было так, говорит Галилей, то почему это стремление удаляться от центра Земли не проявляется до конца, почему, достигнув поверхности воды, такие тела не поднимаются в воздух?
Труднее всего было найти объяснение, почему лёд, который, казалось, должен быть плотнее воды, не идёт ко дну. Надо было либо отказаться от архимедовых основ гидростатики, либо признать, что вода, замерзая, становится менее плотной. Многочисленные опыты, проведённые Галилеем, убедили его, что вода в этом отношении действительно составляет исключение: переходя в лёд, она расширяется в своём объёме; следовательно, лёд менее плотен, чем вода. Так была открыта Галилеем одна из важнейших аномалий воды.
Борьба Галилея с аристотелианцами шла по всему фронту науки и носила явно политическую окраску. Утверждение Галилея о вращении Земли подрывало не только учение Аристотеля, но и церковные устои. Схоласты и церковники совместно объявили гонение на Галилея и в конце концов под угрозой пыток заставили его отречься от своих учений. Но эта «победа» схоластов была недолгой. Жизнь шла вперёд, и схоласты уже не могли задержать свободного развития научной мысли.
*
В 1653 г. был написан трактат знаменитого французского учёного Блеза Паскаля «О равновесии жидкостей». В этой работе Паскаль снова воскрешает гидростатическое учение Архимеда, Стевина и Галилея. Свои доказательства и выводы Паскаль облекает в такую совершенную ясную и чёткую форму, что они не оставляют ни тени сомнения.
Гидростатические опыты Паскаля были связаны с его наблюдениями над атмосферным давлением. Он совершенно правильно заключил, что, повинуясь законам гидростатики, тела будут тонуть или всплывать не только в воде, но и во всякой жидкости и даже в воздухе.
В этом же трактате Паскаль развивает и теорию давления жидкостей, впервые разработанную Стевином и Галилеем. Паскаль поясняет, почему вода в сообщающихся сосудах будет находиться всегда на одном уровне, хотя сами сосуды могут быть весьма различны по объёму. В специальной главе «Новый вид машины для увеличения сил» Паскаль формулирует идею гидравлического пресса: «Если сосуд, наполненный водой и закрытый со всех сторон, имеет два отверстия, одно в сто раз больше другого, которые прикрыты точно пригнанными к ним поршнями, то один человек, надавливающий на малый поршень, уравновесит силу ста человек, надавливающих на поршень, в сто раз больший». Учёный наглядно объясняет это явление, уподобляя такие сосуды весам, в которых одно коромысло длиннее другого. «Совершенно безразлично, — говорит Паскаль, — заставить ли сто фунтов воды пройти путь в один дюйм или один фунт воды — путь в сто дюймов».
Действие гидравлического пресса было основано на законе Паскаля о давлении жидкостей. Паскаль не только сформулировал этот закон, но подтвердил его чрезвычайно интересным опытом, носящим название гидростатического парадокса. Он брал сосуды самой разнообразной формы, но имеющие равное по площади дно, и наполнял их водой до одинакового уровня. Несмотря на то, что количество воды в сосудах было совершенно различное, давление жидкости на дно было одинаковым, хотя в одном случае в сосуд было налито целое ведро воды, а в другом — только два-три стакана. Внешняя неправдоподобность этого опыта дала повод назвать его гидростатическим парадоксом.
Работы Паскаля завершили наконец вековой спор о причинах плавания тел. Спор был посвящён только одному из многих явлений, связанных с водой, но этим далеко не исчерпывались разнообразные её свойства. Круговорот воды в природе, дожди и туман, способность воды испаряться в воздухе, растворять в себе различные тела, её роль в жизни растений и животных, наконец, химический состав воды — вокруг всех этих вопросов поднимались такие же вековые споры, прежде чем люди нашли причины этих повседневных явлений.
*
Ещё в I в. до н. э. греческий учёный Герон Александрийский делал опыты над испарением воды. При этом он заметил, что пар может служить даже движущей силой. Герон кипятил воду в котле и отводил пар в полый шар, из которого отходили изогнутые коленом трубки. Вырываясь из трубок наружу, пар приводил шар во вращение. В этом и в других приборах Герон использовал силу пара для различных забавных опытов и сам, видимо, не придавал им большого значения. А между тем эти игрушки можно считать прототипом современных паровых машин.
Другая удивительная способность воды — растворять тела — также издавна привлекала к себе внимание пытливых умов. Для средневековых алхимиков вода была самым необходимым веществом, без которого они не могли производить свои опыты. Растворяя различные вещества в воде, смешивая растворы и выпаривая их, алхимики получали новые вещества, среди которых пытались найти «философский камень». Этот волшебный камень, по мнению алхимиков, мог превращать дешёвые металлы в золото, возвращать молодость и творить другие чудеса.
В VIII в. н. э. арабский алхимик Гебер перечисляет в своих трудах множество опытов, проведённых им с растворами различных веществ в воде. Алхимики отождествляли с землёй все твёрдые, негорючие вещества. Замечая, что вода растворяет минеральные соли, купоросы, квасцы и т. д., алхимики считали, что в процессе растворения эти вещества сами превращаются в воду, сообщая ей некоторые свои свойства. Отсюда Гебер приходил к выводу, что «земля» обладает способностью превращаться в воду.
Голландский учёный, монах ван Гельмонт, живший в 1577—1644 гг., решил доказать также возможность обратного превращения и опытным путём показать, что вода может превращаться в «землю». Для этой цели он произвёл специальное исследование, посвятив ему целых пять лет. Ван Гельмонт поместил в глиняный горшок 200 фунтов земли и посадил в неё отросток ивы весом в 5 фунтов. Ежедневно поливая растение дождевой водой, он в течение пяти лет наблюдал за его ростом. Через пять лет он взвесил отдельно дерево и землю. Оказалось, что вес дерева увеличился до 164 фунтов, вес же земли остался почти без изменения. Значит, заключил ван Гельмонт, весь прирост дерева получился за счёт воды, а не за счёт земли. Но так как дерево заключает в себе и негорючие вещества, которые после сжигания остаются в виде золы, то ван Гельмонт пришёл к выводу, что вода может превращаться в «землю».
Вопрос о превращении воды в «землю» и, обратно, «земли» в воду возбуждал интерес у многих учёных. Так, знаменитый английский физик Роберт Бойль в течение нескольких месяцев кипятил воду в закрытом стеклянном сосуде и обнаружил, что при этом на дне сосуда образуется землистый порошок. Бойль и некоторые его современники полагали, что это и есть вода, превратившаяся в «землю».
Таким образом, в скрытой форме до самого конца XVII в. все же держалось учение Аристотеля о воде, как об одном из четырёх элементов природы, которые, по мнению древних, могли превращаться друг в друга. Это представление было окончательно разбито только в 1783 г. французским химиком Лавуазье. Лавуазье подвёл итог всем крупнейшим работам многочисленных исследователей и положил начало новой, современной химии. В свете этих выводов оказались смешными и нелепыми все рассуждения Аристотеля и его вольных и невольных приверженцев.
Лавуазье повторил опыты Бойля и в течение ста дней беспрерывно кипятил воду в закрытом стеклянном сосуде. Но при этом он тщательно взвесил сосуд и воду до и после опыта. Оказалось, что общий вес не изменился. На дне сосуда действительно осело небольшое количество землистого вещества, но, как показало взвешивание, этот осадок образовался не из воды, а из стекла, которое было разъедено водой.
Лавуазье первый доказал, что вода является не простым телом, а сама состоит из двух элементов — водорода и кислорода. В доказательство этого французскому учёному удалось даже «сложить» воду из этих двух газов. Он смешал водород и кислород под стеклянным колпаком, опущенным в сосуд с ртутью, и затем поджёг смесь. Произошёл взрыв, ртуть в сосуде поднялась, а на поверхности её заблестели капельки воды.
Работы Лавуазье открыли эпоху точных количественных исследований в химии. С этого времени точные весы становятся необходимой принадлежностью химических лабораторий. Химики XIX в. усиленно занимались исследованием состава различных веществ и соотношением в них элементов. Наиболее точное определение состава воды было произведено французским химиком Дюма. Он пропустил химически чистый водород над раскалённой окисью меди. При этом водород отнял от окиси меди кислород, а в трубке осталась восстановленная, металлическая медь. Образовавшиеся при этом пары воды отводились в батареи стеклянных трубок, наполненных различными гигроскопическими веществами. Для этих опытов Дюма брал точно определенное количество окиси меди. Взвешивая её до и после опыта, он определил, сколько кислорода отнималось от неё в процессе образования воды. Воду, которая улавливалась батареей поглощающих сосудов, он также взвешивал. Таким образом Дюма определил весовое соотношение кислорода и водорода в воде.
Работы Дюма дали цифровой материал, с помощью которого химики установили атомные веса разных химических элементов. За единицу атомного веса был принят атомный вес водорода. Атомный вес кислорода оказался в 16 раз больше.
На протяжении нескольких десятков лет атомный вес считался незыблемым свойством каждого атома любого химического элемента. Но вот в 20-х годах нашего столетия учёные обнаружили, что атомный вес, который считался присущим каждому атому, есть на самом деле какая-то средняя величина для данного элемента; вес отдельных атомов может значительно уклоняться в ту или другую сторону от этой средней величины. Первоначально это было открыто на хлоре, атомный вес которого равен 35,5. Это значит, что атом хлора должен быть в 35,5 раза тяжелее атома водорода. Путём весьма сложных и точных опытов было установлено, что у некоторых атомов хлора атомный вес составляет всего 35, а у других — 37, и только их средний вес будет равен 35,5. Это явление чрезвычайно заинтересовало учёных. Дальнейшие исследования показали, что подобным же свойством обладают не только атомы хлора, но и других элементов. Все такие атомы с разными весами были названы изотопами.
В течение нескольких лет учёные всего мира вели поиски изотопа водорода. Эти поиски велись главным образом в воде, которая является основным соединением водорода с кислородом. Очевидно, вода, содержащая тяжёлые атомы водорода, должна испаряться медленнее обыкновенной воды. Это навело на мысль исследовать воду электролитических ванн, в которые обычно подливают воду взамен разложенной при электролизе. Оказалось, что вода в такой ванне действительно несколько тяжелее обычной.
Американские учёные Льюис и Макдональд в 1933 г. при помощи электролиза получили воду, состоящую из соединения тяжёлого водорода с кислородом. Они вели электролиз в течение нескольких недель, пока от 3 литров осталось несколько капель воды. Оставшаяся вода представляла собой окись тяжёлого водорода. Она была названа «тяжёлой водой».
Тяжёлая вода обладает особыми свойствами: её удельный вес на 0,000034 больше удельного веса обыкновенной воды; она замерзает при 4° выше нуля, а кипит при температуре свыше 101°; тяжёлая вода ядовита и обладает исключительно высокой гигроскопичностью. Вода поглощает воду! Это парадоксальное явление показывает нам новые удивительные свойства воды — этой жидкости, которая окружает человека и сопутствует ему на протяжении всей жизни. Вода, которая, казалось бы, изучена вдоль и поперёк, ещё не открыла всех своих тайн.
Комментариев нет:
Отправить комментарий